光学设备与方法

光学设备与方法
【专利摘要】本发明描述了用于操纵光学信号的方法和设备。用于操纵光学信号的方法包括：在光信号的路径上提供包括蓝相液晶层(106)的设备(100)；以及在蓝相液晶层(106)上施加空间模式动态变化的电压，从而使得蓝相液晶层(106)的折射率根据动态变化的空间模式而变化。
【专利说明】光学设备与方法

【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及修改光束的相位以用于诸如路由和/或切换光束和自适应光学的方法和装置。具体地，本发明的实施例涉及光束的偏置不敏感相位修改。

【背景技术】
[0002]相干光相位调制实现了高效全息图像投影及光束操纵。后一应用包括用于光网络、波分复用(WDM)通信用的分插复用器及电视多播中的光透明交换机。来自进入光纤的入射照明可能是随机或可变偏振的或是偏振复用的，进入到光纤中的原始信号的总体偏振旋转可能随时间、日期、温度、光纤上的机械应力而变化。为了偏转并路由这些信号而没有不可接受的损耗或持续调整，需要偏振不敏感的方法。
[0003]一种路由信号的方法使用不对亮度进行调制而是在相对范围O至2 π内对反射光的相位进行调制的空间光调制器(SLM)，并提出了闪耀光栅或适当的全息图以操纵入射信号至不同的输出端口，例如，使用硅上液晶(LCOS)背板来显示相位全息图。液晶(LC)材料可以是向列型材料，可生成模拟闪耀光栅(这时只有信号的单个线性偏振分量被调制)；或者可以形成适当的铁电LC，其可以是偏振不敏感的，但缺点在于只能形成二元相位光栅或全息图，所以导致额外的3dB路由损耗。【背景技术】可见于US5319492及JP2002/357802A。
[0004]一般来说，需要抑制这种设备中不需要的反射；这对于在诸如电信等应用中抑制不需要的串扰尤为重要。有关抗反射结构的【背景技术】可见于US7542197、GB2430048A、US2012/0057235 和 W02012/123713。
[0005]随机偏振可以通过以下方式来解决:将入射信号分为两个正交偏振流，使用合适取向的向列型SLM分别路由各个流，并使之重新组合(会有额外的损耗，并需要细致的路径长度均衡)；或者，使用诸如内部四分之一波片之类的技术。
[0006]光在穿过介质时可能会由于折射率变化而被扰乱，例如在大气中，由于引起压力变化的湍流或是温度变化引起的对流。对于在远场观察的物体，这就改变了平面波在入口光学装置上的形状，将光学装置的分辨率限制到理论极限以下。例如，对于天文望远镜，这会使本为点光源的恒星图像变得模糊抖动。对于行星或监控图像，这也会导致瞬时的空间扭曲。
[0007]自适应光学装置能够部分地补偿这种干扰，通常使用带有机电致动器阵列的可形变反射镜。自适应光学装置可对几微米的波前变形进行校正并部分恢复波前。


【发明内容】

[0008]根据本发明的第一方面，提供了一种光学路由设备，包括:基底；布置于基底上的多个反射像素电极；包括至少一个对置电极的透明层；以及布置于多个透明像素电极与透明层之间的可变折射率层。可变折射率层包括在未施加电场时具有各向同性的第一折射率而在施加电场时有不同的第二折射率的材料，其中不同的第二折射率在与所施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
[0009]本发明的实施例可以用于通过在像素电极与对置电极之间施加各种空间模式(图案)的电压来在不同输出之间切换光学信号。不同空间模式的电压使得可变折射率层提供不同的衍射光栅。衍射光栅可以可被配置为将输入信号引导至不同的输出信道或光纤。
[0010]由于可变折射率层的折射率在垂直于所施加电场方向上是各向同性的，且所施加电场实质上沿输入信号在设备上的入射方向来施加，本发明的实施例具有路由设备偏振独立的优点。
[0011]本发明的实施例中，透明层包括了多个对置电极。
[0012]本发明的实施例中，像素电极布置成行，多个对置电极中各自分别与一行像素电极相对。像素电极可以实质上是矩形，且其沿着行轴的尺寸小于垂直于行轴的尺寸。
[0013]根据本发明的实施例，可变折射率层包括蓝相液晶材料。
[0014]根据本发明的第二方面，提供了一种光通信偏振不敏感的光束切换/路由设备。该设备包括:背板，包括配置为驱动用于设备像素的多个光反射像素电极的驱动电子装置；透明层，其承载至少一个透明对置电极；以及可调折射率材料层，位于所述对置电极与所述像素电极之间。该材料在未施加电场时具有各向同性的第一折射率η,而在施加电场时具有不同的第二折射率η’，其中，所述不同的第二折射率在与所述施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
[0015]根据本发明的实施例，该材料是非液晶材料。该材料例如硝基苯。
[0016]根据本发明的实施例，该材料是蓝相液晶材料，所述背板是LCOS(硅上液晶)背板。
[0017]该液晶材料可具有大于5nm/V2的光克尔常量。
[0018]根据本发明的实施例，该设备包括用于将交流偏置电压施加到所述像素电极的集合和所述对置电极中一方或双方的装置。在一实施例中，交流偏置电压的峰-峰值至少为20V。
[0019]在一实施例中，LCOS背板包含温敏元件，该设备进一步包括耦合至该温敏元件以控制所述材料的温度的温控系统。
[0020]根据本发明的实施例，对置电极被分段为行。
[0021]根据本发明的第三方面，提供了一种路由光信号的方法。该方法包括:提供路由设备，该路由设备包括位于多个像素电极与至少一个对置电极之间的蓝相液晶层；在像素电极与对置电极之间施加第一空间模式的电压，使得蓝相液晶的折射率在空间上改变，以提供将光信号偏转至第一输出的第一衍射光栅；以及在像素电极与对置电极之间施加第二空间模式的电压，使得蓝相液晶的折射率在空间上改变，以提供将光信号偏转至第二输出的第二衍射光栅，从而将光信号从第一输出切换到第二输出。
[0022]本发明的实施例以上述设备实现了偏振独立的路由。
[0023]在一个实施例中，该方法包括:向至少一个对置电极施加方波交流电压；向像素电极施加一空间模式的驱动电压，其中，该空间模式的驱动电压具有从第一驱动电压集合到第二驱动电压集合的转变，该转变与方波交流电压的转变相一致，所述第一驱动电压集合和第一时刻的方波交流电压的瞬时电平提供第一空间模式的电压，第二驱动电压集合和第二时刻的方波交流电压的瞬时电平提供第二空间模式的电压。
[0024]在一个实施例中，在像素电极与对置电极之间施加第一空间模式的电压包括向像素电极施加第一驱动信号，在像素电极与对置电极之间施加第二空间模式的电压包括向像素电极施加第二驱动信号。
[0025]在一个实施例中，该方法进一步包括向对置电极施加偏移信号。在一个实施例中，第一驱动信号和第二驱动信号包括变幅方波。
[0026]在一个实施例中，该方法进一步包括向对置电极施加方波交流电压。
[0027]已经观测到某些可变折射率材料的折射率取决于电压的平方。通过将电压施加于对置电极和像素电极，并利用从第一驱动信号至第二驱动信号的转变来对对置电极上的电压转变进行定时，在可变折射率材料上施加的电压可以增加，且可以针对像素电压的给定变化，最大化折射率的变化。
