光束路由设备和方法
【专利摘要】本发明涉及用于采用全息摄影技术路由电信设备中的光束的方法和设备，尤其是通过在硅上液晶(LCOS)装置上显示的开诺全息图的方式。因此，我们描述的光束路由设备包括：接收输入光束的至少一个光学输入；多个光学输出；在所述光学输入和所述光学输出之间的光路上的空间光调制器(SLM)；和用于所述SLM的驱动器，以在所述SLM上显示开诺全息图，从而将所述输入光束衍射成包括多个衍射级的输出光束，其中，所述衍射级中被路由的一个被引至至少一个选定的所述光学输出；其中所述设备配置成修改所述输出光束的波前从而减少所述输出光束至所述选定的光学输出的耦合；并且，其中所述开诺全息图适于补偿所述波前修改以补偿所述减少的耦合，并因而减少来自所述输入光束的其它衍射光至所述光学输出中除了所述至少一个选定的光学输出之外的其它光学输出的耦合。
【专利说明】光束路由设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于采用全息技术在电信设备中路由光束的方法和设备。本发明的多个方面涉及在硅上液晶(LCOS)装置上显示开诺全息图。
【背景技术】
[0002]电信中涉及全息摄影技术、特别是开诺全息图(相位全息图)的使用的背景现有技术可以在 US5, 617，227、US5, 416，616、W003 / 021341、US7, 457，547、US7, 174，065、GB2, 350, 961A、GB2, 456，170A、US2006 / 0067611 “波长选择可重构光学交叉连接(Wavelength Selective Reconfigurable Optical Cross-connect)” 中找到，并且W02007 / 131649 “形成图像的方法和图像投影装置(Method of Forming An ImageAnd Image Projection Device) ”描述了一种形成图像的方法,包括提供用于将各自的相移分给入射波前的不同区域的装置，其中相移在重放场中导致图像，并且造成零阶光被聚焦到重放场和装置之间的区域。进一步的背景还可以在D.Gil-Leyva、B.Robertson、T.D.Wilkinson、C.J.Henderson的“利用误差扩散算法在自适应自由空间光学互连中的象差校正(Aberration correction in an adaptive free-space optical interconnectwith an error diffusion algoritbn) ” (APPLIED OPTICS, pp.3782 / 第 45 卷第 16 号 /2006 年6 月 I 日)、Α.A.NeiI,M.J.Booth, and T.WiIson在 J.0pt.Soc.Am.A, 17，1098 (2000)的“新形式波前传感器:理论分析(New modal waveffont sensor:a theoreticalanalysis) ”( ()、Gil Leyva Zambada D.的剑桥大学博士学位论文(http: / / search.lib.cam.ac.uk / ? itemid= I depfacaedb I 565372)第 7 章的“自适应光学自由空间互连的全息波前优化(Holographic wave front optimisation on an adaptive opticalfree-space interconnect) ”、以及 ff.A.Crossland、1.G.Manolis、Μ.M.Redmond、K.L.Tan、T.D.ffilkinson>M.J.Hohnes>T.R.Parker>H.H.Chu>J.Croucher>V.A.Handerek、S.T.Warr>B.Robertson、1.G.Bonas> R..Franklin、C.Stace、H.J.White、R.A.Woolley 和 G.Henshall在 J.Lightwave Techn.18，1845 (2000)的“全息光学切换:ROSES 不教器(Holographicoptical switching:the ROSES demonstrator)，，()中找到。
