本發(fā)明涉及用于采用全息技術(shù)在遠程通信裝置中路由光束的方法和設(shè)備。在特定方面中，本發(fā)明涉及在LCOS(硅上液晶)裝置上顯示相息圖。

背景技術(shù)：
全息技術(shù)，特別是相息圖(純相位全息圖)在遠程通信中的使用帶來了特有的問題，特別是由于與顯示應(yīng)用相比的高信噪比(SNR)/低串擾要求。例如，在顯示應(yīng)用中，噪聲/串擾的水平可以約為1∶300，而在遠程通信裝置中，噪聲/串擾的水平可以約為1∶10000?？赡艹霈F(xiàn)的其它特有問題如下：·在1.5微米的長波長處的操作使得厚液晶層(與可見光裝置相比)的使用變得必要，從而使得液晶中的像素陣列圖案的精確再現(xiàn)更加困難?！ば枰叩难苌湫屎头浅５偷拇當_?！づc通過照相平版印刷過程產(chǎn)生的固定相息圖相比，在LCOS裝置上呈現(xiàn)的可重構(gòu)動態(tài)像素化相息圖存在特有的問題。所述相息圖具有相對較大的像素尺寸，像素陣列的尺寸受到限制，并且所述相息圖遭受與液晶層相關(guān)的假象。·在一些情況中，需要相對快速地計算像素圖案以例如用于適應(yīng)地調(diào)整光束或構(gòu)造新的切換結(jié)構(gòu)?？梢栽赨S5,617,227；US5,416,616；WO03/021341；US7,457,547；J.S.Liu和M.R.Taghizadeh的論文″Iterativealgorithmforthedesignofdiffractivephaseelementsforlaserbeamshaping″(OPTICSLETTERS，2002年8月15日，Vol.27，No.16，第1463頁)；GeorgiouA.G.等人的論文″HologramOptimisationUsingLiquidCrystalModelling″(MolecularCrystalsandLiquidCrystals，2005，vol434，第511-526頁)；和“Fresnelping-pongalgorithmfortwo-planecomputer-generatedhologramdisplay”(APPLIEDOPTICS，1994年2月10日，Vol.33，No.5，第869頁)中獲得背景技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明，因此提供了一種LCOS(硅上液晶)遠程通信光束路由裝置，光束路由裝置包括：光學輸入；多個光學輸出；位于所述光學輸入和所述光學輸出之間的光路中的LCOS空間光調(diào)制器(SLM)，所述LCOS空間光調(diào)制器用于顯示相息圖；數(shù)據(jù)處理器，所述數(shù)據(jù)處理器耦合至所述SLM，被配置以提供用于在所述SLM上顯示所述相息圖的相息圖數(shù)據(jù)；其中所述相息圖數(shù)據(jù)限定相息圖，所述相息圖將來自所述光學輸入的光束路由至選定的所述光學輸出；其中所述數(shù)據(jù)處理器被配置以輸入用于限定所述選定的光學輸出的路由數(shù)據(jù)并響應(yīng)于所述路由數(shù)據(jù)計算用于路由所述光束的所述相息圖數(shù)據(jù)；并且其中所述數(shù)據(jù)處理器被配置以通過下述方式計算所述相息圖數(shù)據(jù)：確定所述相息圖的初始相位圖案；計算所述相位圖案的重放場；修改所述重放場的振幅分量以表示用于所述光束路由的目標重放場，保持所述重放場的相位分量以提供經(jīng)過更新的重放場；對所述經(jīng)過更新的重放場執(zhí)行空間頻率轉(zhuǎn)換以確定用于所述相息圖的經(jīng)過更新的相位圖案；重復(fù)所述重放場的所述計算和更新以及所述空間頻率轉(zhuǎn)換的所述執(zhí)行，直到用于顯示的所述相息圖被確定為止；以及輸出用于顯示在所述LCOSSLM上的所述相息圖數(shù)據(jù)。在實施例中，采用上述過程即使在具有大量輸出和/或其中全息圖具有大量像素的系統(tǒng)中也使得能夠進行實時相息圖計算。例如，可以在幾十毫秒內(nèi)計算相息圖，特別是在其中將空間頻率轉(zhuǎn)換執(zhí)行為硬件快速傅里葉變換時。該過程的實施例還便于將多種附加技術(shù)用于減少串擾和改善信噪比，這對遠程通信來說是重要的。因此，在一種優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)處理器被配置為在計算相位圖案的重放場之前響應(yīng)于限定LCOS空間光調(diào)制器的響應(yīng)的模型的數(shù)據(jù)修改所述相息圖的所述相位圖案。一般地說，這使得能夠進行快速的計算，其中物理液晶材料的響應(yīng)被建模，使得可以在相息圖計算過程的一個或多個后續(xù)迭代中校正不理想的響應(yīng)。這便于提供更精確的信息和減少串擾。在Georgio等人(同上)中描述的用于補償液晶的相位響應(yīng)的過程，并且在這里也可以采用這種過程。相息圖計算過程的實施例還使得能夠進行計算出的重放場被修改至的目標重放場的‘過補償’，該過補償使得迭代相息圖確定過程比其它方式更快地收斂。這可以通過下述方式實現(xiàn)，例如采用在Liu等(同上)中描述的程序調(diào)整目標重放場的振幅分量，采用在Lui等人的“SymmetricaliterativeFourier-transformalgorithmusingbothphaseandamplitudefreedomforthedesignofdiffractivebeamshapingelements”(2005年歐洲激光器和電光元件會議(ConferenceonLasersandElectro-OpticsEurope)，SPIE，第610頁)中進一步討論的改進的傅里葉域約光束函數(shù)。