微软专利介绍使用有源导光管的光学数据传输系统

　　光波导是一种可以通过全内反射引导光束的光学元件。波导可以是“多模”形式，因为其物理尺寸足以支持一系列“模式”。即给定信道通过波导的空间路径，例如对应于不同的传播方向。多模光波导允许通过波导内的角度变化来传输更多的数据。

　　换言之，多模波导通过增加角度和/或空间分集，为任何给定信道提供从发射器到检测器的多条光路，从而提供更大的带宽(不同的路径对应于不同的传播模式)。

　　多模波导已经用于例如头显等基于波导的显示系统中。在这种情况下，多模波导通常将图像从显示器或光引擎传送到用户的眼睛，其形式使得图像可以由眼睛的光学器件重建，从而被人类用户感知。差分光学器件可以用于提供光束扩展，并确保进入和离开波导的光束保留原始图像，使得眼睛可以重建原始图像。

　　具有一个或多个有源开关元件或其他导向元件的波导称为有源导光管。无源导光管则是指具有不同光学灵敏度(例如不同波长和/或偏振灵敏度)的引导元件的导导光管。

　　数字图像(或编码为数字图像的数据)可以作为光束沿着有源或无源导光管传播。有源导光管的引导元件可以单独控制以透射或反射入射光束。

　　在名为“Optical data transfer”的专利申请中，微软介绍了一种使用了有源导光管的相关光学数据传输系统。

　　其中，波束调制器配置为在输入波束中嵌入一组数据。多模光波导网络具有用于接收输入光束的耦入区域。多模光波导网络配置为将输入光束引导到多模光波导网的耦出区域。空间相干检测器配置为测量多个位置处的输出光场的相位和振幅。

　　输出光场至少部分地由输入光束限定，并且因此表现出由光束通过多模波导网络引起的失真效应。至少一个处理器耦合到空间相干检测器，并且配置为将信号处理应用于空间相干检测器的输出，以便补偿所述失真效应，从而从空间相干检测器输出恢复嵌入在输入波束中的数据集中。

　　图3A-D示出了具有特定物理结构的有源导光管300的示例形式的示意性侧视图。有源导光管300显示为具有至少第一表面区域300–0和多个可切换布拉格光栅(SBG)形式的有源开关，其可以在嵌入的表面或体积上。

　　在所述示例中，在波导300的第一表面300-S1上示出了两个这样的SBG 300–1、300–2。每个SBG 300–1、300–2都可以单独控制，以改变其反射/透射属性，从而传输或反射入射光束。SBG 300–1、300–2形成有源导光管300的相应表面区域，根据波导300的使用方式，光可以在所述表面区域进入波导300(耦入)或离开波导300(耦出)。

　　第一表面区域300-0是波导300的端部区域，波导的第一侧表面300-S1从端部区域沿着波导300的轴线301延伸。

　　图3E和3F各自示出了波导300的截面图。在所述示例中，可以看到波导300是矩形的截面形状，并具有沿着波导300轴线301延伸的四个侧表面300-S1、300-S2、300-S2和300-S4。在这个例子中，SBG 300–1、300–2都沿着第一个侧表面300-S1定位。

　　SBG 300–1、300–2沿着波导300-S1的第一侧表面与第一区域300–0的距离越来越远，其中第一SBG 300-1位于最靠近第一区域300-0的位置。

　　图3A、3B和3E描绘了“一对多”的使用情况，其中SBG 300–1、300–2的第一表面区域300–0充当耦入区域，而第二表面区域300-1充当耦出区域。作为示例，图3示出了经由耦入区域300–0耦合到波导300中的第一光线304。

　　在所述示例中，第一表面区域300–0相对于侧表面300-S1…300-S4，使得第一光线304可以以足以在每个侧表面实现全内反射的角度穿过第一表面区域进入波导300的主体。

　　SBG 300–1、300–2中的每一个都可配置为在反射状态和透射状态之间改变。图3A示出了一种配置，其中第一SBG 300–1处于反射状态，导致入射光线300从其反射，回到波导300中，并沿着波导300被引导，直到到达第二SBG 300-2。

　　SBG 300–2显示为处于透射状态，导致光线304通过第二SBG 300-2衍射出波导300，从而通过第二SBG 300–2的表面区域耦出波导300。SBG 300–1300–2的这种配置在第一表面区域300–0和第二SBG 300-2的表面区域之间创建了一个通过波导300的通道。