[0003]前面所描述的用于在基于LCOS开关中将光学输入束偏转至输出光纤的光栅图案具有来自插入损耗和串扰的缺陷，原因在于在制造完美SLM和播放理想相位图时的各种限制。这导致主要能量被衍射成不需要的衍射级。这部分地由于液晶材料的非理想响应，并且在我们平行的2011年2月16日递交的第1102715.8号UK专利申请中解决了这一具体的问题。
[0004]基于我们称作波前编码的技术，我们现在描述一种旨在减轻串扰的技术。
【发明内容】
[0005]因此，根据本发明，提供了一种光束路由设备，包括:接收输入光束的至少一个光学输入；多个光学输出；在所述光学输入和所述光学输出之间的光路上的空间光调制器(SLM)；以及用于所述SLM的驱动器，在所述SLM上显示开诺全息图，从而将所述输入光束衍射成包括多个衍射级的输出光束，其中，将所述衍射级中被路由的一个衍射级导弓I至至少一个选定的所述光学输出；其中所述设备配置为修改所述输出光束的波前从而减少所述输出光束至所述选定的光学输出的耦合；并且，其中所述开诺全息图适于补偿所述波前修改以补偿所述减少的耦合，并因而减少来自所述输入光束的其它衍射光至所述光学输出中除了所述至少一个选定的光学输出之外的其它光学输出的耦合。
[0006]笼统地说，在此技术的实施例中，我们有目的地将诸如散焦之类的象差引入光学系统，所述象差以预定的方式使波前失真。接着，对显示在SLM上的开诺全息图进行校正，对所设计的象差进行校正。校正过程具有减少将来自输入光束的其它衍射光耦合至其它光学输出而非选定输出的效果。因此，例如，校正选定衍射级(例如+1(或-1)阶)的效果是减少其它衍射阶耦合到其它光学输出，尤其是在输出被规则地间隔开以使得不想要的阶会与未选定的输出重叠的系统中。校正一个衍射级处的波前失真的数学运算具有增加用于未选定阶的“象差”的效果。用于开诺全息图的数据可以被存储在SLM的存储器中和/或根据需要计算。在实施例中，可以存储一组开诺全息图，一个开诺全息图用于将光导引至每个光学输出(通过线性相加可以结合开诺全息图)。
[0007]用于利用开诺全息图校正波前的技术在Gil-Leyva等人(ibid)中描述；Blanchard和Greenaway的论文说明将光栅和透镜相结合导致衍射级被聚焦在不同的面处，即，优化聚焦，针对具体输出请求+1阶将其他阶三角(PM Blanchard和AH Greenaway在Applied optical optics386692 (1999)的“(利用失真衍射光栅的同时多平面成像simultaneous multiplane imaging with a distorted diffraction grating)，，())。然而，正如稍后所述的，不需要所有光学输出在同一面上。
[0008]虽然实施例减少了将不想要的衍射级耦合至未选定的光学输出，更普遍地，我们描述的技术的实施例将“孔”有效地定位在选定光学输出周围的噪声场。(例如利用稍后所描述的“乒乓”型算法可以实现)。由于各种原因，这对实际(而非理想)SLM显示非理想相位图案(SLM是像素阵列，液晶的响应是非理想的，SLM反射镜可以不完美并且导致散射光等)是有用的。因此，可以更普遍地采用该技术的实施例以减轻噪声。(我们稍后描述多播系统的子集，其中初步结果表示不能减少串扰，但是对于噪声减少是有利的)。
[0009]本领域技术人员会理解:是否认为所述设备或开诺全息图修改波前存在一定程度上的任意性，在这两种中考虑对修改的补偿。因此，例如，我们会描述系统的实施例，其中设备被配置成使得默认的未校正的条件具有偏离系统的焦平面的光学输出，开诺全息图将透镜光学能力引入到选定的目标衍射级以对其进行校正。然而，在可选布置中，开诺全息图可以例如将透镜光学能力引入到选定衍射级，并且设备可以包括透镜，或者更具体地包括微透镜阵列(lenslet array),以对此进行补偿。相同地,更普遍地,开诺全息图可以将相位掩模引入系统(例如，这可以或不可以对透镜光学能力进行编码)，并且光学系统可以集成匹配的滤波器，例如衍射光学元件用以补偿。因此，本领域技术人员会理解设备和开诺全息图中的一个配置用于修改输出光束(或多个光束)的波前，而设备和开诺全息图中的另一个配置用于补偿这种修改。
[0010]在实施例中，所述设备配置为将输出光束的波前的一部分或全部修改为在设备运作的波长处至少H / 2、π或2π的相位。所述选定的路由衍射级的半高全宽(FWHM)可以具有为Otl的尺寸或直径，在此情况下，在一个或多个没有被选定的输出处，没有被选定的衍射级Oci可以具有至少2倍或3倍的光斑尺寸。对于高斯型光束，对应的条件可以应用至模场直径。