[0028]根据本发明的第四方面，提供了一种对一个或更多光通信信号光束进行偏振不敏感切换或路由的方法。该方法包括:提供具有多个像素的反射硅上液晶背板，背板上具有蓝相液晶材料层，并在所述监相液晶材料上提供对置电极；通过向所述监相液晶材料施加图案化的电场，显示至少一个衍射光学元件，其中所述电场作用于所述背板的所述像素与所述对置电极之间，并实质上平行于入射到所述反射LCOS背板且从所述反射LCOS背板反射的光；以及使用所述折射光学元件偏转所述信号光束。
[0029]在一个实施例中，衍射光学元件被配置为在二维中偏转所述信号光束。
[0030]在一个实施例中，所述衍射光学元件包括全息图，该方法包括使用所述全息图同时切换或路由多个所述信号光束。
[0031]在一个实施例中，信号光束包括波分复用(WDM)信号光束,该方法进一步包括:将所述WDM信号光束解复用为多个分离波长信号光束，其中所述解复用在所述分离波长信号光束中保持两个正交偏振分量；将所述分离波长信号光束引导至所述衍射光学元件的不同空间区域；偏转所述分离波长信号光束；再复用至少一部分所述偏转的分离波长光束。
[0032]在一个实施例中，使用所述电场进行所述调制包括在所述LCOS背板的像素电极与所述对置电极之间施加小于25V的电压。
[0033]根据本发明的第五方面，提供一种操作光信号的方法。该方法包括在光信号的路径上提供包括蓝相液晶材料层的设备。通过向蓝相液晶材料层施加空间模式动态变化的电压，使得该层的折射率根据所施加的模式在空间上变化。
[0034]在一个实施例中，光信号以相对法线小于5度的角度入射到蓝相液晶层上。本发明的发明人已经证实，以相对法线小于5度的角度，能够实现小于λ /8偏振变化的偏振独立操作。
[0035]向蓝相液晶材料施加的电压可以大于50伏，优选地大于100伏。
[0036]在一个实施例中，该设备包括布置于蓝相液晶材料层一侧的多个电极，且向这多个电极施加空间模式动态变化的电压。
[0037]在一个实施例中，该设备包括光电导层，且施加空间模式动态变化的电压包括向该光电导层施加强度的空间模式动态变化的光束，使得光电导层上的电阻在空间上变化。
[0038]本发明的实施例使用蓝相液晶材料层的光寻址。
[0039]在一个实施例中，该方法包括测量光信号以确定光信号波前中的干扰，并确定动态变化的模式来减少干扰。这种实施例提供了偏振独立的自适应光学装置。
[0040]根据本发明的第六方面,提供了一种光学兀件。该光学兀件包括:第一透明电极；第二透明电极；布置于第一和第二透明电极之间的可变折射率层；以及布置于第二透明电极与可变折射率层之间的光电导层。可变折射率层包括在未施加电场时具有各向同性的第一折射率而在施加电场时具有不同的第二折射率的材料，其中不同的第二折射率在与所施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
[0041 ] 在一个实施例中，可变折射率层包括蓝相液晶材料。
[0042]在一个实施例中，该元件进一步包括位于可变折射率层和光电导层之间的阻光层。
[0043]根据本发明的第七方面，提供了一种包括上述光学兀件的自适应光学系统。
[0044]本发明的上述各方面和实施例的特征可以以任何排列方式进行组合。
[0045]抗反射结构/涂层
[0046]在本发明上述各方面的一些优选实施例中，(路由)设备或光学元件在一个或更多层中结合有抗反射(AR)涂层，例如，在设备/元件的上透明(光输入/输出)层上。附加地或替换地，设备/元件的一个或更多内部界面也可以包含抗反射涂层。在一些特定实施方式中，AR涂层的特性在设备的表面上变化，尤其是针对设备/元件的不同操作波长来优化设备/元件的不同空间区域。这在结合波长选择光解复用器的光学系统中尤为有利，能将不同的光波长引导至针对这些波长优化过的设备/元件的不同空间区域。
[0047]此外，在设备上显示的衍射图案还可包括产生反射消除光束的组件，以部分或大致全部消除来自设备/元件内表面或外表面界面的反射。优选地，衍射图案被配置为由第二(和/或更高)衍射级来产生反射消除波束(第一衍射级用于所要进行的光波前操作，例如路由)。
[0048]本领域技术人员了解，在后的技术可以独立于本发明的上述各方面使用。
[0049]因而，本发明的进一步方面提供了一种硅上液晶(LCOS)设备，包括承载抗反射结构的表面，其中:i)抗反射结构包括物理表面，该物理表面的形貌具有横向尺寸小于2000nm以及平均折射率随远离该表面而减小的特征；并且ii)在大于2000nm的横向尺寸上进行平均的形貌配置在所述表面上随着横向位置而改变。
[0050]在实施例中，表面形貌包括特征图案，尤其是表面上变化高度的规则/循环图案或起伏(relief)。在横向上该图案重复或具有特征长度大小(对于随机图案)，其小于设备的操作波长，例如小于2000nm、1900nm、1800nm、1700nm或1600nm。然而，抗反射层还具有一个或多个配置或结构参数(例如，平均特征间距和/或特征形状)，其在大于波长的距离上平均时随在表面上的位置而变化，也就是说在形貌上有宏观变化。这使得设备的不同表面区域可针对不同的波长进行优化，这在很多LCOS应用中是有用的，这些应用包括但不限于:光交换/路由/脉冲整形，例如用于显示图像的全息技术，显示用于光学镊子的衍射图案/全息图，以及更一般地任何需要波前控制的任何应用。
[0051]在优选实施例中，承载形貌的表面是设备的前表面，更具体地是设备的盖板，尽管本领域技术人员知道这不是必须的。
[0052]本发明的相关方面提供了一种LCOS设备，尤其如权利要求34或35所述，与控制器相组合以在所述LCOS设备上显示全息图，以将第一光偏转至所述全息图的第一衍射级，其中所述全息图被进一步配置为将第二光偏转至所述全息图的第二衍射级，其中，LCOS设备具有产生不需要的反射光的界面，第二光与所述不需要的反射光反相。
[0053]这种LCOS设备的特征可与之前提到的横向变化的表面形貌组合使用或单独使用。一般来说，在实施例中因为第一衍射级用于将光引导至所要的方向(例如，如前所述根据应用)，第二和/或更高衍射级可用于消除来自内部界面的一个或更多不需要的光束。因而，在实施例中，至少一部分第二光，优选地实质上全部第二光，与要消除的反射光反相。优选地，第二(反射消除)光与该方向上不需要的反射光具有实质上相同的功率(相同的幅值和/或强度)。然而，本领域技术人员能够了解，即使光束并非具有完全相同的功率或完全反相，也能够从该技术中获得一定益处。
[0054]本领域技术人员能够了解，因为全息图本质上是加性的，所以可直接实现反射消除光束:对于在SLM上显示的所需全息图，只需添加以所需的功率(幅值/强度)、相位和方向产生第二(或更高)级光束的第二全息图(加上相应的像素值)。本领域技术人员可知有很多的算法可用于完成该计算。通过使用多种标准光学建模包中的任一种对LCOS设备进行数值建模，能够轻易地获得不需要的反射的功率、相位和方向——一般地，要消除的反射的精确幅度、相位和方向依赖于LCOS设备的具体结构。