在該程序的實施例中，重放場的計算出的振幅分量由期望的(振幅)重放場代替，但在其它方法中，可以簡單地修改計算出的重放場以更更精確地表示所期望的目標重放場。相息圖計算過程還使得能夠遠離選定的輸出在重放場中在空間上重新分布噪聲。例如，這可以通過擴大在迭代相息圖計算過程中使用的重放場使得它比由路由裝置使用的實際重放場大而得以實現(xiàn)。實際重放場可以由重放場中由多個光學輸出限定的周界限定，但如果更大的目標重放場用于相息圖計算，則重放場噪聲擴展到這個較大的區(qū)域之外，因此減少該重放場中實際用在該裝置中的部分噪聲(本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，在實施例中，光學輸出可以由至從遠離該裝置引起的光纖的一組光纖輸出限定)。更特別地，“自由”區(qū)域可以包括除光學輸出之外的所有輸出場。與用于顯示目的的全息發(fā)射相比，這是相當大的優(yōu)勢。在實際實施方案中，在計算中使用的重放場的尺寸和計算花費的時間(以及迭代的終止點，其通常將是平均誤差小于閾值水平的時間)之間存在平衡。在該裝置的實施例中，一個或多個光學輸出可以被監(jiān)測以確定光學信號水平，隨后可以響應(yīng)于此調(diào)整目標重放場，以優(yōu)化經(jīng)過路由的光束和光學輸出之間的耦合。例如，可以最大化重放場和光學輸出(光纖輸入裝置)之間的重疊積分。這例如可以被執(zhí)行為校準程序，和/或響應(yīng)于溫度或時間，例如，以一定間隔被執(zhí)行。任選地，多于一個的這種重放場校準可以用于多于一個溫度范圍，在該情況中該裝置可以包括用于選擇所述范圍/校準的溫度傳感器。將會認識到，由于通常輸出端口將具有非常類似的響應(yīng)，僅一個輸出端口需要被監(jiān)測并以這種方式‘被校準’以確定該裝置的‘校準’。在其他實施例中，相息圖/重放場的計算可以包括修改目標重放場的振幅分量以補償重放場中的包絡(luò)振幅變化。這通常是二維正弦函數(shù)，源自來自LCOSSLM的單獨的像素的光衍射原子。例如，被偏轉(zhuǎn)到重放場的中心部分的光束的振幅可以被故意衰減，使得被引向重放場的遠離中心或光軸的光束的振幅具有相似或大致相同的振幅。該裝置的實施例可以通過例如修改所期望的目標重放場以修改輸出光束的期望的振幅而結(jié)合信號衰減和/或均衡。控制遠程通信裝置中的光束的衰減的能力是重要的優(yōu)點。在實施例中，可以設(shè)置多個輸入而不是僅單個輸入，并且在通常情況中，n個輸出光束可以被映射至n個輸出光束。至該裝置的輸入和輸出中的任一個或二者可以是雙向的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，輸入和輸出可以交換，使得本發(fā)明在實施例中還提供n至1多路復(fù)用器。多路復(fù)用器和多路分解器原則上可以合并在單個裝置中。該裝置的實施例因此適合多信道廣播應(yīng)用。LCOS空間光調(diào)制器通常具有足夠的像素用于將被顯示在單個裝置或管芯上的多個相息圖。可能地，數(shù)百個相息圖可以顯示在單個LCOS裝置上。因此，在實施例中，該裝置可以被配置以采用顯示在單個LCOS裝置上的單獨的相息圖執(zhí)行一組光束路由功能，例如，用于提供具有共用光學部件的一組光束路由/切換裝置，用于緊湊型物理實施方案。在一些優(yōu)選實施例中，該裝置可以包括位于相息圖和重放平面之間的傅里葉變換透鏡；可以針對色差對此進行修正。在實施例中，LCOSSLM是反射性SLM，光學輸入和輸出裝置位于大致相同的平面中，并且傅里葉變換透鏡位于SLM和輸入/輸出平面之間。在該裝置的一些實施例中，針對特定波長，例如約1.5微米，優(yōu)化相息圖的計算，但在其它實施例中，可以在波長帶范圍內(nèi)，例如，理想的c波段(1530-1565nm)和/或L波段(1565-1625nm)，優(yōu)化相息圖的計算。后一種方法是有優(yōu)勢的，因為裝置隨后可以制造成至少在例如至少10，20，30，50或100nm的光波長帶范圍內(nèi)是大致波長未知的。在該裝置的實施例和下文描述的方法中，目標重放場可以被選擇以執(zhí)行輸出光束從一個位置到另一個位置的軟切換。這可以通過下述方式實現(xiàn)，即在改變選定的光學輸出時，限定從期望的或目標重放場，該期望的或目標重放場經(jīng)由一個或多個過渡階段從當前重放場或光學輸出過渡到期望的或目標重放場或光學輸出，在所述過渡階段中當前選定的輸出衰減和/或新選定的輸出處于零和它的期望的(全輸出)水平之間的中間振幅。在實施例中，一系列目標重放場可以用來例如通過使一個輸出衰減且使另一個輸出變強而提供從一個光學輸出到另一個光學輸出的平滑過渡。采用這種方法，特別有用的是繼承相息圖的相位分布用于重放場，從而用作用于該系列中的下一個重放場的相息圖的初始相位分布。相息圖計算程序的實施例使得能夠使用第n幀的全息圖作為用于計算第n+1幀的初始化，在Bernau，M.的“Improvedhologramcalculationforcorrelatedvideoframes”(2010年消費電子國際會議(InternationalConferenceonConsumerElectronics(ICCE))，技術(shù)論文摘要，第507-508頁)中對此進行了進一步的討論。