微軟專利介紹使用有源導(dǎo)光管的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

　　光波導(dǎo)是一種可以通過(guò)全內(nèi)反射引導(dǎo)光束的光學(xué)元件。波導(dǎo)可以是“多模”形式，因?yàn)槠湮锢沓叽缱阋灾С忠幌盗?ldquo;模式”。即給定信道通過(guò)波導(dǎo)的空間路徑，例如對(duì)應(yīng)于不同的傳播方向。多模光波導(dǎo)允許通過(guò)波導(dǎo)內(nèi)的角度變化來(lái)傳輸更多的數(shù)據(jù)。

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

　　多模波導(dǎo)已經(jīng)用于例如頭顯等基于波導(dǎo)的顯示系統(tǒng)中。在這種情況下，多模波導(dǎo)通常將圖像從顯示器或光引擎?zhèn)魉偷接脩舻难劬�，其形式使得圖像可以由眼睛的光學(xué)器件重建，從而被人類用戶感知。差分光學(xué)器件可以用于提供光束擴(kuò)展，并確保進(jìn)入和離開波導(dǎo)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(gè)或多個(gè)有源開關(guān)元件或其他導(dǎo)向元件的波導(dǎo)稱為有源導(dǎo)光管。無(wú)源導(dǎo)光管則是指具有不同光學(xué)靈敏度(例如不同波長(zhǎng)和/或偏振靈敏度)的引導(dǎo)元件的導(dǎo)導(dǎo)光管。

　　數(shù)字圖像(或編碼為數(shù)字圖像的數(shù)據(jù))可以作為光束沿著有源或無(wú)源導(dǎo)光管傳播。有源導(dǎo)光管的引導(dǎo)元件可以單獨(dú)控制以透射或反射入射光束。

　　在名為“Optical data transfer”的專利申請(qǐng)中，微軟介紹了一種使用了有源導(dǎo)光管的相關(guān)光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

　　其中，波束調(diào)制器配置為在輸入波束中嵌入一組數(shù)據(jù)。多模光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)具有用于接收輸入光束的耦入?yún)^(qū)域。多模光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)配置為將輸入光束引導(dǎo)到多模光波導(dǎo)網(wǎng)的耦出區(qū)域�？臻g相干檢測(cè)器配置為測(cè)量多個(gè)位置處的輸出光場(chǎng)的相位和振幅。

　　輸出光場(chǎng)至少部分地由輸入光束限定，并且因此表現(xiàn)出由光束通過(guò)多模波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)引起的失真效應(yīng)。至少一個(gè)處理器耦合到空間相干檢測(cè)器，并且配置為將信號(hào)處理應(yīng)用于空間相干檢測(cè)器的輸出，以便補(bǔ)償所述失真效應(yīng)，從而從空間相干檢測(cè)器輸出恢復(fù)嵌入在輸入波束中的數(shù)據(jù)集中。

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

　　在所述示例中，在波導(dǎo)300的第一表面300-S1上示出了兩個(gè)這樣的SBG 300–1、300–2。每個(gè)SBG 300–1、300–2都可以單獨(dú)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(dǎo)光管300的相應(yīng)表面區(qū)域，根據(jù)波導(dǎo)300的使用方式，光可以在所述表面區(qū)域進(jìn)入波導(dǎo)300(耦入)或離開波導(dǎo)300(耦出)。

　　第一表面區(qū)域300-0是波導(dǎo)300的端部區(qū)域，波導(dǎo)的第一側(cè)表面300-S1從端部區(qū)域沿著波導(dǎo)300的軸線301延伸。

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

　　SBG 300–1、300–2沿著波導(dǎo)300-S1的第一側(cè)表面與第一區(qū)域300–0的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，其中第一SBG 300-1位于最靠近第一區(qū)域300-0的位置。

　　圖3A、3B和3E描繪了“一對(duì)多”的使用情況，其中SBG 300–1、300–2的第一表面區(qū)域300–0充當(dāng)耦入?yún)^(qū)域，而第二表面區(qū)域300-1充當(dāng)耦出區(qū)域。作為示例，圖3示出了經(jīng)由耦入?yún)^(qū)域300–0耦合到波導(dǎo)300中的第一光線304。

　　在所述示例中，第一表面區(qū)域300–0相對(duì)于側(cè)表面300-S1…300-S4，使得第一光線304可以以足以在每個(gè)側(cè)表面實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射的角度穿過(guò)第一表面區(qū)域進(jìn)入波導(dǎo)300的主體。

　　SBG 300–1、300–2中的每一個(gè)都可配置為在反射狀態(tài)和透射狀態(tài)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(tài)，導(dǎo)致入射光線300從其反射，回到波導(dǎo)300中，并沿著波導(dǎo)300被引導(dǎo)，直到到達(dá)第二SBG 300-2。