[0055]如前所述，可采用以上方案的一个或二者来优化设备各不同横向表面区域中在相应的不同波长下的抗反射属性。
[0056]本发明的相关方面提供了一种抑制空间光调制器(SLM)中不需要的反射的方法，该空间光调制器包括具有多个像素的反射硅上液晶背板，背板上具有蓝相液晶材料层，该SLM还包括位于所述蓝相液晶材料上的对置电极，该方法包括:使用所述SLM将光偏转至在所述光栅上显示的衍射图案的第二或更高衍射级，其中，所述第二或更高衍射级偏转光限定了与所述不需要的反射反相的反射消除光束。
[0057]优选地,如前所述，SLM为LCOS SLM。优选地,不需要的反射包括设备界面处的内反射，但是原则上该技术不限于这种内反射。界面可以是内部界面，例如，盖板/液晶界面，如包括液晶层、定向层、电极层和盖板层之一或更多的界面。本领域技术人员能够了解，根据设备的配置及各层的厚度，界面可以或可不包括所有这些层。例如，在蓝相设备中不需要定向层。反射消除不必完全，尽管优选实质上完全地消除。
[0058]本发明进一步的相关方面提供了结合空间光调制器控制器的空间光调制器(SLM)，所述SLM具有产生不需要的反射的界面，其中，所述SLM控制器被配置为驱动所述SLM将光偏转至在光栅上显示的衍射图案的第二或更高衍射级，其中，所述第二或更高级偏转光限定了与所述不需要的反射反相的反射消除光束。

【专利附图】

【附图说明】
[0059]以下参考附图，仅示意性地对本发明的实施例进行描述，附图中:
[0060]图1示出了光路由设备的示意截面图；
[0061]图2示出了在所施加的电场下蓝相结构行为的示意图；
[0062]图3针对三个波长和两种偏振示出了透射通过单元的光的相移相对于电压的变化；
[0063]图4示出了单元以及检测光的检测强度；
[0064]图5不出了用于驱动LCOS背板上的液晶材料的电压方案；
[0065]图6示出了单元的相位/电压曲线；
[0066]图6a示出了单元的示例相位/电压曲线；
[0067]图7示出了用于单元的具有单独定义偏移的可控变幅方波驱动方案；
[0068]图8和图9不出了多波长偏振独立路由器的系统图；
[0069]图10示出了具有分段前电极的切换设备；
[0070]图11示出了安装于基底上的切换设备；
[0071]图12示出了光学设备的截面；
[0072]图13示出了使用中的光学设备；
[0073]图14示出了用于修改光束相位的装置；
[0074]图15示出了用于望远镜的自适应光学系统；
[0075]图16示出了用于在透射配置中修改光束相位的系统；
[0076]图17针对法向入射和斜入射示出了相移相对于入射角度的曲线图；
[0077]图18示出了最大相移变化相对于入射角度的变化；
[0078]图19示出了 LCOS SLM的示意图；
[0079]图20示出了由来自前盖板表面的反射导致的问题；
[0080]图21示出了光在LCOS SLM的表面色散的示例；
[0081]图22a至22c示出了三种可能的涂层方案，(a)薄膜电介质层，(b)渐变折射率层，(C)图案化微结构；
[0082]图23示出了结构化抗反射表面的等效介质表示；
[0083]图24示出了配置为利用反射补偿全息图驱动SLM的SLM控制器/驱动器的框图。

【具体实施方式】
[0084]图1示出了光路由设备100的示意截面图。该设备形成于基底102上。多个光反射像素电极104布置于基底102上。可调折射率材料层106布置于像素电极104上。透明对置电极108布置于可调折射率材料层106上。
[0085]可调折射率材料106的折射率随作用其上的电场而变化。这种材料诸如蓝相液晶。可调折射率材料106在垂直于所施加电场的方向上具有各向同性的折射率。
[0086]在图1所示的设备中，通过在电极104和对置电极108之间施加空间模式变化的电压，可以使可调折射率材料106的折射率在空间上变化。为引导入射在对置电极108的上表面上的光束，在可调折射率材料106上施加第一模式的电压，使得其折射率在空间上变化以形成第一衍射光栅。第一衍射光栅使入射光束沿第一方向偏转。为将光束切换至第二方向，将所施加的电压模式变化至第二电压模式，使得可调折射率材料106的折射率在空间上变化以形成第二衍射光栅。
[0087]如上所述，通过在不同电压模式间切换，入射光束可在不同输出端间切换。
[0088]如果所使用的材料在垂直于所施加电场的方向上具有各向同性的折射率，则该切换独立于入射光束的偏振。
[0089]以下，表述“在垂直于所施加电场的方向上为各向同性”用于描述在垂直于所施加电场的任何方向上折射率没有实质性区别，在其他方向上折射率可以改变。
[0090]图2示出了在所施加的电场下蓝相结构的行为。蓝相液晶具有液晶分子的对称域，在未施加电场时，这些域排列为光各向同性的结构。蓝相液晶材料是处于蓝相的液晶材料。在较宽温度范围内稳定的蓝相液晶材料的例子可见于US2009/0115957，可以参考该文献，其描述了在高于35°C的范围上和/或室温下稳定的材料。
[0091]沿光传播的方向进行域变形(通过施加电场)可用于调制偏振光，这是因为变形后的域发生了光折射率的变化，并变得光各向异性。如果沿着光传输轴方向变形使得在光传输的法向上变形后的域仍是对称的，则将出现独立于入射偏振角的折射率局部变化，这可用于制造具有偏振独立相位调制能力的SLM。
[0092]上述行为如下予以了试验性演示。试验中使用液晶LCM-PSBP.1328UV(LC Matter公司制造)。使用该混合物填充具有ITO电极但没有其他定向层的12微米厚玻璃单元。频率IkHz的方波电压施加于该单元上以产生蓝相各向异性。
[0093]图3针对三个波长和两种偏振示出了透射通过单元的光的相移相对于电压的变化。对于任何波长，在所施加电压的范围内两种偏振的相移是相同的。如图所不，对于480nm波长，IkHz的68V方波导致了大于2 ii的相移。
[0094]将单元用作Fabry-Perot干涉仪,来测量相移。图4示出了单元以及检测到的强度。透射通过单元的光的光谱表现出了由单元中的直接反射光或二次反射光所导致的特征干涉图样。干涉峰值的位置取决于材料的折射率，并随着单元上施加的电压而移动。
[0095]需要高电压以获得2JI的相移，这反映了材料在600nm具有1.6nm/V2的低克尔常量(K)的事实。使用近期针对平面内切换显示应用研制的具有高克尔常量(K值高达12.7nm/V2)的材料，可以大幅降低驱动电压和单元厚度。对于该材料，在LCOS背板的范围内，利用ΙΟμπι的反射单元和±14V的驱动电压即应获得在600nm波长处的2JI相移。
[0096]因而，发明人展示了一种对随机偏振光进行相位调制的方法。
[0097]可能需要选择液晶材料以获得较宽温度范围的蓝相。已证明液晶与聚合物的混合物可用于在60°C至-10°C的温度范围内稳定蓝相。为在一定温度范围内稳定蓝相，可以在蓝相材料中掺杂纳米颗粒。这能改善蓝相材料对电场的灵敏度。
[0098]另一种可能是使用二介晶性液晶(bimesogenic liquid crystal)。