而且，可以成功地利用在全息圖計算中使用的參數(shù)從一幀到另一幀的繼承，例如一個或多個反饋和/或增益參數(shù)。由于重放場是相對相似的，這明顯地加快程序。而且，該方法的實施例提供的重要優(yōu)點在于解決與液晶材料的動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的問題：在從一個重放場切換至另一個重放場時不希望的是例如輸出重放場實際上帶有噪聲進行閃爍。通過提供漸變過渡，這種“噪聲閃爍”基本上可以被抑制。在相關(guān)方法中，本發(fā)明提供了一種光學遠程通信光束路由的方法，該方法包括下述步驟：在LCOSSLM上顯示相息圖；提供輸入光束至所述LCOSSLM；以及用所述相息圖衍射所述光束以提供從所述LCOSSLM衍射后的輸出光束；該方法還包括下述步驟：采用乒乓算法計算顯示在所述SLM上的所述相息圖。在優(yōu)選實施例中，乒乓算法包括：例如隨機地或基于初始目標重放場初始化所述相息圖的相位分布、計算所述相息圖的重放場、修改所述重放場的振幅分布但保持相位分布、將這種修改后的重放場轉(zhuǎn)換至經(jīng)過更新的所述相息圖、以及隨后重復(fù)所述計算和修改以使所述重放場在期望的目標上收斂。優(yōu)選地，在計算重放場之前，采用LCOSSLM響應(yīng)的模型修改相息圖，特別地，用于考慮液晶材料的受限制的變形，其限制SLM的像素的相位響應(yīng)，更特別地，抑制相位在跨過SLM的短距離(在像素中)內(nèi)的大的變化。在優(yōu)選實施例中，還修改所述相息圖，從而例如通過增加重放場的尺寸而遠離所述相息圖的重放場中的所述輸出光束的目標位置重新分布振幅噪聲。在實施例中，該程序還包括目標振幅重放場中的過補償度，用于該算法的更快速的收斂。附圖說明現(xiàn)在將參照附圖，僅通過舉例的方式，進一步描述本發(fā)明的這些和其它方面，在附圖中：圖1a至1c分別示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的LCOS光束路由裝置的實施例、可以用在該裝置中的相息圖計算程序、以及結(jié)合偏振分集的LCOS光束路由裝置的實施例；圖2a和2b示出全息開關(guān)在光學網(wǎng)絡(luò)中的位置以及全息互連的光學布置；圖3示出遠心f-θ透鏡，其以直角將光束聚焦到焦平面上的，其位置與輸入場角成比例，并且焦平面是平坦的；圖4示出作為光束直徑的函數(shù)的變跡損耗；圖5示出被設(shè)計用于全息光學互接的LCOS裝置的尺寸；圖6示出全息圖衍射效率與輸出用戶的數(shù)量之間的關(guān)系。效率增加，因此使全息互連最佳地適用于具有多個用戶的網(wǎng)絡(luò)；圖7示出輸入和輸出光纖的建議布置(在這里Smax＝192)；圖8示出由方形像素平面在輸出平面處形成的正弦包絡(luò)線。保持光纖靠近中心減少了衰減；圖9示出由正弦包絡(luò)線引起的作為有效面積部分的函數(shù)的可接受的損失。兩個星對應(yīng)于為LOIS裝置提議的操作點；圖10作為等高線圖示出二維正弦包絡(luò)線衰減；圖11示出相位量化全息圖的衍射效率。從頂部開始分別是產(chǎn)生全息圖的單個點、100個點和10個點的效率；圖12示出用于具有LOIS的特性的裝置的、具有和不具有彌散場的閃耀光柵的衍射效率；以及圖13示出用于具有LOIS的特性的裝置的、具有和不具有彌散場的閃耀光柵的衍射效率。具體實施方式廣義上來說，以下將描述用來計算像素圖案以最小化采用LCOS裝置作為c波段(c-band)中的衍射光學部件以實現(xiàn)遠程通信標準相關(guān)的特定問題的方法，更具體地，描述通過LCOS裝置上的像素化相息圖對遠程通信c波段中的信號束的控制。在實施例中，所述技術(shù)涉及借助于計算機產(chǎn)生的全息圖在遠程通信1.5微米波長窗口中形成、分裂和調(diào)節(jié)光學信號束，所述全息圖包括動態(tài)地顯示在被合適地設(shè)計的硅上液晶(LCOS)裝置上的可編程相位調(diào)制像素的圖案。特別地，主要涉及采用采用平行對齊的向列型LCOS裝置，所述向列型LCOS裝置為反射光束的純相位調(diào)制提供可忽略的振幅調(diào)制。在NCollings，TDavey，JChristmas，DChu和BCrossland的論文″Theapplicationsandtechnologyofphase-onlyliquidcystaldevices″(InvitedReview)(IEEE/OSAJDisplayTechn，2011年第1版第7卷，第112-119頁)中已經(jīng)描述了這種裝置的當前版本。這些裝置沒有將入射光的偏振轉(zhuǎn)換成反射中的正交偏振(偏振交叉)。特別地，所述技術(shù)涉及這些光束的質(zhì)量的改進，使得可以以確保高光束質(zhì)量和在輸出光纖中載送的信號最小串擾的方式將這些光束有效地引入到單模輸出光纖中，從而滿足遠程通信系統(tǒng)的要求。為了實現(xiàn)這個目標，采用特定技術(shù)來計算將被顯示在用于衍射信號光束的LCOS裝置上的像素化相息圖的像素圖案，具體地通過LCOS技術(shù)并在近紅外區(qū)進行操作來解決在可行的可重構(gòu)動態(tài)衍射裝置中出現(xiàn)的特定問題。這些應(yīng)用存在如在引言中概述的特有問題。僅由顯示在實際LCOS裝置上的周期性光柵構(gòu)成的簡單的像素圖案不滿足效率、低噪聲和串擾要求。