　　相比之下，图3B显示了处于透射状态的第一SBG 300–1。因此，第一射线304在到达第一SBG 300–1时，而是经由第一SBG 300-1衍射出波导300，从而经由第一SBG300–1的表面区域耦出波导300。这种配置在第一表面区域300–0和第一SBG 300–1的表面区域之间创建了通过波导300的通道。

　　以这种方式，可以引导第一光线304从第一区域300–0穿过波导300，并在SBG 300–1、300–2中的任何一个的表面区域处离开波导300。

　　图3E示出了当在横截面中观察时第一射线304如何经由TIR从侧面中的一些或全部传播，这取决于第一光线304的角度。

　　同样可行的是，如图3C、3D和3F所示，使用所示的有源导光管300进行多对一光学传输。

　　图3C示出了与图3A相同的SBG的配置。唯一的区别是如何使用波导300。现在第二条光线308显示为从外部源(未显示)入射到第二个SBG 300–2上。在第二SBG处于透射状态的情况下，第二光线308经由第二SBG衍射到波导300中，从第二SBC通过波导300被引导到第一表面区域300-0。

　　这包括来自当前处于反射状态的第一SBG 300–1的反射。第一SBG 300–1的反射状态防止光线308通过第一SBG 300-1离开波导。另外，可能碰巧入射到第一SBG 300–1上的任何外部光线309将基本上被反射离开，从而不会进入波导300。

　　图3D示出了与图3B相同的配置，但现在第二射线308从外部源入射到第一SBG 300–1上。在第一SBG 300–1处于透射状态的情况下，第三光线310通过衍射进入波导300，并被引导到第一表面区域300–0。

　　图3F示出了第二光线308如何在波导300内以横截面传播，并且图3E的相同描述适用，但光线方向相反。

　　SBG仅仅是有源开关元件的一种可能形式。例如对于偏振光束，可以使用可控偏振滤波器来实现相同的效果。SBG和可控偏振滤波器是非机械有源开关的示例，它们可以通过非机械效应改变波导300的光学属性。引导元件的其他实例包括可控反射镜，例如微反射镜装置或其他微机电系统(MEM)，后者是机械引导元件的实例。

　　当使用偏振滤光器作为引导元件时，SBG 300–1、300–2可以用无源衍射元件代替，偏振滤光器可以根据需要以可控的方式引导光束到达或离开无源衍射元件，而无需重新配置衍射元件。

　　下面是波导网络的介绍。在一个实施例中，可以采取单个波导或多个相互耦合的波导网络形式。微软指出，具有多个有源导光管的波导网络在灵活的光学数据传输方面具有特别的优势。

　　图4A和4B示出了包括第一和第二有源导光管400、420的波导网络(的一部分)的替代侧视图。

　　第二导光管420具有第一表面区域420–0，第一表面区域与第一导光管400的相应表面区域相邻并对齐，并用于经由第一表面区域400–0从第二波导420接收光束或将光束引导到第二波导。

　　光线404通过第一波导400传播到第一波导400的对应表面区域，所述表面区域位于第二波导420的第一表面区域420-0附近。射线404通过连接到第一波导400的相邻表面区域的SBG 400–1耦出第一波导400，并通过第一表面区域400–0耦合到第二波导420。

　　从那里，它可以以一对多的方式引导到第二波导420的多个SBG 420–1、420–2中的任何一个。相同的布置可以用于以多对一的方式在另一方向上将光束从第二波导420引导到第一波导400中，其中光线方向相反。

　　图1A和1B示出了全息记录介质102的示意性透视图该。其中，全息记录介质是一体积相对较厚的光敏材料，能够持久地存储作为包含在全息记录介质内的“全息图”的光学图案。

　　图1A示出了为了将一组数据写入介质102，输入光束104和参考光束106如何分别经由介质102的第一和第二侧表面102-4、102-6被引导到子体积110中。这产生了由输入光束104和参考光束106之间的干涉引起的干涉图案形式的光学图案。

　　如果光束104、106具有足够的功率并且子体积110被曝光足够的持续时间，则由干涉光束104、06产生的干涉图案将被持久地记录在子体积110内作为全息图。一组数据被嵌入输入光束104中，并且可以从所得全息图中恢复。以这种方式，编码的数据集被写入子体积110。数据集可以编码为数字图像，然后通过空间调制将其嵌入输入光束104中。