[0099]蓝相的另一优点是不需要定向层(alignment layer)和摩擦层(rubber layer)。这可实现简化的偏振独立电信路由。
[0100]图5示出了驱动LCOS背板上的液晶(LC)材料的两种方式。第一种驱动方案是模拟变幅方波驱动。这里，作为LCOS设备前电极(FE)的对置电极总是保持在像素驱动晶体管的供电电压的一半，向像素施加变幅方波以在像素上提供幅度可变的对称直流平衡方波。均值RMS电压确定了 LC的状态。
[0101]第二种方式，即数字可变占空(mark/space)比驱动，包括向前电极施加幅度和供电电压相同的方波，并且像素在不同时间在供电电压与地之间切换。这使得LC上具有直流平衡但是时间上不对称的波形，该波形具有可变RMS值，响应于此，LC给出类似于固定FE版本的平均响应，但在LC跟随波形时具有小变化。
[0102]后一方式对于图像投影应用是合适的，但会引起不能接受的相位闪烁，这将降低相位全息图的效率。然而，这使得源于相同背板工艺的液晶上的驱动电压能够加倍，或者说，对于相同的电压需要较低电压工艺，从而允许更小的晶体管，并因此允许更高的集成度、更低的功耗和更低的成本。
[0103]由于像素行一般沿着像素阵列顺序地进行加载，将这两种方式进行组合会引起沿像素阵列渐增的驱动损耗以及增大的相位闪烁。
[0104]相比向列相液晶,蓝相液晶对所施加的电场响应更为迅速。如图3所示,折射率变化正比于所施加电场的平方。这意味着对于给定的背板电压摆幅(swing)，相位调制可能很小，从而可能需要很高的驱动电压。
[0105]图6示出了单元的相位/电压曲线。如果背板驱动摆幅可进一步推至响应曲线高处，对于相同的背板摆幅可以获得改进的相位调制。从图6可以看出，通过偏移B/P驱动电压，相位响应可从所示的“无偏移相位”范围增加到“有偏移相位”范围。这可通过将前电极“过切换”至高于供电线和低于地电压以产生加到背板驱动电压上的偏移来实现，但仅限于使用上文描述的第二种驱动方式。将第一方式和第二方式相结合可以实现这一点；像素不是在供电线之间切换，而是在FE转换时间被切换至不同的模拟电压，从而提供了具有分离定义偏移的可控变幅方波驱动。
[0106]图6a示出了以π为单位的相位调制相对于单元上驱动电压的曲线图。相位调制正比于在单元上施加的电压的平方。图6a示出了电压和相位调制的示例值以说明偏移电压对于相位改变的效果。
[0107]从图6a可以看出，从OV开始，需要82V的驱动电压602以得到2 的相移604。但是，如果应用了 82V的偏移，则只需要35V的改变608就能得到相同的差分相移调制606。如果前电极按照该电压在供电线(rail)上下切换，则驱动像素所需的调制将从约80V下降为约35V。
[0108]图7示出了这样的驱动方案。前电极(FE)电压在VLSI “过切换”为高于供电电压和低于地电压。这使得全部VLSI电压范围可用于在图6所示的相位/电压曲线更上方进行相位控制。
[0109]但要使得其在大型二维像素阵列中可用，所有的像素行必须在FE转变时加载，否则将重新引入沿刷新的像素行逐步恶化的相位闪烁。
[0110]可将芯片设计为使得可由水平分段的FE来驱动形成适用于光栅型全息图的一维阵列的矩形像素行。这使得可以对每一 FE段进行单独驱动，保证FE在像素刷新的同时进行切换，从而消除相位闪烁，并允许将LC驱动偏移至响应曲线上方。
[0111]对于多波长路由设备，系统可以设计为保证分离的波长落在所需段上。这种系统需要一合理偏振独立的波长分离光栅，并实现单设备偏振独立路由。
[0112]图8和图9示出了多波长偏振独立路由器800的系统图。图8是侧视图，图9是顶视图。
[0113]路由器800在光纤阵列802的光纤之间切换信号。在输入光纤802接收输入信号。根据切换的状态将输入信号切换至一个或更多的输出光纤。输入信号经过透镜806，通过波长解复用器808进行波长解复用。不同的波长被引导至LCOS设备812的不同区域。LCOS设备812使用全息图/光栅将入射在该特定区域的波长沿正交于波长分离轴的方向偏转。光束被反射通过波长复用器814，波长复用器814将所有已经偏转一定角度的波长收集在一起，然后通过透镜816会聚到对应的输出光纤818中。偏转角度(反比于光栅间距(pitch))确定目的光纤。
[0114]该LCOS设备可以通过在盖板玻璃上设置ITO条带而分段，每个条带对应于一个单独的波长信道，从而每个波长可以相对其他波长独立地驱动。
[0115]图10具有分段前电极的切换设备1000。LCOS设备1010具有分为条带1012的前电极。每一条带1012覆盖位于可变折射率材料相对面的多个电极1014。波长解复用器将输入信号1018的不同波长引导至不同的条带。LCOS背板上的像素尺寸在1.6至15微米之间。
[0116]在每个前电极条带下方具有与前电极条带等宽的一维条带。像素可以为如图10示的矩形，也可以为方形。
[0117]形成衍射光栅的段可达20毫米高、100微米宽。
[0118]图11示出了切换设备1100。该设备安装于基底1102上。温控设备可以设于基底1102上以控制该设备的温度，从而使得液晶材料维持在蓝相。在基底1102上安装有柔性PCB 1104。在基底1102上还装有有源背板1106。有源背板1106设于蓝相液晶材料层之下。键合线1108将有源背板1106连接到柔性PCB 1104。前玻璃盖板1110位于蓝相液晶材料层之上。玻璃盖板承载了在蓝相液晶材料上延伸的条带前电极1112。柔性PCB设于蓝相液晶材料的边缘旁，且玻璃盖板与柔性PCB1112交迭，从而实现了柔性板PCB 1104与前电极1112之间的连接。
[0119]前电极连接由来自前玻璃盖板上的ITO前电极的充银环氧树脂实现。
[0120]图12示出了光学设备1200的截面图。该设备具有透明基底1202。该透明基底由玻璃形成。在基底1202上涂覆了由透明导电氧化物层1204形成的透明电极。透明导电氧化物层例如由氧化铟锡形成。在透明导电氧化物层1204下是可调折射率材料层1206。可调折射率材料层1206例如是上文描述的蓝相液晶材料。可调折射率材料层1206下是反射层1210。反射层例如由15层的硫化锌与氟化镁形成。在阻光层1210下是光电导材料层1208。光电导层1208例如由氢化非晶硅或硫化钙形成。在光电导层1208下是由在第二透明基底层1214上涂覆的透明导电氧化物层1212形成的第二透明电极。第一和第二电极是平面的并位于平行于但离开光电导层的平面，并且可调折射率材料设于第一和第二电极之间。
[0121]图13示出了使用中的光学设备1200。在由透明导电氧化物层1204和1212形成的电极之间施加电压波形1220。在设备上横向变化的写光束1230经基底1214施加到设备上。写光束1230使光电导层1208的电导率在空间上改变。由于光电导层1208的电导率在空间上改变，所以可调折射率层1206上的电压也相应地随写光束1230的空间改变而在空间上改变。