描述的像素圖案是非周期性的且通常任選地采用定制的代價函數(shù)在迭代計算機算法的輔助下被導(dǎo)出，以產(chǎn)生在近紅外區(qū)中運行的遠程通信裝置。代價函數(shù)可以被撰寫成使得進入到未選擇的輸出光纖中的光損耗(串擾)具有高成本，并且所產(chǎn)生的全息圖將呈現(xiàn)商用系統(tǒng)需要的非常低水平的串擾。這里描述的技術(shù)有助于：多信道廣播，從而例如使得可以由一個裝置執(zhí)行的多個功能；全2D互連平面的展開；串擾最小化；像差校正；以及將新的功能添加至衍射結(jié)構(gòu)(如信道均衡)。在廣義方面，用來導(dǎo)出像素圖案的迭代方法不具有周期性。因此，所述迭代方法固有地最小化通過將周期性像素圖案填充到有限像素陣列中引起的限制。這些方法暗含地假設(shè)每個像素具有其自身的離散相位延遲，即，假設(shè)相位分布被量化的，并且它們固有地最小化源自像素結(jié)構(gòu)的量化噪聲。所述方法通過允許采用全息圖的孔徑函數(shù)對像素圖案的卷積執(zhí)行優(yōu)化而可以識別像素圖案的范圍是有限的?？讖胶瘮?shù)可以結(jié)合在相息圖產(chǎn)生程序中以獲得被設(shè)計成最大化光束到輸出光纖中的耦合的輸出振幅分布。為了增加計算速度，但還最小化串擾和噪聲，可以采用過補償和自由區(qū)域(don′tcareregions)修改算法。迭代算法可以被設(shè)計成適應(yīng)性地調(diào)整像素化相息圖的像素圖案，從而精確地定位輸出光束并最大于與輸出光纖的重疊積分。這些方法的實施例還承認液晶相位調(diào)制器不能再生出非常高的空間頻率。像素圖案可以在這種假設(shè)下被優(yōu)化以最少化通過偏轉(zhuǎn)成對稱狀態(tài)而分散的光。進一步，可以通過向像素圖案添加整體相位函數(shù)來修改像素圖案，以將信號光帶至與源自全息圖的量化的噪聲或零階殘余光相比不同的平面中的焦點。這增加了信號光束的信噪比，在后一種情況中允許零階光的空間過濾。還可以通過向像素圖案添加整體相位函數(shù)來修改像素圖案，以修正光學模塊中的像差或錯誤。再進一步，所述方法允許實現(xiàn)衍射圖案的波長選擇性的某種修改，從而允許設(shè)計在整個c波段中的波長呈現(xiàn)最小跌落(rolloff)的像素化相息圖，從而允許在該波段內(nèi)進行無關(guān)波長切換。在實施例中，本發(fā)明涉及為具有等于或大于2π(使相位調(diào)制范圍為2π)的相位偏移的可編程的像素化相息圖實現(xiàn)可接受的性能和功能的方法。像素圖案顯示在遠程通信模塊內(nèi)的硅上液晶(LCOS)微型顯示器上以執(zhí)行光學信號處理。采用迭代算法計算像素圖案，并且所述像素圖案不是由周期性光柵構(gòu)成，而是由非周期性構(gòu)建塊構(gòu)成。所述方法衍射波長在通信波段中的近紅外光以選擇輸出位置。在所述方法的實施例中，采用基于應(yīng)用于整個相息圖像素塊的快速傅里葉變換算法的算法以實時計算相息圖像素圖案。所述方法實現(xiàn)過補償并和′無關(guān)區(qū)域′以增加效率和最小化噪聲。相息圖像素圖案被計算以考慮在施加電場時液晶的向列導(dǎo)向器可能會遇到的有限變形。相息圖圖案可以被修改以允許光束分裂和光束衰減。相息圖像素圖案還可以被修改以最小化使用中的遠程通信波段中的波長選擇性。在實施例中，將以2π為模的附加光學成分添加到主相息圖的相位分布。能夠?qū)⒐馐D(zhuǎn)到多個光點和光點陣列之中/之外。在實施例中，相息圖在處理器中產(chǎn)生并被編程用于由LCOS表示；相息圖包括相位全息圖的表示。由于這種技術(shù)依賴于純相位調(diào)制，因此在振幅調(diào)制中不存在光損耗。采用可以實時計算相息圖的這一類算法，優(yōu)選地采用硬線連接的快速傅里葉變換處理器。所述過程基于被稱為乒乓算法的雙向迭代優(yōu)化算法的種類(例如IFTA，GerchbergSaxton)。通過將相位(相息圖)平面中的隨機或確定的相位分布映射到其中存在已知約束的第二平面中來優(yōu)化該相位分布。該分布隨后被重新映射到相位平面，振幅被限制到一，并且重復(fù)該過程，直到在相位平面實現(xiàn)令人滿意的相位分布。在實施例中，采用該過程以利用用于近似LCOS裝置上的一維和二維相位分布的方法來補償有限液晶變形，并且采用該方法計算LCOS電極上的最佳電壓分布，以便優(yōu)化系統(tǒng)性能(例如串擾和/或在變化的環(huán)境條件的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性)。例如，為了估計液晶分布，采用“彈簧模型”，實際上即低通濾波器(等效于采用核函數(shù)的卷積)?？梢詢H采用一對(1D)或四個(2D)相鄰的像素計算該濾波器的參數(shù)(或卷積核)。(可以采用求解復(fù)雜的連續(xù)性方程的計算需求技術(shù)(computationallydemandingtechnique)，例如，有限單元法或張量方法，模擬這兩個(或四個)像素在各種電壓下的行為)。在實施例中，我們在用于計算相息圖的迭代循環(huán)中包括這種低通(空間)濾波器或卷積，使得所產(chǎn)生的相息圖容許高度的LC不完全性，并且特別地，容許LC不能明顯地彎曲。示例性實施方案參照圖1a，圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的LCOS光束路由裝置100的實施例。光纖陣列102包括一個或多個輸入光纖102a和多個輸出光纖102b，輸入端和輸出端位于公共平面104(相息圖重放平面)中。