微軟專利介紹使用有源導光管的光學數據傳輸系統

2023年04月21日 17:00:12 來源：映維網

　　光波導是一種可以通過全內反射引導光束的光學元件。波導可以是“多模”形式，因為其物理尺寸足以支持一系列“模式”。即給定信道通過波導的空間路徑，例如對應于不同的傳播方向。多模光波導允許通過波導內的角度變化來傳輸更多的數據。

　　換言之，多模波導通過增加角度和/或空間分集，為任何給定信道提供從發射器到檢測器的多條光路，從而提供更大的帶寬(不同的路徑對應于不同的傳播模式)。

　　多模波導已經用于例如頭顯等基于波導的顯示系統中。在這種情況下，多模波導通常將圖像從顯示器或光引擎傳送到用戶的眼睛，其形式使得圖像可以由眼睛的光學器件重建，從而被人類用戶感知。差分光學器件可以用于提供光束擴展，并確保進入和離開波導的光束保留原始圖像，使得眼睛可以重建原始圖像。

　　具有一個或多個有源開關元件或其他導向元件的波導稱為有源導光管。無源導光管則是指具有不同光學靈敏度(例如不同波長和/或偏振靈敏度)的引導元件的導導光管。

　　數字圖像(或編碼為數字圖像的數據)可以作為光束沿著有源或無源導光管傳播。有源導光管的引導元件可以單獨控制以透射或反射入射光束。

　　在名為“Optical data transfer”的專利申請中，微軟介紹了一種使用了有源導光管的相關光學數據傳輸系統。

　　其中，波束調制器配置為在輸入波束中嵌入一組數據。多模光波導網絡具有用于接收輸入光束的耦入區域。多模光波導網絡配置為將輸入光束引導到多模光波導網的耦出區域。空間相干檢測器配置為測量多個位置處的輸出光場的相位和振幅。

　　輸出光場至少部分地由輸入光束限定，并且因此表現出由光束通過多模波導網絡引起的失真效應。至少一個處理器耦合到空間相干檢測器，并且配置為將信號處理應用于空間相干檢測器的輸出，以便補償所述失真效應，從而從空間相干檢測器輸出恢復嵌入在輸入波束中的數據集中。

　　圖3A-D示出了具有特定物理結構的有源導光管300的示例形式的示意性側視圖。有源導光管300顯示為具有至少第一表面區域300–0和多個可切換布拉格光柵(SBG)形式的有源開關，其可以在嵌入的表面或體積上。

　　在所述示例中，在波導300的第一表面300-S1上示出了兩個這樣的SBG 300–1、300–2。每個SBG 300–1、300–2都可以單獨控制，以改變其反射/透射屬性，從而傳輸或反射入射光束。SBG 300–1、300–2形成有源導光管300的相應表面區域，根據波導300的使用方式，光可以在所述表面區域進入波導300(耦入)或離開波導300(耦出)。

　　第一表面區域300-0是波導300的端部區域，波導的第一側表面300-S1從端部區域沿著波導300的軸線301延伸。

　　圖3E和3F各自示出了波導300的截面圖。在所述示例中，可以看到波導300是矩形的截面形狀，并具有沿著波導300軸線301延伸的四個側表面300-S1、300-S2、300-S2和300-S4。在這個例子中，SBG 300–1、300–2都沿著第一個側表面300-S1定位。

　　SBG 300–1、300–2沿著波導300-S1的第一側表面與第一區域300–0的距離越來越遠，其中第一SBG 300-1位于最靠近第一區域300-0的位置。

　　圖3A、3B和3E描繪了“一對多”的使用情況，其中SBG 300–1、300–2的第一表面區域300–0充當耦入區域，而第二表面區域300-1充當耦出區域。作為示例，圖3示出了經由耦入區域300–0耦合到波導300中的第一光線304。

　　在所述示例中，第一表面區域300–0相對于側表面300-S1…300-S4，使得第一光線304可以以足以在每個側表面實現全內反射的角度穿過第一表面區域進入波導300的主體。

　　SBG 300–1、300–2中的每一個都可配置為在反射狀態和透射狀態之間改變。圖3A示出了一種配置，其中第一SBG 300–1處于反射狀態，導致入射光線300從其反射，回到波導300中，并沿著波導300被引導，直到到達第二SBG 300-2。