[0122]读光束1240入射到设备包括可调折射率层1206 —侧的基底1202上。可调折射率层1206上电压的变化使可调折射率层的折射率在空间上变化。因此，能够修改从反射层1210反射的出射光1242的相位。反射层1210阻止写光束穿过设备并阻止读光束激发光电导层。
[0123]电压波形1220可以采用上文参考图5-7描述的形式。需要注意的是，图12和13中所示的光学驱动设备可由高于LCOS背板中可用的电压来驱动。
[0124]替代反射层或在反射层之外，该设备还可包括阻光层。这种阻光层可设置在反射层下，并被配置为吸收1-5%的残余光并阻止其入射到光电导层上。
[0125]在替代实施例中，该设备可被用于透射型配置。在该配置中，没有反射层，且读光束穿过该设备。在该实施例中，不同波长的光被用作读光束和写光束，或者每一光束按脉冲形式在电压波形的不同部分中产生。
[0126]图14示出了使用以上参考图12和13描述的设备1200对光束的相位进行修改的装置。该装置包括如激光或高亮发光二极管之类的光源1260。光源发出的光经透镜1264准直至分光器1264。分光器将光引导至微显示器1266。微显示器1266可以是硅上液晶显示器或数字光处理显示器。微显示器1266设置将要入射在设备1200上的写光束的图案。来自微显示器1266的信号回传通过分光器1264，然后通过中继透镜1268。信号成像在设备1200的透明基底1214上。写信号在空间上的强度变化导致光导电层1208的阻抗根据输入至微显示器1266的电信号而发生变化。该变化使得由电极1212与1204之间的电压引起的可变折射率材料1206上的电压发生变化。读光束，例如待路由的信号或者波前已被修改的信号，入射于写光束入射侧的相对侧。读光束被可变折射率层1206的折射率所修改，但是由于可变折射率层的折射率在垂直于所施加电场的方向上是各向同性的，所以对读信号的修改是偏振独立的。
[0127]上述设备可应用于自适应光学装置。光在传播穿过介质时会由于折射率变化而被扰乱，例如在大气中由于压力变化所导致的湍流或是温度变化引起的对流。对于在远场观察的物体，这就改变了平面波在入口光学装置上的形状，将光学装置的分辨率限制到理论极限以下。例如，对于天文望远镜，这会使本为点光源的恒星图像变得模糊抖动。对于行星或监控图像，这也会导致瞬时的空间扭曲。
[0128]自适应光学装置能够部分地补偿这种干扰，通常使用带有机电致动器阵列的可形变镜。自适应光学装置可对几微米的波前变形进行校正并部分恢复波前。
[0129]图15示出了用于望远镜的自适应光学系统。望远镜1500包括凹镜1502和凸镜1504。由于大气干扰，进入望远镜1500的光波形1506有所波动。波动的波形经反射镜1502和1504聚焦形成输入波形1508。
[0130]输入波形1508被分光器1510部分分离。一部分光束入射在波前传感器1512上，其余部分光束入射在有源相位校正设备1514上，该相位校正设备1514包括上文所述的如蓝相液晶之类的可变折射率材料层。自适应光学校正控制器1516使用波前传感器1512的输出来控制在可变折射率材料上施加的电压的空间变化，从而控制相位校正。经校正的光束1518被输出至望远镜的成像光学装置。
[0131 ] 自适应光学装置还可以用于校正光学系统中的像差，相比透镜校正能更大程度地改进视觉，例如激光手术中为视网膜焊接，需要对眼睛晶状体的瑕疵进行校正，等等。
[0132]很多自适应光学应用要求偏振独立和快速(毫秒)响应时间，上述设备适于这些应用，因为他们无需如可调节镜等移动部件就实现了偏振独立相位校正。
[0133]图15示出了开环系统，但本领域技术人员能够了解，上述设备也可用于闭环系统。
[0134]图16示出了用于修改光束相位的系统，其具有透射配置的有源相位校正设备。来自光源1702的光束由于大气干扰而变宽并偏转，变为波动的波形1704。相位校正设备1706对光束相位进行校正以产生相位平整的光束。
[0135]上述设备提供了针对法向入射光束的偏振独立相位调制。对于非O度角入射的光束，在相位变化中会引入一些偏振依赖性。
[0136]图17针对法向和斜入射示出了相移相对于偏振角度的变化。对于入射角度非O的光束，存在最高△_的相位改变。
[0137]图18示出了最大相移变化相对于入射角度的变化。对于法向入射，沿偏振椭圆体的长轴看到圆形形式的偏振椭圆体，因而，相移独立于偏振角度。对于任何斜入射，以一定角度看到椭圆形式的偏振椭圆体，因而，此时相移依赖于偏振角度。
[0138]从图17和图18可以看出，入射角优选保持为较低以保证相移相对地偏振独立。如果λ /8的变化是可接受的变化，则入射光束的入射角应保持在5度内。
[0139]抗反射结构/涂层
[0140]现在将讨论如何使用前SLM盖板上的结构化表面来降低反射，从而增强蓝相和其他LCOS SLM的性能。这尤其适用在大带宽上需要很低反射率的波长选择交换机。
[0141]图19的不例性LCOS SLM包括三个组件:娃背板、在一个表面上具有公共电极的盖板、液晶层。盖板典型地是在前表面上具有薄膜抗反射涂层并具有ITO层的浮法玻璃。可选地，可以在背面上提供液晶定向层，尽管这对于蓝相设备来说并不需要。理想地，前盖板表面和盖板/液晶界面(包括玻璃、ΙΤ0、可选的定向层、液晶层)是零反射率。因此，离开SLM的波前仅受到液晶层上施加的相位延迟的影响。
[0142]对大多数应用来说，使用标准薄膜涂层即可足够降低前表面的反射率。然而，对于电信应用，例如基于光束操控的波长选择交换机的实施方案，前表面的反射率优选地应在较宽波长范围内降低至Rf <0.01%以最小化串扰。为说明此，参考图20，其中平面波以角度Θ i入射在显示有周期为T的理想闪耀光栅的LCOS SLM上。一部分信号光束(m = I)被反射回闪耀光栅并被再次衍射，使得其以m = 2级沿相同方向传播。光栅的第m衍射级以角度θπ衍射，θπ根据
,Λ Λ mA
[0143]sin^M ? S1Π +
T(I)
[0144]其中，λ是光波长，角度均是在空气中测量的值。对于理想闪耀光栅，所有的光都衍射至m = +1级。然而，由于光栅的空间和相位量化，一些光终止于较高的对称(m# I)级。对于某些交换机几何结构，I级的光可能耦合进入输出端口，导致串扰。在实际电信应用中，串扰优选地应限制在< -40dB。
[0145]考虑Θ i = O的情形。如前所述，理想地所有光以角度Θ ^皮衍射至+1级。然而，如果SLM的前表面具有有限的反射率Rf，一部分+1级光将以相对法线-Θ I的角度被反射回SLM。这一级将被光栅再次衍射，使得其以相对法线2 Θ i的角度传播，对于小衍射角度来说，这对应于m =+2级的原始衍射光束的传播角度θ2。假设盖板的折射率是η= 1.5，且没有抗反射涂层，则前盖板表面的菲涅尔反射系数约是4%。假设SLM的衍射效率是100%(无吸收损耗和完美闪耀光栅)。m = +1级和m = +2级方向的功率因此分别为0.96Pin和
0.04Pin(不考虑多次反射)。因此，理论串扰将是-13.8dB。这和-14至-18dB的测量值相吻合。如果将前表面的反射率降至I % (典型的单层薄膜涂层)，则串扰降低至约为_20dB。为了将串扰降低至<-40dB，前表面的反射率优选地应降低至<0.01%。这样低的反射率是有难度的，尤其是优选地应确保在C带、L带或C和L带维持该值。例如，C带从1530nm延伸至1570nm, L带从1565nm延伸至1625nm,制造优化的多层涂层将是昂贵的。