LCOSSLM106顯示相息圖的相位圖案并以反射模式運行。傅里葉變換透鏡108位于重放平面104和相息圖/SLM106之間。SLM由數(shù)據(jù)處理器108驅(qū)動，數(shù)據(jù)處理器108具有輸入端110以接收用于選擇光學輸出的路由數(shù)據(jù)。在實施例中，數(shù)據(jù)處理器進行如下所述的計算以確定用于SLM106的輸出相息圖數(shù)據(jù)。在實施例中，一個或多個輸入和/或輸出光束可以由光束監(jiān)測器112，例如檢測器陣列監(jiān)測。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，存在可以采用的多種監(jiān)測技術(shù)，包括例如將光纖彼此分離。此外或可替換地，可以設(shè)置單獨的輸出端口以用于監(jiān)測目的。來自監(jiān)測器112的輸出被提供至數(shù)據(jù)處理器108，用于任選地用在初始校準中，使得可以調(diào)整目標重放場函數(shù)以優(yōu)化更具體地最大化耦合，如被偏轉(zhuǎn)光束和光纖的輸入之間的重疊積分。數(shù)據(jù)處理器108在軟件、硬件或二者的組合中執(zhí)行相息圖計算程序。為了速度/效率，特別優(yōu)選的是在硬件中進行傅里葉變換計算程序。參照圖1b，這顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的可以用在數(shù)據(jù)處理器108中的相息圖計算程序的實施例。因此，在步驟150處，初始化用于相息圖的定相數(shù)據(jù)，例如用于一維或二維的光柵型方案，因為一般地上，這應(yīng)當對應(yīng)于輸入光束到目標輸出位置的偏轉(zhuǎn)。任選地，這種初始化可以包括將透鏡疊加在相位圖案上以將輸出光束集中在輸出光纖的輸入端上；傅里葉變換可以用來執(zhí)行這種初始化。通常，這種初始化將為輸出光束假設(shè)一致的振幅，盡管任選地，可以采用不同振幅，例如，用于執(zhí)行信道均衡。雖然將相位圖案初始化成光柵狀解決方案是方便的，但這不是必須的，并且在其它方法中，例如，可以采用隨機初始化。在步驟152處，相位圖案被修改以考慮LCOSSLM的液晶響應(yīng)。在實施例中，這可以由數(shù)字濾波器(低通濾波器)或卷積步驟執(zhí)行，如在Georgiou等(同前)中描述的那樣。隨后，在步驟154處，數(shù)據(jù)處理器108計算相息圖的重放場，其包括定相分量和振幅分量。相位分量被保持，并且在實施例中，振幅分量由期望的重放場代替，如圖示的示例120。對于噪聲降低，這可以被擴展130到光纖輸出裝置的周界122之外。用于期望的目標重放場代替重放場的計算出的振幅分量的步驟156優(yōu)選地還包括檢查計算出的振幅和期望的振幅之間的差是否小于閾值水平，在該情況中程序完成并且輸出158相息圖數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，關(guān)于重放場的計算出的振幅分量和目標振幅分量之間的差是否在可容忍限度內(nèi)，可以采取多種不同措施中的任一種。如果程序沒有完成，則隨后在步驟160處，重放場(replayfield)的之前的相位分量和新的振幅分量變?yōu)樾碌哪繕酥胤艌觯⑶疫M行空間頻率轉(zhuǎn)換162，特別地，傅里葉變換，以將其轉(zhuǎn)換為相息圖平面。隨后該程序循環(huán)回到步驟152，以通過低通空間濾波再次修改該新的相位圖案，從而再次結(jié)合液晶響應(yīng)的影響。該程序隨后繼續(xù)循環(huán)，相互作用，直到輸出期望的相息圖數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在參照圖1c，這示出了結(jié)合偏振分集的LCOS光束路由裝置180的實施例。與圖1a的元件相似的元件由相似的附圖標記表示。在該實施例中，偏振分束器182將光的兩種偏轉(zhuǎn)分成入射在SLM1106a上的s-偏振(虛線)和入射在SLM2106b上的p-偏轉(zhuǎn)(實線)。這兩種偏振被單獨地衍射并且在輸出光纖上再次被帶到一起。液晶在兩個SLM上的對準適合于入射偏振。采用LCOS裝置多信道廣播光學互接時的其它考慮因素我們現(xiàn)在描述采用衍射硅上液晶(LCOS)裝置作為路由元件的光學互接的特性和預(yù)期能力。這種互接可以用在鄰域的光學網(wǎng)絡(luò)中以分配高清晰度電視，因此避免針對每個用戶的電子或光學發(fā)射機。LCOS裝置的最佳特性是根據(jù)像素數(shù)量和硅面積計算的，并且被發(fā)現(xiàn)采用今天的技術(shù)是可行的。最后它在光學效率和輸出端口數(shù)量方面的性能被評估并被發(fā)現(xiàn)適合具有100個家庭的領(lǐng)域。其它光學網(wǎng)絡(luò)將更加依賴于光學互接。它們可以用來在鏈接故障之后恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)地分配帶寬和遠程地連接或斷開用戶。當光纖到戶(FTTH)被更廣泛地安裝時，光學互接將為在網(wǎng)絡(luò)中添加和去除高帶寬用戶提供靈活的和低成本方法；例如，在其中需要大量輸出和多信道廣播的失配信號分配中。任何家庭用戶的下載速率將明顯大于上傳速率。因此，網(wǎng)絡(luò)中的壓力將是從服務(wù)提供者到用戶。電視觀眾可能容易訂閱他/她向外立即訪問的兩百個頻道。