　　SBG 300–2顯示為處于透射狀態(tài)，導(dǎo)致光線304通過(guò)第二SBG 300-2衍射出波導(dǎo)300，從而通過(guò)第二SBG 300–2的表面區(qū)域耦出波導(dǎo)300。SBG 300–1300–2的這種配置在第一表面區(qū)域300–0和第二SBG 300-2的表面區(qū)域之間創(chuàng)建了一個(gè)通過(guò)波導(dǎo)300的通道。

　　相比之下，圖3B顯示了處于透射狀態(tài)的第一SBG 300–1。因此，第一射線304在到達(dá)第一SBG 300–1時(shí)，而是經(jīng)由第一SBG 300-1衍射出波導(dǎo)300，從而經(jīng)由第一SBG300–1的表面區(qū)域耦出波導(dǎo)300。這種配置在第一表面區(qū)域300–0和第一SBG 300–1的表面區(qū)域之間創(chuàng)建了通過(guò)波導(dǎo)300的通道。

　　以這種方式，可以引導(dǎo)第一光線304從第一區(qū)域300–0穿過(guò)波導(dǎo)300，并在SBG 300–1、300–2中的任何一個(gè)的表面區(qū)域處離開波導(dǎo)300。

　　圖3E示出了當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)第一射線304如何經(jīng)由TIR從側(cè)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(dǎo)光管300進(jìn)行多對(duì)一光學(xué)傳輸。

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

　　這包括來(lái)自當(dāng)前處于反射狀態(tài)的第一SBG 300–1的反射。第一SBG 300–1的反射狀態(tài)防止光線308通過(guò)第一SBG 300-1離開波導(dǎo)。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(huì)進(jìn)入波導(dǎo)300。

　　圖3D示出了與圖3B相同的配置，但現(xiàn)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(tài)的情況下，第三光線310通過(guò)衍射進(jìn)入波導(dǎo)300，并被引導(dǎo)到第一表面區(qū)域300–0。

　　圖3F示出了第二光線308如何在波導(dǎo)300內(nèi)以橫截面?zhèn)鞑ィ�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(guān)元件的一種可能形式。例如對(duì)于偏振光束，可以使用可控偏振濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。SBG和可控偏振濾波器是非機(jī)械有源開關(guān)的示例，它們可以通過(guò)非機(jī)械效應(yīng)改變波導(dǎo)300的光學(xué)屬性。引導(dǎo)元件的其他實(shí)例包括可控反射鏡，例如微反射鏡裝置或其他微機(jī)電系統(tǒng)(MEM)，后者是機(jī)械引導(dǎo)元件的實(shí)例。

　　當(dāng)使用偏振濾光器作為引導(dǎo)元件時(shí)，SBG 300–1、300–2可以用無(wú)源衍射元件代替，偏振濾光器可以根據(jù)需要以可控的方式引導(dǎo)光束到達(dá)或離開無(wú)源衍射元件，而無(wú)需重新配置衍射元件。

　　下面是波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的介紹。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采取單個(gè)波導(dǎo)或多個(gè)相互耦合的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)形式。微軟指出，具有多個(gè)有源導(dǎo)光管的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)在靈活的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。

　　圖4A和4B示出了包括第一和第二有源導(dǎo)光管400、420的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(的一部分)的替代側(cè)視圖。

　　第二導(dǎo)光管420具有第一表面區(qū)域420–0，第一表面區(qū)域與第一導(dǎo)光管400的相應(yīng)表面區(qū)域相鄰并對(duì)齊，并用于經(jīng)由第一表面區(qū)域400–0從第二波導(dǎo)420接收光束或?qū)⒐馐�引�?dǎo)到第二波導(dǎo)。

　　光線404通過(guò)第一波導(dǎo)400傳播到第一波導(dǎo)400的對(duì)應(yīng)表面區(qū)域，所述表面區(qū)域位于第二波導(dǎo)420的第一表面區(qū)域420-0附近。射線404通過(guò)連接到第一波導(dǎo)400的相鄰表面區(qū)域的SBG 400–1耦出第一波導(dǎo)400，并通過(guò)第一表面區(qū)域400–0耦合到第二波導(dǎo)420。

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

　　圖1A和1B示出了全息記錄介質(zhì)102的示意性透視圖該。其中，全息記錄介質(zhì)是一體積相對(duì)較厚的光敏材料，能夠持久地存儲(chǔ)作為包含在全息記錄介質(zhì)內(nèi)的“全息圖”的光學(xué)圖案。

