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，因為其物理尺寸足以支持一系列“模式”。即給定信道通過波導(dǎo)的空間路徑，例如對應(yīng)于不同的傳播方向。多模光波導(dǎo)允許通過波導(dǎo)內(nèi)的角度變化來傳輸更多的數(shù)據(jù)。

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

　　具有一個或多個有源開關(guān)元件或其他導(dǎo)向元件的波導(dǎo)稱為有源導(dǎo)光管。無源導(dǎo)光管則是指具有不同光學(xué)靈敏度(例如不同波長和/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源導(dǎo)光管傳播。有源導(dǎo)光管的引導(dǎo)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(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(xiàn)出由光束通過多模波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)引起的失真效應(yīng)。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(yīng)用于空間相干檢測器的輸出，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(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延伸的四個側(cè)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(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相對于側(cè)表面300-S1…300-S4，使得第一光線304可以以足以在每個側(cè)表面實現(xiàn)全內(nèi)反射的角度穿過第一表面區(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通過第二SBG 300-2衍射出波導(dǎo)300，從而通過第二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)建了一個通過波導(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，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穿過波導(dǎo)300，并在SBG 300–1、300–2中的任何一個的表面區(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。現(xiàn)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(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通過波導(dǎo)300被引導(dǎo)到第一表面區(qū)域300-0。

　　這包括來自當(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�，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。例如對于偏振光束，可以使用可控偏振濾波器來實現(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)元件的實例。

　　當(dāng)使用偏振濾光器作為引導(dǎo)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(jù)需要以可控的方式引導(dǎo)光束到達(dá)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(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的介紹。在一個實施例中，可以采取單個波導(dǎo)或多個相互耦合的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)形式。微軟指出，具有多個有源導(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。

　　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通過第一波導(dǎo)400傳播到第一波導(dǎo)400的對應(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，它可以以一對多的方式引導(dǎo)到第二波導(dǎo)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(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(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(nèi)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(chuàng)建，并且可以創(chuàng)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(tǒng)200的示意性透視圖。其中，三個單獨的波導(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中的每一個都提供空間復(fù)用，因為它可以將信號引導(dǎo)到全息記錄介質(zhì)102內(nèi)的多個子體積中的任何一個子體積或從全息記錄介質(zhì)內(nèi)的多個子體積中的任意一個子體積引導(dǎo)信號。

　　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中的任何一個相對于全息記錄介質(zhì)的任何機(jī)械運動。

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

　　換句話說，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中的任意一個將輸入光束104引導(dǎo)到介質(zhì)102的多個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以一對多的方式用于引導(dǎo)來自子體積110的所得輸出光束108并穿過直通波導(dǎo)208以用于隨后的檢測。

　　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沒有相對于波導(dǎo)204、206、208的任何機(jī)械移動。

　　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/來自多個全息存儲介質(zhì)102A、102B的不同子體積。

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