如果這些頻道處于1080p，可能一些帶有3D功能，則帶寬要求是重要的。此外，如果用戶需要視頻，則在鄰域中從服務(wù)提供者傳遞的視頻信道的總數(shù)量可以達到千位。個性化內(nèi)容將被加密(類似于無線網(wǎng)絡(luò))。在高清晰的數(shù)千個信道的情況下，總帶寬要求為Gbps的量級。在這種比特率處，從光學信號到電信號的轉(zhuǎn)換是昂貴的，并且在用戶處進行。在光域中路由該信號消除了對交換和高速電子路由器處的光-電-光轉(zhuǎn)換的需求。圖2a示出可以如何將開關(guān)用在HDTV分配網(wǎng)絡(luò)中。通過產(chǎn)生大功率光學信號且隨后采用光學互接進行分配，避免針對每個用戶使用電子或光學發(fā)射機，降低硬件和安裝成本。在將來，單個大功率激光器(它的偏振被認真地控制)可以提供功率到10個或100個用戶并由光學互接分配。注意到，液晶材料由于它們的桿狀分子結(jié)構(gòu)而將以不同的方式影響激光器的偏振。這在激光源物理地靠近LCOS裝置時不是問題，并且它的偏振被設(shè)置為平行于液晶分子。在這種情況中，偏振影響被控制并且入射波的相位偏移被最大化?？赡茉诓煌妷旱南袼刂g觀察到一些小的偏振調(diào)制，但它們的影響將明顯小于回掃影響(稍后討論)。全息互連相對于競爭技術(shù)的優(yōu)點是它們僅將功率路由至選定的端口的能力。因此，效率不受潛在用戶數(shù)量Smax的影響，但受所連接的用戶的數(shù)量影響。在全息開關(guān)中，沒單位輸出信道的功率由ηPin/S(參見圖2a)給出，其中η是互連的功率效率，Pin是到開關(guān)中的輸入功率。這使得全息開關(guān)在潛在用戶的數(shù)量Smax大時是理想的，但在任何時刻，僅一部分用戶連接，像視頻在鄰域中的分配。服務(wù)提供者希望所有的家庭作為潛在消費者Smax，但任何時刻，僅它們中的數(shù)量S被連接。其它技術(shù)可以進行多信道廣播，但它們的操作的基礎(chǔ)在于來自非連接用戶的阻擋光。這使得與全息開關(guān)的ηPin/S相比每個用戶的功率降低至ηPin/Smax。因此全息開關(guān)給出了具有大量潛在用戶Smax的靈活性，同時不會由于這種靈活性而損失任何功率。全息互連的另一個優(yōu)點是它執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的附加功能的能力。全息圖可以重寫光束的相位分布并且因此修正散焦、象散或未對準，因此，改善耦合到輸出光纖中的功率。其它功能包括信號均衡、噪聲抑制和監(jiān)測信號的設(shè)置。這為系統(tǒng)呈現(xiàn)了光學布置以及全息開關(guān)的理論；全息互連中的損失源給出了系統(tǒng)下來的理論估計；對全息開關(guān)中可能的輸出端口的數(shù)量的估計；以及系統(tǒng)的整體展示，建議LCOS裝置的特性。全息互連全息光學互接采用衍射將光路由至目標輸出光纖。圖2b示出了全息互連中使用的光學布置。來自輸入光纖的具有高斯狀分布的光束擴展，隨后它由正透鏡準直。具有尺寸L×L的LCOS裝置調(diào)制入射光束的相位，引入高頻成分。反射的光束由透鏡聚焦，該透鏡實際上對光束分布進行傅里葉變換。這使得光束焦點根據(jù)該裝置的相位圖案移動至不同的位置或多個位置。該裝置上的圖示分布可以由高斯分布近似。它的寬度由也是高斯的近場傅里葉變換近似。兩個光束寬通過下式相關(guān)聯(lián)：其中f是透鏡的焦距，λ是光波長，2wd是LCOS裝置的光束寬，2wi是輸入源的光束寬(參見圖2)。在高斯分布中，光束寬被定義為圓直徑，其中強度降低至其峰值的1/e2。輸出光束的尺寸也由等式1給出。如果光束不是嚴重變跡的(這是最小化光損耗2wo的情況)，則輸出光束寬等于2wi輸入光束寬。如果輸入光纖具有與輸出光纖相同的直徑，則輸出光束將剛好適合輸出光纖。增加輸出光纖的直徑釋放了對光電尺寸的嚴格限制，并且定位和耦合效率將改善。這可以通過采用多模光纖(MMF)、錐形光纖或微透鏡進行。光纖被預(yù)期在1.3μm，1.5μm或850nm處操作，并且被設(shè)置成矩形格柵，如圖3所示。輸入光纖將被放置在格柵的中心。LCOS裝置相對于輸入光纖可以具有小的傾斜以消除返回進入輸入光纖中的不希望的反射。當單模光纖(SMF)的覆層具有125μm直徑時，輸出光纖芯體之間的間距同樣至少125μm。效率互接的光學效率被定義為輸出信號高于輸入信號的功率。每個用戶應(yīng)當接收某個最小功率。假設(shè)輸入功率Pin可以不由互接控制，則效率η確定所連接的用戶的最大數(shù)量。因此，高的效率將允許連接更多的用戶?？山邮盏男实闹翟诖蟮姆秶鷥?nèi)變化，并且取決于系統(tǒng)的應(yīng)用和其它功能。具有比-7dB好的效率的MEMS交叉連接已經(jīng)被報道具有高達256個輸入和輸出。然而，特定系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中具有不同的作用，因為它可以不進行多信號廣播或廣播。由于全息開關(guān)可以動態(tài)地控制每個輸出信道的功率，因此與有損耗的鏈接連接的輸出可以被升壓以實現(xiàn)更合理的功率分配，并且這將允許連接更多的用戶。效率嚴重地依賴于適合的LCOS裝置的選擇。大多數(shù)商用LCOS裝置被設(shè)計用于其中像素數(shù)被最大化且裝置面積被最小化的顯示應(yīng)用。一些LCOS裝置已經(jīng)被專門設(shè)計用于紅外操作，像Roses。