[0146]图21示出了与波长解复用器结合使用的LCOS SLM的功能性操作。这种配置可用于波长选择交换机，其中分离的子全息图偏转特定的光波长；也可用于脉冲整形系统，其中光在SLM表面时上色散，且每个波长带被修改以产生所需的输出脉冲。理想地，希望光学属性连续变化以匹配入射波长的抗反射涂层。
[0147]尽管对于电信应用尤为重要，使用复杂全息图优化的其他应用也能够从前表面反射率的降低中获益。由于降低Rf保证了输出波前更接近地匹配设计波前，显示全息技术中的再现场(replay field)以及光学镊子的质量将得到改善。
[0148]希望提供具有以下性质的抗反射层:
[0149]a.充足的角度独立性
[0150]b.好的偏振独立性
[0151]c.所需操作带宽上实质上无波长依赖性
[0152]d.低温度敏感
[0153]e.低廉且健壮
[0154]f.可在盖板表面上优化以匹配操作波长范围
[0155]有四种可能的技术可用于降低实际LCOS SLM应用中的串扰:几何式、薄膜介电涂层、渐变折射率涂层、图案化纳米结构。
[0156]I)几何式-采用楔形而不是具有平行表面的盖板，将光从主显示区域反射出去。该方案的可用性依赖于实际光学几何结构，可能在一些WSS(波长选择交换机)架构中不实用。
[0157]2)薄膜介电涂层-这项用于实现抗反射涂层的技术在图4a中示出。典型的商用C带涂层可以具有<0.1%的反射率。将复合基底(在反面具有ITO层和可选的定向层)上的Rf降低为< 0.01%可通过昂贵的定制涂装来完成。但是，如果离轴使用，薄膜涂层表现出偏振依赖性，因此，这将是设计涂层时光束控制角度和定向公差的重要因素。最后，薄膜涂层的灵活性受限于可用的合适沉积材料(折射率)的数量、温度稳定性以及当环境条件变化时承受可能的分层问题。
[0158]3)渐变折射率涂层-这是指使用折射率渐变的阻抗匹配层的一类涂层，如图4b所示。通过将折射率从rw连续增加至ns，可以避免导致菲涅尔反射的陡峭介电边界，其中ns为基底的折射率。其形状可以是诸如抛物线或三次曲线，并可以通过变化薄膜的封装密度或者使用倾斜纳米棒来实现。
[0159]4)图案化纳米结构-这是指基于图案化纳米结构化表面的技术，其示例如图4c所示。纳米结构的尺寸< λ，从而入射光在依赖于空气与基底比例的特定值z处得到平均折射率。因而，这等效于折射率在穿过图案化层时从11&至113逐渐变化。可使用折射率依赖于材料形貌的等效介质理论(EMT)来设计和优化该结构。有两种主要的途径来制造这样层。第一种途径是例如通过溶胶-凝胶处理而使膜具有多孔性，其中靠近基底孔隙率降低。第二种途径包括制造纳米结构的阵列，纳米结构通过陷光或多次内反射(表面纹理)来抑制反射，或使用抗反射光栅，其中光栅的形貌被工程设计为保证只有光栅的m = O级传播，并且产生连续变化的折射率。图23通过一个η = 6的图案化纳米结构说明了该途径，在左侧示出了结构化表面，右侧示出了对应的等效介质模型。六层的等效折射率被设置为满足
nair 一 na〈 nI〈 n2〈 n3〈 n4〈 n5〈 n6〈 ns 一 nsubstrate。
[0160]用于电信波长的渐变折射率/图案化纳米结构
[0161]Raguin和Morris在理论上指出形成于砷化镓基底(N = 2、4、8相位等级)且针对10.6 μ m操作进行优化的金字塔形抗反射结构的多级近似针对随机偏振的法向入射光束对于所有 N 值具有 < 3Χ1(Γ3% 的反射率(D.H.Raguin&G.M.Morris，“Antireflect1nstructured surfaces for the intrared spectral reg1n，，，Appl.0pt.32,1154-1166(1993))。这超过了以上0.01 %的目标。此外，他们的模型还预测了即使波长范围在10.6 μ m± 10%范围内变化且入射半角变化30°，当N = 8时，T = 99.9%的透射率。
[0162]已经针对多种表面形貌、材料系统、波长和操作条件，提出了渐变折射率涂层和图案化纳米结构的试验结果(见 P.Lalanne&M.Hutley, “The optical properties ofartificial media structured at a subwavelength scale，，中的文献)。表面制造与复制技术使得能够针对可见光制造这样的表面。例如，Hutley和Gombert使用镍母版在塑料中进行UV压印以制造用于高架投影仪的AR涂覆菲涅尔透镜(M.Hutley&A.Gombert,“Moth-eyes:the tortuous path from a glint in the eye to a commercial reality，，，Photonics Science News 6,35-39(2000))。用于光学C带和L带的抗反射纳米结构可以通过类似的技术进行制造。
[0163]参考图21，可以进一步改变盖板表面上的渐变或纳米结构化表面形貌(改变栅格间距和/或形状等)，从而修剪涂层以匹配设备该部分的特定波长。这在使用标准薄膜沉积工艺时是不可能的。此外，表面起伏特性比复合薄膜介电叠层更加耐用，复合薄膜介电叠层可能分层——这是温度升高(电信系统典型地在60°C运行来简化温度稳定性)以及制造LCOS SLM设备时的潜在问题。
[0164]示例的纳米结构化表面
[0165]宽泛地来说，使用纳米结构化抗反射涂层的目的是制造用于电信的更有效宽带涂层，以及能被裁剪为使得使用波长解复用器的系统中SLM上每一波长位置处反射率<0.01%的涂层。通过降低前表面反射(从而可忽略)，且尤其考虑到蓝相SLM不需要定向层的事实因而减少了盖板/电极/液晶界面反射率的计算和测量，实现了全息图设计简化和优化。
[0166]对于如何实现波长优化涂层的详情，可参考A.Deinega, 1.Valuev, B.Potapkin,&Υ.Lozovik, “Minimizing light reflect1n from dielectric textured surfaces，，，J.0pt.Soc.Am.A, Vol.28，N0.5，pp.770-776，May2011”。该文章使用有限差分时域分析(FDTD)对多种纳米结构化表面的仿真进行了建模。该技术通过短光脉冲形式的平面波对结构进行探测，给出了复杂表面的麦克斯韦方程的数值解。由于脉冲具有一定的波长范围，在分析反射场时，可以推导出反射率随波长的变化。他们对玻璃基板(η = 1.5)上的金字塔表面起伏结构在全波长范围上进行了建模，结构的深度为d，宽度为2L，周期为Λ。对长波长限(Λ < λ)比较感兴趣，因为其最小化了当光遇到等效渐变折射率界面时的散射损耗。对于Λ?λ和Λ > λ，会得到散射和衍射损耗，因为光与SLM表面上的等效周期性宏观棱镜结构发生反应。该文章考虑了该方法，尤其是Deinega等人分析了当Λ =2L时线性、三阶、四阶形状的方形金字塔。该文章中两个关键结果可见于图4和8。图4示出了对于给定的λ，当增加结构的深度d时，反射率降低(d/λ比增加)。该减少依赖于金字塔的形状(分析了五种类型，线性金字塔、三阶形、四阶形、圆锥形以及理想的“整”形)，目标是<0.01%或10_4。图8示出了方形线性金字塔结构的随(Λ/d)和(d/λ)变化的反射图。