　　SBG 300–2顯示為處于透射狀態，導致光線304通過第二SBG 300-2衍射出波導300，從而通過第二SBG 300–2的表面區域耦出波導300。SBG 300–1300–2的這種配置在第一表面區域300–0和第二SBG 300-2的表面區域之間創建了一個通過波導300的通道。

　　相比之下，圖3B顯示了處于透射狀態的第一SBG 300–1。因此，第一射線304在到達第一SBG 300–1時，而是經由第一SBG 300-1衍射出波導300，從而經由第一SBG300–1的表面區域耦出波導300。這種配置在第一表面區域300–0和第一SBG 300–1的表面區域之間創建了通過波導300的通道。

　　以這種方式，可以引導第一光線304從第一區域300–0穿過波導300，并在SBG 300–1、300–2中的任何一個的表面區域處離開波導300。

　　圖3E示出了當在橫截面中觀察時第一射線304如何經由TIR從側面中的一些或全部傳播，這取決于第一光線304的角度。

　　同樣可行的是，如圖3C、3D和3F所示，使用所示的有源導光管300進行多對一光學傳輸。

　　圖3C示出了與圖3A相同的SBG的配置。唯一的區別是如何使用波導300。現在第二條光線308顯示為從外部源(未顯示)入射到第二個SBG 300–2上。在第二SBG處于透射狀態的情況下，第二光線308經由第二SBG衍射到波導300中，從第二SBC通過波導300被引導到第一表面區域300-0。

　　這包括來自當前處于反射狀態的第一SBG 300–1的反射。第一SBG 300–1的反射狀態防止光線308通過第一SBG 300-1離開波導。另外，可能碰巧入射到第一SBG 300–1上的任何外部光線309將基本上被反射離開，從而不會進入波導300。

　　圖3D示出了與圖3B相同的配置，但現在第二射線308從外部源入射到第一SBG 300–1上。在第一SBG 300–1處于透射狀態的情況下，第三光線310通過衍射進入波導300，并被引導到第一表面區域300–0。

　　圖3F示出了第二光線308如何在波導300內以橫截面傳播，并且圖3E的相同描述適用，但光線方向相反。

　　SBG僅僅是有源開關元件的一種可能形式。例如對于偏振光束，可以使用可控偏振濾波器來實現相同的效果。SBG和可控偏振濾波器是非機械有源開關的示例，它們可以通過非機械效應改變波導300的光學屬性。引導元件的其他實例包括可控反射鏡，例如微反射鏡裝置或其他微機電系統(MEM)，后者是機械引導元件的實例。

　　當使用偏振濾光器作為引導元件時，SBG 300–1、300–2可以用無源衍射元件代替，偏振濾光器可以根據需要以可控的方式引導光束到達或離開無源衍射元件，而無需重新配置衍射元件。

　　下面是波導網絡的介紹。在一個實施例中，可以采取單個波導或多個相互耦合的波導網絡形式。微軟指出，具有多個有源導光管的波導網絡在靈活的光學數據傳輸方面具有特別的優勢。

　　圖4A和4B示出了包括第一和第二有源導光管400、420的波導網絡(的一部分)的替代側視圖。

　　第二導光管420具有第一表面區域420–0，第一表面區域與第一導光管400的相應表面區域相鄰并對齊，并用于經由第一表面區域400–0從第二波導420接收光束或將光束引導到第二波導。

　　光線404通過第一波導400傳播到第一波導400的對應表面區域，所述表面區域位于第二波導420的第一表面區域420-0附近。射線404通過連接到第一波導400的相鄰表面區域的SBG 400–1耦出第一波導400，并通過第一表面區域400–0耦合到第二波導420。

　　從那里，它可以以一對多的方式引導到第二波導420的多個SBG 420–1、420–2中的任何一個。相同的布置可以用于以多對一的方式在另一方向上將光束從第二波導420引導到第一波導400中，其中光線方向相反。

　　圖1A和1B示出了全息記錄介質102的示意性透視圖該。其中，全息記錄介質是一體積相對較厚的光敏材料，能夠持久地存儲作為包含在全息記錄介質內的“全息圖”的光學圖案。

　　圖1A示出了為了將一組數據寫入介質102，輸入光束104和參考光束106如何分別經由介質102的第一和第二側表面102-4、102-6被引導到子體積110中。這產生了由輸入光束104和參考光束106之間的干涉引起的干涉圖案形式的光學圖案。