在本工作中，四種定制裝置被提出，并且它們的性能被評估。稱為用于光學紅外開關(guān)的LCOS的(LOIS)的第一種裝置與大多數(shù)商用裝置相比在有效面積方面較大，并且具有較少的像素。還考慮LOIS的按比例縮小版本mLOIS，μLOIS和nLOIS。此外，大量商用裝置被呈現(xiàn)并與所提出的裝置一起在下表中被示出。在此不考慮不是與互接的全息特性直接管理的光損耗。這些包括被反射、鏡面反射率和耦合損失。注意到，該開關(guān)的效率在光學系統(tǒng)和光纖陣列未被恰當?shù)卦O(shè)計時會受到明顯的影響。雖然全息圖可以在角度范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)光束，但傅里葉透鏡對所有的范圍來說應(yīng)當受到衍射限制。此外，進入輸出光纖的發(fā)射角應(yīng)當垂直以最大化插入下來。具有這些特性的非球面透鏡包括遠心F-θ透鏡。它們可以確保光束以法角入射在輸出光纖陣列上(遠心操作)，并且焦點的位置與場角成比例(F-θ操作)。此外，焦平面是平的而不是彎曲的。這在圖3中用圖形示出。消除強制入射的問題的可替換方式是采用沿相反的方向以相同的量偏轉(zhuǎn)光束的第二個全息圖。這種布置，即路由器-選擇器架構(gòu)，用來將所述開關(guān)轉(zhuǎn)換成縱橫開關(guān)。另一個挑戰(zhàn)是圖7中示出的密集陣列的結(jié)構(gòu)。這種陣列是可行的，但可能是工程挑戰(zhàn)。然而，波導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)不斷地改進。具有5萬根光纖的波導(dǎo)在商用上是可用的(如，SumitomoImageGuideIGN-20/50)，并且用于具有小于10μm的芯體間距的光纖像導(dǎo)。光纖，特別是光纖陣列，將使它們的芯體稍微錯位，并且這未被考慮，則效率將進一步降低。存在最小化且甚至消除該問題的幾種方式。全息圖可以采用啟發(fā)式技術(shù)來確認光纖的精確中心，并且隨后被重新配置用于修訂后的位置。這應(yīng)當包括來自光纖的某種反饋。解決這個問題的另一種方式是采用錐形光纖或微透鏡增加SMF的直徑。這種技術(shù)的優(yōu)點是，芯體的有效直徑增加，同時光纖保持為單模。最后，可以采用MMF，雖然可能不總是希望在同一網(wǎng)絡(luò)中同時采用SMF和MMF。然而，對于短距離，MMF在硬件方面可能是成本最有效的解決方案。在此考慮的損失與(i)裝置填充因子、(ii)光束變跡(iii)、全息圖效率和(iv)相位渲染相關(guān)聯(lián)。在接下來四部分中，詳細地考慮這些損失。變跡變跡損耗涉及由LCOS裝置對高斯分布的修整。變跡量由透鏡的焦距確定：大的焦距將產(chǎn)生具有大的分布修整的寬高斯函數(shù)。在選擇最佳焦距時存在折衷。希望的是通過具有小的f將更多的功率會聚在裝置上而最小化損失。同時，還希望的是采用所有的可用像素，因為這增加輸出端口的數(shù)量。假設(shè)光學效率的重要性，可能合適的采用更多的硅面積，而不是增加損失。變跡還改變焦點的尺寸和形狀，降低耦合到輸出光纖中的功率。通過采用LCOS裝置，受限制的光束成形是可行的。落在裝置的有效區(qū)域上的能量的量Pd由下式給出：其中wd是焦距f的函數(shù)。通過采用上述積分對該裝置的方塊面積內(nèi)的功率進行積分計算針對不同焦距的變跡損耗。圖4示出這種變化，水平軸線示出與裝置尺寸相比較的光束尺寸，垂直軸線示出光損耗?？梢钥吹?，對于約0.4L的光束寬，變跡非常小且小于-0.1dB。關(guān)于這一點，變跡損耗是重要的。因此，推薦的是光束寬約為0.4L。填充因子LCOS裝置是硅裝置，其中像鋁之類的反射性金屬層沉積在硅底板的頂部上。像素同時用作反射鏡和電極，因此應(yīng)當由稱為像素間間隙或死區(qū)的非導(dǎo)電區(qū)域隔開。在商用裝置中，這個死區(qū)可以低至0.25μm。注意到，具有介質(zhì)鏡的裝置可以具有零像素間間隙，但相關(guān)聯(lián)的彌散場是重要的。像素間間隙使裝置的平均反射率降低因子F，即填充因子，其等于其中Δ是裝置平面上沿x和y方向的像素間距，g是如圖5所示的像素間間隙。像素間間隙和像素間距二者沿兩個方向相同。對于具有有效面積L×L和N×N個像素的矩形裝置，填充因子還可以被表示為在該等式中，像素間間隙g是通過光刻工藝固定的。有效區(qū)域的尺寸L明顯地影響裝置的成本，并且因此它也受到限制。僅像素的數(shù)量N在優(yōu)化系統(tǒng)時可以被處理為自由變量。增加固定硅面積上的像素的數(shù)量將增加輸出光纖的數(shù)量(較小的像素，因此，較大的偏轉(zhuǎn)角)，但還將增加填充因子損耗。因此，對于給定數(shù)量的輸出，應(yīng)當使用最少數(shù)量的像素。盡管單位mm2的硅的成本大，但互接將具有比消費者器具高的值和長的使用壽命，允許較大的硅裝置。增加尺寸改善了系統(tǒng)的填充因子和整體效率。建議LOIS僅具有1024像素個但具有18.4×18.4mm的有效面積，因此僅具有0.15dB的填充因子損耗。全息圖效率全息圖效率在這里涉及理論最大能量，純相位全息圖可以傳遞至目標位置。全息圖可以僅調(diào)制入射光束的相位而不調(diào)制它的振幅。這引入降低衍射效率的虛訂單。根據(jù)輸出端口的布置，全息圖的衍射效率可以從0dB(針對閃耀光柵)改變至約-1dB(參見圖6)。不存在針對任意端口布置計算精確的全息圖衍射效率的分析方法。