[0167]如前所述，为了最小化散射，对λ > Λ的长波长区域感兴趣。有两种方法来使用这张图。其一针对变化的纳米结构深度山其二针对固定的纳米结构深度。假设具有两个分立的波长入工和入2。
[0168]a.对于固定d/ A值,如果λ 2 < λ丨,则(Λ / λ ) > ( Λ / λ 2)。因而R1 > R2。为降低R1，增加d/Λ。当d/Λ增加时，该图向下倾斜，R1降低。因而，为达到同样的反射率，针对λ i的金字塔深度要大于针对λ 2的金字塔深度。
[0169]b.对于固定d值,考虑表面图上具有相同反射率的点。目标是对给定入工和入2，选择正确的Ai和A2值使得R1和R2的值相同。例如，如果A1 > A2，则(ClM1) < (d/A2),于是有平行于(d/Λ)轴的两条线。针对给定的入1和λ2，选择它们使得札= R2。这使用了反射图的知识，因为两轴都依赖于Λ。
[0170]基于蓝相液晶的SLM不需要定向层，这简化了对来自盖板/ITO/液晶表面的串扰的限制，因为计算该表面的理论折射率以及可选地将其结合在全息图设计中将更为简单。
[0171]盖板/液晶界面
[0172]现在考虑由于盖板/液晶(包括玻璃、电极(诸如ITO-氧化铟锡)、可选的定向层、液晶层)的反射率。因为可能有四个界面，这更为复杂，并且定向层/液晶层反射率依赖于液晶的状态。但是，可以通过使用全息图案来消除(tune out)盖板/液晶反射率，该全息图案利用由于盖板/液晶反射率而导致的功率，将等量的功率发送到180°异相的+2级。由于液晶层很薄，温度变化对光路长度的影响可以忽略，因而反射消除全息图只需要确定一次。当?Imm厚时，同样的温度变化引起更大的光路长度变化，因此，该方法处理盖板前表面的反射率虽然是可能的，但不容易实现。为说明此，光路长度变化Aopl给定为A0pl = nda AT，其中η是折射率，d是材料厚度，a是热膨胀系数，Λ T是温度变化。因而Δορ?正比于ΔΤ,当d增加时,维持180°的异相条件将不断变难。
[0173]图24以图8的系统为例(相同元件用相同附图标记来指示)，并以框图形式示出了被配置为采用这种反射补偿全息图来驱动LC0SSLM的SLM控制器/驱动器2400。控制器/驱动器2400的输入数据可以包括全息图或更高级的数据，例如光束切换/路由数据(其可被转换为定义用于在SLM上显示的衍射图案，如，查找表)。
[0174]反射补偿全息图Hk由计算机例如通过各类标准技术(例如，Gerchber-Saxton算法)生成，并存储于非易失性存储器中。然后其被添加至目标全息图HT以提供用于显示的组合全息图Hc = He+Ht。
[0175]一种用于补偿盖板/ITO/定向层/液晶界面反射率的方法是:如果基础闪耀光栅具有周期T，则增加周期为2T的弱闪耀光栅(补偿光栅)。这将产生与基础闪耀光栅(其也包括了如图20所示的不需要的反射光)的+2衍射光束沿相同方向传播且场值相同的+1级光束。如果将该弱闪耀光栅侧向移动2T的距离，因傅里叶移位定理，来自补偿光栅的+1级的相位将连续地从O变化到2π。这样，可以调节补偿光栅的相位，使得来自该光栅的+1级与不需要的反射光近似反相。然而，在实际中这并不是一个好的方案，因为意在限制反射本身的补偿光栅可能引入可能在其他位置处导致串扰的新噪声。特别对于如果提前知道了盖板/ITO/液晶层反射率且前盖板反射率已最小化，优选的策略是全局优化全息图(例如根据TO2012/123713中所描述的内容)。
[0176]如前所述，因为盖板的相对厚度，将此消除技术应用于前盖板表面更有难度。温度变化可能导致反射光束的相位相对消除光束发生变化。然而，这可以通过使用很薄的盖板和/或低热膨胀系数的玻璃以针对温度校正全息图来予以补偿。
[0177]在实施例中描述了使用蓝相液晶的仅相位LCOS设备。可以理解，本发明不限于所描述的实施例，而是包含所附权利要求的精神与范围内对本领域技术人员来说明显的修改。
【权利要求】
1.一种光学路由设备，包括: 基底； 布置在基底上的多个反射像素电极； 包括至少一个对置电极的透明层；以及 布置在多个透明像素电极和透明层之间的可变折射率层， 其中，可变折射率层包括在未施加电场时具有各向同性的第一折射率而在施加电场时具有不同的第二折射率的材料，其中所述不同的第二折射率在与所施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
2.如权利要求1的光学路由设备，其中，透明层包括多个对置电极。
3.如权利要求2的光学路由设备，其中，像素电极布置成行，所述多个对置电极各自分别与一行像素电极相对。
4.如权利要求3的光学路由设备，其中，像素电极实质上为矩形，且其沿着行轴的尺寸小于垂直于行轴的尺寸。
5.一种光通信偏振不敏感的光束切换/路由设备，尤其如权利要求1所述，该设备包括: 背板，包括配置为驱动用于设备像素的多个光反射像素电极的驱动电子装置； 透明层，承载至少一个透明对置电极；以及 可调折射率材料层，位于所述对置电极与所述像素电极之间， 其中，所述材料在未施加电场时具有各向同性的第一折射率η,而在施加电场时具有不同的第二折射率η’，其中所述不同的第二折射率在与所施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
6.如权利要求5的设备，其中，所述材料是非液晶材料。
7.如权利要求5的设备，其中，所述材料是蓝相液晶材料，所述背板是LCOS(硅上液晶)背板。
8.如权利要求5或6的设备，进一步包括用于将交流偏置电压施加到所述像素电极的集合和所述对置电极中一方或双方的装置。
9.如前述任一权利要求的设备，其中，可调折射率材料是蓝相液晶材料。
10.如权利要求7-9中任一项的设备，其中，所述LCOS背板包含温敏元件，该设备进一步包括耦合至该温敏元件以控制所述材料的温度的温控系统。
11.如前述任一权利要求的设备，其中，所述对置电极被分段为行。
12.—种路由光信号的方法,该方法包括: 提供路由设备，该路由设备包括位于多个像素电极与至少一个对置电极之间的蓝相液晶层; 在像素电极与对置电极之间施加第一空间模式的电压，使得蓝相液晶层的折射率在空间上改变，以提供将光信号偏转至第一输出的第一衍射光栅；以及 在像素电极与对置电极之间施加第二空间模式的电压，使得蓝相液晶层的折射率在空间上改变，以提供将光信号偏转至第二输出的第二衍射光栅， 从而将光信号从第一输出切换至第二输出。
13.如权利要求12的方法，该方法包括: 向所述至少一个对置电极施加方波交流电压；以及 向像素电极施加一空间模式的驱动电压， 其中，所述空间模式的电压具有从第一驱动电压集合到第二驱动电压集合的转变，该转变与方波交流电压的转变相一致，所述第一驱动电压集合和第一时刻的方波交流电压的瞬时电平提供所述第一空间模式的电压，所述第二驱动电压集合和第二时刻的方波交流电压的瞬时电平提供所述第二空间模式的电压。