[0011]如前所述的，在实施例中，所述设备配置成使得缺少所述波前修改补偿，所述路由的延伸级在所述选定的光学输出上散焦，所述开诺全息图包括用于补偿所述散焦的透镜光学能力。例如，所述设备可以配置成使得光束路由设备的光学输出或输出面偏移设备的焦距(在实施例中，设备的光学输出和傅里叶变换透镜之间的距离)的至少0.5 0.7%'I %、2 %、5 %、10 %或20 %。例如，在一个实施例中，散焦为在25mm中的大约310 μ m，在另一个实施例中，s (参见下文)的值为f (参见下文)的值的20%。因此，在实施例中，所述设备包括在所述SLM和所述光学输出之间光路中的透镜或反射镜，并且所述光学输出偏离由所述透镜或反射镜限定的焦平面，所述开诺全息图补偿这种偏移。
[0012]可选地，在缺省配置成是散焦的设备中，空间滤波器可以位于偏移的焦面处以衰减来自SLM的未衍射光，更具体地衰减输出光束的零阶区域。
[0013]额外地或可选地，所述设备可以包括相位掩模，以修改所述输出光束的波前，并且所述开诺全息图可以配置为补偿所述相位掩模。实际上一个作为另一个的匹配滤波器。所述相位掩模可以包括或由微透镜阵列构成(微透镜阵列可以作为衍射光学元件使用)。额外地或可选地，所述相位掩模可以包括旋转三棱镜旋转三棱镜阵列，以缺省地将输出光束偏移至光学输出周围的圆锥体中(从而避免光学输出)。
[0014]本领域技术人员理解还可以采用许多其它替代相位掩模配置:例如可以采用一组相位全息图元件，一个全息图元件与每个光学输出相关联。因此，采用不需要微透镜阵列的波导器件可以实现多个光学输入和输出。例如，(子)开诺全息图可以适用于特定波前误差，以确保仅将+1或-1阶有效耦合至选定光学输出，其它阶散焦或产生象差以减少串扰。
[0015]所述设备可以具有多个光学输出以提供多点传送(mult1-casting)或者广播功能。在此布置中，不同的波前修改可以被应用至导引至每个光学输出的光。开诺全息图配置用于导引选定的衍射级(例如+1阶)至多个光学输出，并且适于为每个选定的光学输出施加相应的波前补偿(至选定的衍射级)。具有不同焦距的透镜阵列可以用于将不同波长修改应用至不同光学输出。可选地，还可以提供多于一个光学输入。
[0016]本领域技术人员理解我们描述的技术可以被集成到切换WDM(波分复用)光束的设备。
[0017]在实施例中，光学输入和输出每个可以由(具有光学输入/输出耦合的)光纤器件提供；普遍地，一组光学输出可以由光纤器件带的端部提供。在实施例中，多个光纤器件带可以用于将输出分布在2D面上，尽管稍后将会更加详细地描述，但是它优选地可以是将光学输出(光纤输入)分布在空间的3D区域上。因此，例如，一组光纤器件带的端部可以错开以使得每个光纤器件带在与SLM的面平行的不同面上，因此事实上，光纤器件端部分布在3D区域(虽然它可能限定相对于光纤器件端部所处的SLM的倾斜2D面)上。更普遍地，光纤器件阵列的端部可以设置用于限定一组不同的面，以在3D中分布光纤器件端部。本领域技术人员还会理解的是光学输入和输出可以相对于彼此横向地偏移，在此情况下，开诺全息图可以配置成在输入和输出光束之间引入角位移。(这种角位移可以通过采用物理楔块向SLM施加楔形相位轮廓或者通过在开诺全息图上形成模2 相位轮廓实现)。[0018]在实施例中，SLM驱动器配置成提供开诺全息图数据至驱动输出，用于在SLM上显示开诺全息图。开诺全息图可以利用Gerchberg Saxton型算法在传输过程中被计算,或者可选地，由于波前校正是预先确定的，所以补偿也是预先确定的并且合适的开诺全息图被存储在非易失性存储器。因此，SLM驱动器可以具有光束选择数据输入以选择一个或多个光学输出，并且响应于此，数据处理器可以从非易失性存储器检索一个或多个开诺全息图，从而将输入光束引导至选定的光学输出，并且附加地，应用合适的波前校正补偿。非易失性存储器可以包括例如闪存(其可以被任意地远程编程或者重复编程)。然而，由于闪存在读/写周期(?I百万)方面可能具有有限的寿命，它可以优选地采用更加稳定的存储器，例如铁电随机存取存储器(FRAMs)或者磁性随机存取存储器(MRAM)。数据处理器可以在软件、专用硬件、或者两者的结合中实现(部分地取决于开诺全息图是否在传输过程中被计算)。