　　圖1A示出了為了將一組數(shù)據(jù)寫入介質(zhì)102，輸入光束104和參考光束106如何分別經(jīng)由介質(zhì)102的第一和第二側(cè)表面102-4、102-6被引導(dǎo)到子體積110中。這產(chǎn)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(xué)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(xù)時(shí)間，則由干涉光束104、06產(chǎn)生的干涉圖案將被持久地記錄在子體積110內(nèi)作為全息圖。一組數(shù)據(jù)被嵌入輸入光束104中，并且可以從所得全息圖中恢復(fù)。以這種方式，編碼的數(shù)據(jù)集被寫入子體積110。數(shù)據(jù)集可以編碼為數(shù)字圖像，然后通過(guò)空間調(diào)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(shù)據(jù)，匹配的參考光束116通過(guò)介質(zhì)102的第二側(cè)表面102-6被引導(dǎo)到子體積110中，在那里它與全息圖相互作用以產(chǎn)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(guò)介質(zhì)102的第三側(cè)表面102-8傳播出子體積110。

　　用于讀取數(shù)據(jù)的參考光束116基本上與最初用于寫入數(shù)據(jù)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(dǎo)。這是因?yàn)樽x取全息圖的能力對(duì)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(lái)在同一子體積110內(nèi)記錄多個(gè)全息圖，每個(gè)全息圖都是使用不同的參考光束角度創(chuàng)建，并且可以創(chuàng)建兩個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)200的示意性透視圖。其中，三個(gè)單獨(dú)的波導(dǎo)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(dú)稱為輸入波導(dǎo)204、參考波導(dǎo)206和輸出波導(dǎo)208。

　　波導(dǎo)204、206和208中的每一個(gè)都提供空間復(fù)用，因?yàn)樗�可以將信�?hào)引導(dǎo)到全息記錄介質(zhì)102內(nèi)的多個(gè)子體積中的任何一個(gè)子體積或從全息記錄介質(zhì)內(nèi)的多個(gè)子體積中的任意一個(gè)子體積引導(dǎo)信號(hào)。

　　這在全息記錄介質(zhì)102的體積上提供了空間復(fù)用，而不需要波導(dǎo)204、206、208中的任何一個(gè)相對(duì)于全息記錄介質(zhì)的任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

　　為了避免這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的需要，引導(dǎo)元件位于波導(dǎo)204、206、208中的每一個(gè)上或內(nèi)，并且可配置為改變波導(dǎo)204，206，208的光學(xué)屬性，以便將信號(hào)引導(dǎo)到介質(zhì)102的不同子體積或從介質(zhì)102的各個(gè)子體積引導(dǎo)信號(hào)。

　　換句話說(shuō)，可以根據(jù)需要在波導(dǎo)204、206、208內(nèi)創(chuàng)建不同的通道。

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

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

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

　　參考波導(dǎo)406配置為將參考光束106同時(shí)引導(dǎo)到相同的子體積，以便創(chuàng)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(dǎo)204和參考波導(dǎo)206當(dāng)前都被配置為經(jīng)由每個(gè)波導(dǎo)204、206的第二SBG 204–2、206–2將輸入光束104和參考光束106引導(dǎo)到由參考數(shù)字110表示的子體積。

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

　　參考波導(dǎo)206以與圖2B至2D所示完全相同的方式使用，但現(xiàn)在用于將參考光束116引導(dǎo)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(dǎo)208以一對(duì)多的方式用于引導(dǎo)來(lái)自子體積110的所得輸出光束108并穿過(guò)直通波導(dǎo)208以用于隨后的檢測(cè)。

　　輸入波導(dǎo)204和參考波導(dǎo)206(本例中為SBG)的引導(dǎo)元件根據(jù)需要進(jìn)行配置，并為輸入光束104和參考光束106、116提供從光束源(發(fā)射系統(tǒng))到要讀取的子體積108的通道。對(duì)于SBG，這是根據(jù)需要將SBG設(shè)置為透射或反射狀態(tài)以創(chuàng)建通道的情況。類似地，輸出波導(dǎo)208的引導(dǎo)元件設(shè)置為提供從被讀取的子體積108到檢測(cè)器的通道。

　　如上所述，這允許在介質(zhì)102上進(jìn)行空間復(fù)用，而介質(zhì)102沒有相對(duì)于波導(dǎo)204、206、208的任何機(jī)械移動(dòng)。

　　圖5示出了包括圖4所示類型的多波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)示例。

　　輸入波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)被示為包括第一輸入導(dǎo)光管203(母波導(dǎo))，多個(gè)第二輸入導(dǎo)光管204A、204B(子波導(dǎo))耦合到第一輸入導(dǎo)光管道203。來(lái)自發(fā)射器系統(tǒng)504的輸入光束104經(jīng)由第一輸入波導(dǎo)203的耦入?yún)^(qū)域耦合到第一輸入波導(dǎo)中，并且可以從那里引導(dǎo)到任何第二輸入波導(dǎo)204A、204B中。

　　所描繪的布置允許光束被引導(dǎo)到/來(lái)自多個(gè)全息存儲(chǔ)介質(zhì)102A、102B的不同子體積。

　　名為“Optical data transfer”的專利申請(qǐng)最初在2021年3月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。