14.如权利要求12的方法，其中， 在像素电极与对置电极之间施加第一空间模式的电压包括向像素电极施加第一驱动信号，以及 在像素电极与对置电极之间施加第二空间模式的电压包括向像素电极施加第二驱动信号。
15.如权利要求14的方法,进一步包括:向对置电极施加偏移信号。
16.如权利要求14或15的方法，其中，第一驱动信号和第二驱动信号包括变幅方波。
17.如权利要求16的方法，进一步包括:向对置电极施加方波交流电压。
18.如权利要求17的方法，其中，第一驱动信号和第二驱动信号的转变与方波交流电压的转变相一致。
19.一种对一个或更多光通信信号光束进行偏振不敏感切换或路由的方法，该方法包括: 提供具有多个像素的反射硅上液晶背板，所述背板上具有蓝相液晶材料层，并在所述蓝相液晶材料上提供对置电极；以及 通过向所述蓝相液晶材料施加图案化的电场，显示至少一个衍射光学元件，其中所述电场作用于所述背板的所述像素与所述对置电极之间，且实质上平行于入射到所述反射LCOS背板且从所述反射LCOS背板反射的光；以及使用所述衍射光学元件偏转所述信号光束。
20.如权利要求19的方法，其中，所述衍射光学元件被配置为在二维中偏转所述信号光束。
21.如权利要求19或20的方法，其中，所述衍射光学元件包括全息图，该方法包括使用所述全息图同时切换或路由多个所述信号光束。
22.如权利要求19、20或21的方法，其中，所述信号光束包括波分复用(WDM)信号光束，该方法进一步包括将所述WDM信号光束解复用为多个分离波长信号光束，其中所述解复用在所述分离波长信号光束中保持两个正交偏振分量； 将所述分离波长信号光束引导至所述衍射光学元件的不同空间区域； 偏转所述分离波长光束；以及 再复用至少一部分所述偏转的分离波长光束。
23.如权利要求19-22中任一项的方法，其中，使用所述电场进行所述调制包括在所述LCOS背板的像素电极与所述对置电极之间施加小于25V的电压。
24.—种操作光信号的方法,该方法包括: 在光信号的路径上提供包括蓝相液晶层的设备；以及 在蓝相液晶材料层上施加空间模式动态变化的电压，从而使得蓝相液晶层的折射率根据动态变化的空间模式而变化。
25.如权利要求24的方法，其中，光信号以相对法线小于5度的角度入射到蓝相液晶层上。
26.如权利要求24或25的方法，其中，在蓝相液晶层上施加空间模式动态变化的电压包括在蓝相液晶材料层上施加大于50伏的电压。
27.如权利要求26的方法，其中，在蓝相液晶层上施加空间模式动态变化的电压包括在蓝相液晶材料层上施加大于100伏的电压。
28.如权利要求24-27中任一项的方法,其中，该设备包括布置于蓝相液晶材料层一侧的多个电极，且所述空间模式动态变化的电压被施加到所述多个电极。
29.如权利要求24-27中任一项的方法,其中，该设备包括光电导层,且施加空间模式动态变化的电压包括向该光电导层施加强度的空间模式动态变化的光束，使得光电导层上的电阻在空间上变化。
30.如权利要求24-29中任一项的方法,进一步包括测量光信号以确定光信号波前中的干扰，并确定动态变化的空间模式来减少干扰。
31.一种光学元件，包括: 第一透明电极； 第二透明电极； 布置于第一和第二透明电极之间的可变折射率层；以及 布置于第二透明电极与可变折射率层之间的光电导层， 其中，可变折射率层包括在未施加电场时具有各向同性的第一折射率而在施加电场时具有不同的第二折射率的材料，其中所述不同的第二折射率在与所施加电场的方向垂直的方向上是各向同性的。
32.如权利要求31的光学元件，其中，可变折射率层包括蓝相液晶材料。
33.如权利要求31或32的光学元件，进一步包括位于可变折射率层和光电导层之间的反射层。
34.—种自适应光学系统,包括如权利要求31-33中任一项所述的光学兀件。
35.一种LCOS(娃上液晶)设备,包括承载抗反射结构的表面,其中: i)抗反射结构包括物理表面，该物理表面的形貌具有横向尺寸小于2000nm以及平均折射率随远离该表面而减小的特征；并且 ?)在大于2000nm的横向尺寸上进行平均的形貌配置在所述表面上随横向位置而改变。
36.如权利要求35的LCOS设备，其中，所述表面是所述设备的前表面。
37.一种LCOS设备，尤其如权利要求35或36所述，与控制器相组合以在所述LCOS设备上显示全息图，以将第一光偏转至所述全息图的第一衍射级，其中，所述全息图被进一步配置为将第二光偏转至所述全息图的第二衍射级，其中所述LCOS设备具有产生不需要的反射光的界面，且其中所述第二光与所述不需要的反射光反相。
38.如权利要求37的LCOS设备，其中，所述第二光具有和所述不需要的反射光实质上相同的功率。
39.一种光学系统,包含如权利要求35-38中任一项所述的LCOS设备,该LCOS设备与具有至少两个不同波长入1和λ2的光源相组合，其中，所述表面的第一横向区域被所述形貌适配为在X1抗反射，且所述表面的第二横向区域被所述形貌适配为在入2抗反射。
40.一种光学系统,包含如权利要求35-39中任一项所述的LCOS设备,该LCOS设备与被配置为将至少两不同波长λ 1和入2的光引导至所述LCOS设备的不同空间区域的波长选择解复用器相组合，其中，所述表面的第一横向区域被所述形貌适配为在X1抗反射，且所述表面的第二横向区域被所述形貌适配为在入2抗反射。
41.一种使用如权利要求35-38中任一项所述的LCOS设备来配置所述抗反射结构的用途，使得对于至少两个不同的波长入1和λ 2，在所述表面的第一横向空间区域中，所述表面上在λι的反射大于在λ2的反射，且在不同的第二横向空间区域中，所述表面上在λ2的反射大于在λ I的反射。
42.一种在空间光调制器(SLM)中抑制不需要的反射的方法，其中SLM包括具有多个像素的反射硅上液晶背板，所述背板上具有蓝相液晶材料层，所述SLM还包括位于所述蓝相液晶材料上的对置电极，该方法包括:使用所述SLM将光偏转至在所述光栅上显示的衍射图案的第二或更高衍射级，其中所述第二或更高级偏转光限定了与所述不需要的反射反相的反射消除光束。
43.如权利要求42的方法，其中所述SLM是LCOSSLM，且其中所述不需要的反射包括界面处的内反射，所述界面包括所述SLM的液晶层、定向层、电极层、盖板层之一或更多。
44.一种空间光调制器(SLM)，与SLM控制器相组合，所述SLM具有产生不需要的反射的界面，其中所述SLM控制器被配置为驱动所述SLM以将光偏转至在所述光栅上显示的衍射图案的第二或更高衍射级，其中所述第二或更高级偏转光限定了与所述不需要的反射反相的反射消除光束。
【文档编号】G02F1/29GK104204916SQ201380015988
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】初大平, 尼尔·柯林斯, 约翰·摩尔, 梅赫艾洛·皮夫年科, 布莱恩·罗伯逊 申请人:剑桥企业有限公司