[0019]设备的优选执行方案是作为带有光纤输入和输出的ROADM(可重构的光上下路复用器)，可选地配置为在WDM系统中使用，例如通过波长解复用、切换、和重新复用的方式。在一些优选实施例中，SLM是LCOS (硅上液晶)SLM。这种SLM通常是反射性，但是可以使将硅制作的足够薄以使得在透射模式中采用SLM。然而，本领域技术人员会理解的是可选地，SLM可以例如是MEMS (微型机电系统)SLM。
[0020]虽然设备的一些优选执行方案包括在SLM和光学输入/输出之间的傅里叶变换透镜，但是这不是必要的。例如，可以省略傅里叶变换透镜而将菲涅耳透镜集成到在SLM上显不的开诺全息图中。如前所述可选地，与输出光纤相比，一个或多个输入光纤可以在平面之外。
[0021]所述设备可以配置成为波分复用(WDM)光开关，其中所述SLM显示多个开诺全息图，每一个开诺全息图用于一个波长，所述SLM上的不同空间区域显示针对各个不同波长的开诺全息图。优选地，尽管不是必要的，不同的(子)开诺全息图实质上不重叠。接着，在实施例中，所述设备可以包括在往来SLM(通常SLM是反射SLM)的光路中的第一和第二行聚焦元件，诸如柱面透镜。所述第一和第二聚焦元件的焦距可以布置成实质上相互正交以提供波前编码。更具体地，可以在到SLM的路径中的行聚焦元件的前方包括光学复用器-解复用器(在从SLM的路径中的这些元件后面)。行聚焦元件中之一然后提供将不同的波长聚焦至SLM面上的不同位置，并且其它行聚焦元件通过引入象差(像散)执行波前编码。在此方法中，每个不同波长可以被路由至不同的选定输出并且相应的(子)开诺全息图被校正(以包括聚焦能力)以补偿选定的(即+1阶)阶用于波前编码(像散)。
[0022]因此，在一个相关的方面，本发明提供一种波分复用(WDM)光开关，包括:接收输入光束的至少一个光学输入；多个光学输出；在所述光学输入和所述光学输出之间光程上的空间光调制器(SLM);以及在来往所述SLM的所述光程上的至少一个波分复用-解复用器；在所述来往所述SLM的光程上的第一和第二行聚焦元件，其中每个所述行聚焦元件配置成将光实质上聚焦成行聚焦，并且其中所述第一和第二聚焦元件的行聚焦实质上相互正交。
[0023]在实施例中，所述系统还可以包括用于所述SLM的驱动器，在所述SLM上显示多个开诺全息图，每一个开诺全息图将输入光束的波长衍射成包括多个衍射级的输出光束。对于每个波长，经路由的阶(即+1或-1阶)导引至选定的光学输出，并且相应的开诺全息图适于补偿所述行聚焦元件之一的行聚焦(即，针对像散的)。在优选执行方案中，SLM上的不同空间区域显示不同的(子)开诺全息图。
[0024]在一个相关的方面，本发明提供对光束进行路由的方法，所述方法包括:在空间光调制器(SLM)处接收至少一个输入光束；以及通过在所述SLM上显示开诺全息图而衍射所述输入光束，以将所述衍射的光束的经路由的衍射级导引至多个光学输出中的至少一个选定的光学输出；其中所述方法还包括:将所述设备配置成修改所述经路由的衍射光束的波前，从而减少所述衍射光束至所述选定的光学输出的耦合；以及采用所述开诺全息图补偿所述经路由的衍射光束的所述波前，以补偿所述减少的耦合，使得减少所述衍射光至所述光学输出中除了所述至少一个选定的光学输出之外的其它光学输出的耦合。
[0025]因此在实施例中，所述设备被配置成使经路由的或者目标衍射光束(例如+1(或-1)阶)的波前产生象差；并且开诺全息图为此进行校正。在实施例中，所述配置包括对光学输出进行散焦，并且所述开诺全息图对透镜进行编码以为此进行补偿。在实施例中，所述透镜是离轴菲涅耳透镜。更普遍地，所述设备配置成提供用于在开诺全息图上显示的波前修改图案的匹配滤波器。
[0026]在多点传送系统中，将不同的匹配滤波器提供给每一个光学输出，并且所述开诺全息图显示波前修改图案，以补偿与选定光学输出相对应的匹配滤波器。匹配滤波器可以包括例如透镜和/或旋转三棱镜轴锥体的阵列。
[0027]本发明还提供包括用于实现如上所述的方法的设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]现在将参考附图只作为示例进一步描述本发明的这些或其它方面:
[0029]图1a至Ic分别示出了根据本发明实施例的光束路由设备的示意图，示出了对准系统、采用波前编码的散焦系统、以及采用波前编码的示例光束路由设备；
[0030]图2a至2c示出了采用两个SLM的波分复用(WDM)光开关的示例，所述系统包括线性输入光纤阵列/光学器件和解复用光学器件、两个SLM切换面和用作空间开关的相关光学器件、重新组合成N个波长的复用光学器件以及将数据耦合出开关的线性输出光纤阵列/光学器件；WDM开关的第二示例，其中空间上分离的闪耀光栅显示在SLM上；以及根据本发明实施例的采用波前编码的WDM光开关，其中不同的转换波长通过在SLM上空间上不同的区域显示不同的开诺全息图来对不同的转换波长进行衍射；
[0031]图3示出了根据本发明实施例的利用散焦集成了零阶滤波的光束路由设备；
[0032]图4示出了利用可见光测试波前和编码的实验系统；
[0033]图5示出了用于偏转至位置4的闪耀光栅的能谱(-22.5 μ m的周期)，其中所测得的数据归一化到OdBm输入能量；
[0034]图6说明了用于闪耀光栅(左手的条)和等价波前编码图案(右手的条)的每个目标位置的衍射效率；
[0035]图7说明了用于图6的实验的所测得的性能(信号或串扰)，说明了通过所有12个闪耀光栅和波前编码图案的SLM循环(左手的条为闪耀光栅，右手的条为波前编码)在位置12处取得的典型结果；
[0036]图8说明了针对闪耀光栅和波前编码图案的12个目标位置的每一个处的最大串扰(条的填充部分与波前编码图案相对应，而空白部分与闪耀光栅图案相对应)；[0037]图9a和9b示出了在LCOS SLM上显示的示例开诺全息图图案，分别示出了覆盖整个装置的闪耀光栅(一组水平直线)和500x500像素的波前编码图案(一组弧线，类似于一组同心圆的一部分，图9a中的水平线现在被弯曲)；
[0038]图10示出了当单模光纤沿着用于衍射级m = O、+/_1、2和3的+1阶焦平面(平面匕或匕)平移时的理论耦合效率变化；目标光纤相距输入轴35 μ m，上部曲线示出了图1a的布置，而下部曲线示出了在图1b中所示类型的波前编码系统；
[0039]图11说明了随着信号光束在光纤面(微米级)处位置的耦合效率变化(％ )，说明了开关的耦合效率对于输出光束位置的依赖性；
[0040]图12说明了在500x500像素SLM的+1阶焦平面处所计算的重放场，显示了具有10%相位误差的离轴透镜以强调更高的阶(强度轮廓绘制为IOlogltl(强度))；
[0041]图13示出了在罗曼类型I分数傅立叶变换光学系统的数学分析中所使用的几何形状和变量；
[0042]图14示出了基于等价的三透镜光学代表的在罗曼类型I分数傅立叶变换光学系统的数学分析中所使用的几何形状和变量；
[0043]图15a和15b示出了在分数傅立叶变换光学系统的数学分析中所使用的几何形状和变量，所述系统具有入射到用来显示开诺全息图的装置上的非平面波前；
[0044]图16a和16b说明了采用Gerchberg-Saxton (GS)算法优化的光栅图案,分别说明了具有完美重放(下部曲线)和10%相位误差(上部曲线)的闪耀光栅的重放场以及相应的相位轮廓；
[0045]图17a和17b示出了采用修改后的Gerchberg-Saxton (GS)算法进行最优化的用于波前编码系统的光栅开诺全息图图案，分别示出具有完美重放(下部曲线)和10%相位误差(上部曲线)的闪耀光栅的重放场以及相应的相位轮廓；
[0046]图18a和18b示出了利用光栅的多点传送，分别说明了傅立叶面处的强度(注意两个峰值和这些峰值的任何一侧的串扰)和相应的开诺全息图相位图案(两个重叠的图案)；
[0047]图19a和19b说明了利用“乒乓算法”的波前编码的多点传送，分别示出了采用FrFFT[EH(x)，a]计算所得的在重放面处的强度分布，说明了类似于图16a的图案，以及相应的开诺全息图相位图案(示出与两个峰值相对应的两个不同倾斜度和与编码透镜光学能力相对应的曲率的组合)；
[0048]图20a和20b示出了根据本发明实施例的对图1c的光束路由设备的改进以实现多点传送，将信号光束偏转到体积中而非平面中，采用其中当多点传送时每个透镜可面具有不同焦距以减少串扰的中间微透镜阵列来破坏光纤阵列的对称性；
[0049]图21a和21b说明了根据本发明实施例的对图1c的光束路由设备的修改例以实现多点传送，将信号光束偏转到体积中；以及