　　如果光束104、106具有足夠的功率并且子體積110被曝光足夠的持續時間，則由干涉光束104、06產生的干涉圖案將被持久地記錄在子體積110內作為全息圖。一組數據被嵌入輸入光束104中，并且可以從所得全息圖中恢復。以這種方式，編碼的數據集被寫入子體積110。數據集可以編碼為數字圖像，然后通過空間調制將其嵌入輸入光束104中。

　　如圖1B所示，為了從子體積110讀取數據，匹配的參考光束116通過介質102的第二側表面102-6被引導到子體積110中，在那里它與全息圖相互作用以產生輸出光束108。輸出光束108將與用于寫入全息圖的輸入光束104基本匹配。輸出光束108通過介質102的第三側表面102-8傳播出子體積110。

　　用于讀取數據的參考光束116基本上與最初用于寫入數據的參考波束106相匹配，并且特別地以與原始參考光束106的角度緊密匹配的角度被引導。這是因為讀取全息圖的能力對分別用于寫入和讀取全息圖的參考光束106、116之間的角度偏差高度敏感。

　　正是這種靈敏度可以用來在同一子體積110內記錄多個全息圖，每個全息圖都是使用不同的參考光束角度創建，并且可以創建兩個不同的全息圖，而參考光束角度只有微小的差異。以這種方式，可以將大量的全息圖寫入同一子體積110。

　　圖2A示出了示例全息存儲系統200的示意性透視圖。其中，三個單獨的波導204、206和208用于承載輸入光束104、參考光束116、126和輸出光束118，并且可以單獨稱為輸入波導204、參考波導206和輸出波導208。

　　波導204、206和208中的每一個都提供空間復用，因為它可以將信號引導到全息記錄介質102內的多個子體積中的任何一個子體積或從全息記錄介質內的多個子體積中的任意一個子體積引導信號。

　　這在全息記錄介質102的體積上提供了空間復用，而不需要波導204、206、208中的任何一個相對于全息記錄介質的任何機械運動。

　　為了避免這種機械運動的需要，引導元件位于波導204、206、208中的每一個上或內，并且可配置為改變波導204，206，208的光學屬性，以便將信號引導到介質102的不同子體積或從介質102的各個子體積引導信號。

　　換句話說，可以根據需要在波導204、206、208內創建不同的通道。

　　在所述特定示例中，引導元件采用有源光學開關元件的形式。開關可以采取多種形式。在該示例中，開關采用SBG的形式，SBG位于波導204、206、208的不同表面區域中，總體布置與圖3A-E相同。

　　每個波導204、206、208布置為其第一表面(即其SBG所在的表面)與介質102的不同側表面相鄰，使得其SBG沿著介質102的該側表面延伸。

　　圖2B至2D示出了如何使用輸入波導204和參考波導206以一對多的方式將數據寫入介質102。圖2B示出了系統200的示意性平面圖，圖2C和2D示出了替代的側視圖，其中輸入波導204和參考波導206分別可見。輸入波導404用于以上述方式經由輸入波導204的SBG 404–1、404–2中的任意一個將輸入光束104引導到介質102的多個子體積中的任意之一。

　　參考波導406配置為將參考光束106同時引導到相同的子體積，以便創建要寫入該子體積的期望干涉圖案。在所描繪的示例中，輸入波導204和參考波導206當前都被配置為經由每個波導204、206的第二SBG 204–2、206–2將輸入光束104和參考光束106引導到由參考數字110表示的子體積。

　　圖2E至2G示出了參考波導206和輸出波導208可以如何用于從介質102讀取數據。圖2E是平面圖，圖2F和2G示出了替代的側視圖，其中參考波導204和輸出波導206是可見的。

　　參考波導206以與圖2B至2D所示完全相同的方式使用，但現在用于將參考光束116引導到任何子體積，在這種情況下，全息圖將讀取子體積110。輸出波導208以一對多的方式用于引導來自子體積110的所得輸出光束108并穿過直通波導208以用于隨后的檢測。

　　輸入波導204和參考波導206(本例中為SBG)的引導元件根據需要進行配置，并為輸入光束104和參考光束106、116提供從光束源(發射系統)到要讀取的子體積108的通道。對于SBG，這是根據需要將SBG設置為透射或反射狀態以創建通道的情況。類似地，輸出波導208的引導元件設置為提供從被讀取的子體積108到檢測器的通道。

　　如上所述，這允許在介質102上進行空間復用，而介質102沒有相對于波導204、206、208的任何機械移動。