　　如图1B所示，为了从子体积110读取数据，匹配的参考光束116通过介质102的第二侧表面102-6被引导到子体积110中，在那里它与全息图相互作用以产生输出光束108。输出光束108将与用于写入全息图的输入光束104基本匹配。输出光束108通过介质102的第三侧表面102-8传播出子体积110。

　　用于读取数据的参考光束116基本上与最初用于写入数据的参考波束106相匹配，并且特别地以与原始参考光束106的角度紧密匹配的角度被引导。这是因为读取全息图的能力对分别用于写入和读取全息图的参考光束106、116之间的角度偏差高度敏感。

　　正是这种灵敏度可以用来在同一子体积110内记录多个全息图，每个全息图都是使用不同的参考光束角度创建，并且可以创建两个不同的全息图，而参考光束角度只有微小的差异。以这种方式，可以将大量的全息图写入同一子体积110。

　　图2A示出了示例全息存储系统200的示意性透视图。其中，三个单独的波导204、206和208用于承载输入光束104、参考光束116、126和输出光束118，并且可以单独称为输入波导204、参考波导206和输出波导208。

　　波导204、206和208中的每一个都提供空间复用，因为它可以将信号引导到全息记录介质102内的多个子体积中的任何一个子体积或从全息记录介质内的多个子体积中的任意一个子体积引导信号。

　　这在全息记录介质102的体积上提供了空间复用，而不需要波导204、206、208中的任何一个相对于全息记录介质的任何机械运动。

　　为了避免这种机械运动的需要，引导元件位于波导204、206、208中的每一个上或内，并且可配置为改变波导204，206，208的光学属性，以便将信号引导到介质102的不同子体积或从介质102的各个子体积引导信号。

　　换句话说，可以根据需要在波导204、206、208内创建不同的通道。

　　在所述特定示例中，引导元件采用有源光学开关元件的形式。开关可以采取多种形式。在该示例中，开关采用SBG的形式，SBG位于波导204、206、208的不同表面区域中，总体布置与图3A-E相同。

　　每个波导204、206、208布置为其第一表面(即其SBG所在的表面)与介质102的不同侧表面相邻，使得其SBG沿着介质102的该侧表面延伸。

　　图2B至2D示出了如何使用输入波导204和参考波导206以一对多的方式将数据写入介质102。图2B示出了系统200的示意性平面图，图2C和2D示出了替代的侧视图，其中输入波导204和参考波导206分别可见。输入波导404用于以上述方式经由输入波导204的SBG 404–1、404–2中的任意一个将输入光束104引导到介质102的多个子体积中的任意之一。

　　参考波导406配置为将参考光束106同时引导到相同的子体积，以便创建要写入该子体积的期望干涉图案。在所描绘的示例中，输入波导204和参考波导206当前都被配置为经由每个波导204、206的第二SBG 204–2、206–2将输入光束104和参考光束106引导到由参考数字110表示的子体积。

　　图2E至2G示出了参考波导206和输出波导208可以如何用于从介质102读取数据。图2E是平面图，图2F和2G示出了替代的侧视图，其中参考波导204和输出波导206是可见的。

　　参考波导206以与图2B至2D所示完全相同的方式使用，但现在用于将参考光束116引导到任何子体积，在这种情况下，全息图将读取子体积110。输出波导208以一对多的方式用于引导来自子体积110的所得输出光束108并穿过直通波导208以用于随后的检测。

　　输入波导204和参考波导206(本例中为SBG)的引导元件根据需要进行配置，并为输入光束104和参考光束106、116提供从光束源(发射系统)到要读取的子体积108的通道。对于SBG，这是根据需要将SBG设置为透射或反射状态以创建通道的情况。类似地，输出波导208的引导元件设置为提供从被读取的子体积108到检测器的通道。

　　如上所述，这允许在介质102上进行空间复用，而介质102没有相对于波导204、206、208的任何机械移动。

　　图5示出了包括图4所示类型的多波导网络的全息存储系统示例。

　　输入波导网络被示为包括第一输入导光管203(母波导)，多个第二输入导光管204A、204B(子波导)耦合到第一输入导光管道203。来自发射器系统504的输入光束104经由第一输入波导203的耦入区域耦合到第一输入波导中，并且可以从那里引导到任何第二输入波导204A、204B中。

　　所描绘的布置允许光束被引导到/来自多个全息存储介质102A、102B的不同子体积。

　　名为“Optical data transfer”的专利申请最初在2021年3月提交，并在日前由美国专利商标局公布。