[0050]图22a和22b示出了“锁和键”或匹配滤波的波前编码，分别示出了其中平面波前聚焦在将光耦合到光纤阵列中的微透镜阵列前面的对称系统；以及系统的实施例，其中有目的地使波前畸变，因为仅有这种微透镜对象差进行校正(其它阶被散焦)，所以+1阶耦合到它相应的光纤中，因此示出了根据本发明的多点传送光束路由设备的实施例。【具体实施方式】
[0051]当利用相位调制空间光调制器对电信信号进行路由时的主要目标是为了在足够效率的情况下将信号光束(+1阶)从一个或多个输入光纤偏转至输出光纤面中的特定位置，所述效率足以确保开关满足插入损耗规范，并且耦合至重放面中的其它光纤的能力满足所需的串扰规范。这里我们将串扰定义为我们希望偏转至想要的光纤位置的光，所述想要的光纤位置非故意地耦合至一个或多个其它光纤位置。
[0052]我们会描述了这样一种技术:有目的地将波前误差引入系统中并且通过在SLM上显示优化的开诺全息图对这种误差进行校正，从而最大化耦合至光纤的光的量。由于全息图的对称条件，如果我们对这种+1阶象差进行校正，那么所有其它阶还会有象差。结果，我们可以减少开关中的串扰。
[0053]空间变化和空间不变的切换方案
[0054]基于LCOS技术的光开关可以米用以下两种中的任何一种光学系统,所述光学系统基于空间不变的光学配置，其中输入阵列和输出阵列处于共轭的傅里叶面，或者具有空间变化子全息图的两个面，所述具有空间变化子全息图的两个面在这些面之间具有偏转的微光束，其中子全息图显示光栅图案。
[0055]为了说明第一种情况，考虑基于图1 (a)中所示的输入/输出光纤阵列102、诸如透镜的聚焦元件104和布置在2f (或4f)系统中的LC0SSLM106的LCOS开关10。从光纤发射的光束通过聚焦元件准直并且照射平面(在此示例中为反射)SLM,该SLM显示周期T的光栅，从而将入射准直光束偏转角度Θ，其中sin(0) = X/T。(假设近轴光学理论是有效的)，通过透镜衍射传播的光被聚焦在光纤面Q1, F1处，距离光轴的距离d=fX tan ( Θ )。注意这不排除后续聚焦光学器件的增加，诸如在输入和输出光纤面之前的微透镜阵列、或者采用诸如柱面透镜的失真光学器件。如果采用失真光学器件，那么仅在一个面中发生偏转；波前所在的面是平坦的。然而，在此面中，系统仍然是空间不变的。在基于转动对称聚焦元件和/或失真光学元件的系统的两种情况下，采用这里所讨论的开诺全息图设计方法仍然可以优化LCOS相位图案。
[0056]由一系列空间不变光学系统构建的系统还可以被称为WDM(波分复用)系统,其中诸如光栅、体积全息图或者薄膜基滤波器之类的色散元件用来对光束进行解复用和复用，并且用于采用与折射光学器件相反的反射性系统。
[0057]因此，在第二类型的基于LCOS的开关200中，光学系统包括子全息图206、210的两个面，如图2中所示。来自光纤阵列202的入射光学信号作为单独的微光束根据一些预先定义的路由图案行进。在图2中，不同波长的光束由标为R、G、B和P (示意为红、绿、蓝和紫)的不同“颜色”表示。入射WDM光束由解复用光学器件204解复用，图示出SLMl 206上的一组子全息图，所述SLMl将子全息图经由空间开关光学器件208偏转至SLM2 210上。SLM2接着导引所述光，使得每束光束可以通过复用光学器件212复用并且被有效耦合到输出光纤阵列214中。输入和输出阶段是空间不变或者空间变化的。在此设计中，每个可能的输入波长/位置具有它们自己的子全息图，并且中心互连级是空间变化的，允许实现任何互连图案。
[0058]波前编码的细节
[0059]开诺全息图方法的使用(其中我们显示了空间上非周期性相位图)允许偏转为3D体积而非2D面，并且在实施例中，我们把它用于波前编码。这种方法采用将诸如散焦之类的波前误差有目的地引入光学系统中，以减少耦合至输出端口的串扰能量的量。为了校正这种象差，调节在动态全息图上显示的图案，以确保将+1衍射级最优的耦合到所需的输出端口中，导致噪声阶的散焦。
[0060]图1(a)和1(b)说明了基于散焦的波前编码的概念。图1(a)中的2f光学布置包括输入/输出光纤阵列102,所述输入/输出光纤阵列102在此不例中包括单个输入光纤102a和多个输出光纤102b。阵列102位于面F1处,并且设备还包括反射空间光调制器106和傅里叶变换透镜104(如之前所描述的)。将经由中心光纤102a发送至系统的输入信号进行准直准直，并且接着入射到SLM106上，所述SLM106上显示量化的仅相位闪耀光栅。入射光束被衍射成多阶，每一阶的能量Pm取决于相位图案的实际性质，它们在面Q1处聚焦。由于此系统的对称性，面Q1和F1重合，并且聚焦光束具有相同的光斑轮廓，虽然峰值强度不同。这可以导致串扰，其中如果我们的目标在于将+1阶导引至输出光纤之一中，那么其它阶中剩余的光可以耦合至其它光纤的一个或多个中。为了解决这个问题，我们有目的地将光纤阵列从面F1移回面F2 —段距离s，并且通过向所述光栅增加透镜功能而补偿散焦效应。这可以例如通过显示离轴透镜的方式完成。将光栅与透镜结合导致衍射级被聚焦在不同面处。
[0061]现在参考图lb，这示出了根据本发明实施例的采用波前编码的散焦光束路由设备100的示意图。与图1a中的那些相同的元件用相同的参考数字表示。在图1b中，开诺全息图集成了透镜光学能力，并且因此具有弯曲的而非直线的“边缘”。因此，来自输入光纤102a的输入光束110由反射性LCOS SLM106衍射以提供输出光束112。如果我们优化SLM图案(开诺全息图)，使得输出光束112a的+1阶在面F2处聚焦，那么我们仅会获得针对该阶的最优耦合效率；所有其它阶(参见作为示例的第零阶112b的虚线)会聚焦在新的表面Q2,该表面不再与P2共面，注意在图1b中面Q2是倾斜的。例如，第零阶在偏离阵列102的面的位置114处具有焦点。(本领域技术人员应该理解的是采用其中SLM落后透镜104—个焦距-例如透镜104会连接至SLM的图1b的布置不是必要的)
[0062]采用几何光学器件，我们可以示出第m阶的散焦d(m)如下得出:
[0063]
【权利要求】
1.一种光束路由设备，包括: 接收输入光束的至少一个光学输入； 多个光学输出； 在所述光学输入和所述光学输出之间的光路上的空间光调制器SLM ;以及 用于所述SLM的驱动器，在所述SLM上显示开诺全息图，从而将所述输入光束衍射成包括多个衍射级的输出光束，其中将所述衍射级中被路由的衍射级导引至至少一个选定的所述光学输出； 其中所述设备配置为修改所述输出光束的波前从而减少所述输出光束至所述选定的光学输出的I禹合；并且 其中所述开诺全息图适于补偿所述波前修改以补偿所述减少的耦合，并因而减少来自所述输入光束的其它衍射光至所述光学输出中除了所述至少一个选定的光学输出之外的其它光学输出的I禹合。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述设备配置用于将所述波前的至少一部分修改至少31 / 2、31或2 31的相位。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述其它衍射光包括所述衍射级中除了所述经路由的衍射级之外的其它衍射级。
4.如权利要求3所述的设备，其中，在除了所述选定的光学输出之外的所述光学输出处的所述衍射级中的所述其它衍射级中的一个衍射级的半高全宽(FWHM))光斑尺寸是在所述选定的光学输出处的所述经路由的衍射级的FWHM光斑尺寸的至少两倍。
5.如权利要求1、2、3`或4所述的设备，其中，所述设备配置用于使得缺少所述波前修改补偿，所述衍射级中所述被路由的衍射级在所述选定的光学输出上散焦，并且其中所述开诺全息图包括用于补偿所述散焦的透镜光学能力。
6.如权利要求5所述的设备，包括在所述SLM和所述光学输出之间的所述光路中的透镜或反射镜，其中所述光学输出偏离由所述透镜或反射镜限定的焦平面，并且其中所述开诺全息图中的所述透镜光学能力补偿与所述焦平面的偏离。
7.如权利要求6所述的设备，还包括位于所述偏移的焦平面处的空间滤波器，以对来自所述SLM的未衍射光进行衰减。
8.如任一前述权利要求所述的设备,还包括修改所述输出光束的所述波前的相位掩模，其中所述开诺全息图适于补偿所述相位掩模。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述相位掩模包括微透镜阵列。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，所述相位掩模包括旋转三棱镜阵列。
11.如任一前述权利要求所述的设备，配置用于将来自所述输入光束的光同时导引至多个所述光学输出，所述设备还包括在所述SLM和所述光学输出之间的所述光路中的至少一个光学元件，所述至少一个光学元件配置成使得将不同的所述波前修改施加至被导引至每个所述光学输出的光，并且其中所述开诺全息图适于将相应的所述波前修改补偿施加至每个选定的所述光学输出。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述光学元件包括具有不同焦距的微透镜的阵列。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中，所述光学输出包括至光纤光载波的光纤输入，并且其中所述光纤输入分布在空间的3D区域之上。
14.如任一前述权利要求所述的设备，其中用于所述SLM的所述驱动器包括光束选择数据输入、耦合至所述SLM的驱动器输出、以及耦合在述光束选择数据输入和所述驱动器输出之间的非易失性存储器和数据处理器中的一个或两个，以提供用于在所述SLM上显示所述开诺全息图的开诺全息图数据，从而响应于输入的光束选择数据来选择一个或多个所述光学输出。
15.如任一前述权利要求所述的设备，配置为ROADM开关，其中所述至少一个光学输入和所述多个光学输出包括光纤，并且其中所述SLM是硅上液晶LCOS SLM。
16.如权利要求1至15中任一所述的设备，配置为波分复用WDM光开关，其中所述SLM显示多个所述开诺全息图，每一个开诺全息图用于每一个波长，并且其中所述SLM上的不同空间区域显示不同的所述开诺全息图。
17.如权利要求16所述的设备，其中来去所述SLM的所述光路包括第一和第二行聚焦元件，其中每个所述行聚焦元件配置用于将光实质上聚焦至行焦距，并且其中所述第一和第二聚焦元件的行焦距实质上相互正交。
18.—种波分复用WDM光开关,包括: 接收输入光束的至少一个光学输入； 多个光学输出； 在所述光学输入和所述光学输出之间的光路上的空间光调制器SLM ;以及 在来去所述SLM的所述光路上的至少一个波分复用-解复用器；以及 在来去所述SLM的所述光 路上的第一和第二行聚焦元件，其中每个所述行聚焦元件配置为将光实质上聚焦至行焦距，并且其中所述第一和第二聚焦元件的行焦距实质上相互正交。
19.如权利要求18所述的设备，还包括用于所述SLM的驱动器，在所述SLM上显示开诺全息图，从而将所述输入光束的波长衍射成包括多个衍射级的输出光束，其中将所述衍射级中被路由的一个衍射级导引至至少一个选定的所述光学输出；并且其中所述开诺全息图适于补偿所述行聚焦元件中的一个行聚焦元件的行焦距。
20.如权利要求19所述的设备，其中所述SLM上的不同空间区域显示不同的所述开诺全息图。
21.一种对光束进行路由的方法，所述方法包括: 在空间光调制器SLM处接收至少一个输入光束；以及 通过在所述SLM上显示开诺全息图来衍射所述输入光束，以将所述衍射光束的经路由的衍射级导引至多个光学输出中至少一个选定的光学输出； 其中所述方法还包括: 将所述设备配置为修改所述经路由的衍射光束的波前，从而减少所述衍射光束至所述选定的光学输出的I禹合；以及 采用所述开诺全息图补偿所述经路由的衍射光束的所述波前修改，以补偿所述减少的耦合，使得减少所述衍射光至所述光学输出中除了所述至少一个选定的光学输出之外的其它光学输出的I禹合。
22.如权利要求21中所述的方法，其中所述配置包括将所述光学输出散焦，并且其中所述开诺全息图用于对透镜光学能力进行编码以补偿所述散焦。
23.如权利要求21或22中所述的方法，其中所述开诺全息图显示波前修改图案，并且其中所述配置包括提供用于所述波前修改图案的匹配滤波器。
24.如权利要求23中所述的方法，还包括提供用于不同的所述光学输出的不同的所述匹配滤波器，并且当选择一个或多个相应的所述光学输出时，采用所述开诺全息图来补偿所述不同的匹配滤波器中的一个或多个。
25.如权利要求23或24中所述的方法，其中所述匹配滤波器包括微透镜阵列和旋转三棱镜阵列中的一个 或两个。
【文档编号】G03H1/00GK103443700SQ201280013223
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月7日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】初大平, 尼尔·柯林斯, W·A·克罗斯兰德, 莫拉·M·莱德蒙德, 布莱恩·罗伯逊 申请人:剑桥企业有限公司