然而，對于兩個輸出端口來說最壞的情況是可以分析地計算衍射損耗并且它等于或-0.9dB(這被以與二進制相位全息圖的效率相同的方式被發(fā)現(xiàn)，參見上文)時。增加多信道廣播輸出的數(shù)量降低了每輸出光纖的功率ηPin/S，但改善了整體效率η。最好的情況是在僅存在一個輸出時，在該情況中衍射效率是一致的。為了估計系統(tǒng)的理想的衍射效率，采用輸出平面相位優(yōu)化(OPPO)方法和直接二進位檢索(DBS)計算大量全息圖。選定的輸出端口的數(shù)量S從1改變至192。對于每個S，進行輸出光纖的40個不同的組合，并且針對每個組合，全息圖被設(shè)計成將光路由至它們。輸出光纖放置在15×15的規(guī)則格柵上，該格柵的中心光纖是如圖7所示的輸入。每個角落上的8個光纖未被使用以形成更接近圓形的布置。因此，輸出光纖的總數(shù)量是192。圖6中的實線示出針對從1至192的任何數(shù)量的光點的平均衍射效率。圓點示出單個全息圖的衍射效率?？梢钥吹剑鈸p耗總是好于-1dB并且隨著輸出信道的數(shù)量的增加而改善。灰線示出每個用戶的能量。每個用戶的功率不是恒定的而是隨著用戶的數(shù)量的減少而增加，因此更好地利用可用的功率。注意到，如果必要，全息圖設(shè)計可以將互接的串擾降低至可接受的水平。這可以被以多種方式實現(xiàn)。首先，系統(tǒng)的所有可預(yù)測的缺點可以被包括在全息圖設(shè)計算法中并且它們的影響被消除。這些包括相位量化、像素化、像素間間隙和甚至相鄰像素之間的彌散場。通過在LCOS裝置上添加合適的Zernike系數(shù)，可以最小化不可預(yù)測的誤差，像裝置平整度、熱漂移和不對準。多個程序設(shè)計者已經(jīng)研究了用于實時計算這些誤差和補償它們的方法。最后，全息圖的大強度依賴于下述事實，即大多數(shù)裝置缺點將被轉(zhuǎn)換成傅里葉域并且因此它們可能實現(xiàn)零階或盡可能高頻的分量噪聲。目前，一對一的光學開關(guān)用作商用系統(tǒng)，并且它們在串擾方面的性能是可接受的。相位渲染損耗實際LCOS裝置優(yōu)選地不渲染相位分布，因此引入附加的光損耗。在裝置中存在三種主要的相位誤差源：空間量化或像素化、相位量化和電場邊緣現(xiàn)象?？臻g量化LCOS裝置上的正方形像素用作在輸出平面上形成遠場的孔。所有的像素具有相同的形狀但在空間中偏移。全息圖平面上的空間偏移轉(zhuǎn)換成輸出平面中的相移。因此，在輸出平面上，每個像素的遠場將具有相同的振幅和位置但不同的相位。將所有像素的效應(yīng)加在一起，形成具有與單個像素的遠場相同形狀的遠處振幅包絡(luò)線。正方向像素的遠場是二維正弦函數(shù)，并且它由下述下式給出：ηsinc＝Fsinc2(uK)sinc2(vK)(5)其中K由下式給出：并且u和v是輸出平面上的歸一化的水平和垂直坐標。輸出平面的歸一化坐標在位置或偏轉(zhuǎn)角處一致。圖8示出填充因子一致時沿一個維度的正弦包絡(luò)線(實線)。厚灰線示出上表中示出的商用裝置的衰減范圍，虛線用于四個LOIS裝置。水平線示出歸一化偏轉(zhuǎn)角。當周期是兩個像素時，全息互連中的最大歸一化偏轉(zhuǎn)角是±0.5。在該空間頻率之上，出現(xiàn)混疊。在兩個尺寸中，正弦包絡(luò)線將形成頂帽函數(shù)。越靠近偏轉(zhuǎn)光束的中心，衰減越少。由于輸出平面上可用的面積有限，布置的端口越過，由更遠離零階的端口應(yīng)當承受更多的衰減。這在圖10中的二維等高線圖中示出。它對應(yīng)于填充因子一致時的情況。它顯現(xiàn)出，如果由正弦包絡(luò)線引起的最大-0.5dB損耗是可接受的，則僅使用中間等高線的面積。這對應(yīng)于總輸出平面面積的0.15分數(shù)。輸出端口可以放置在總面積上的面積比將由參數(shù)α表示。如果更好的損耗是可接受的，則α較大。對于可接受的損耗-3dB，α約為0.6，并且這增加有用輸出平面的面積和輸出端口的數(shù)量。實際裝置的損耗將由于減小的填充因子而降低。在圖9中給出針對由正弦包絡(luò)線引起的給定效率降低的有用面積的量。相位量化相位量化是由硅背板可以提供的有限范圍的電壓引起的。通常，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將提供驅(qū)動液晶晶胞的模擬電壓。更多的相位電平將增加DAC的復(fù)雜性并且會降低它的速度。因此，重要的是設(shè)計具有最少可能數(shù)量的相位電平的芯片。對于一般的多信道管波全息圖，不能分析地計算由相位量化引起的效率降低。然而，可以計算相位量化后的閃耀光柵的效率ηpq，并且它等于：其中p是可用的相位電平的數(shù)量，θ對應(yīng)于由像素引入的、相對于目標光點的相位的相位延遲。第一個方括號給出僅存在p個相位電平時光束的強度，第二個方括號給出存在無限的相位電平時光束的強度。效率是這兩者的比率。通過用不同的量化電平計算全息圖并且隨后比較它們的性能，估計用于具有多于一個輸出的全息圖的相位量化的影響。這在圖11中針對具有1個、10個和100輸出端口的全息圖被示出。每個效率點是從具有1024×1024個像素的15個不同的計算出來的。在32個相位電平之上，由相位量化引起的損耗是可忽略的。因此建議采用最多32個相位電平或每像素5位。彌散場和液晶變形LCOS裝置中的相位調(diào)制出現(xiàn)在被電場轉(zhuǎn)動至目標方位的液晶材料中。圖7示出了LCOS裝置上的液晶層的橫截面。當液晶晶胞的厚度增加時，與像素和頂部電極之間的電場相比，像素之間的電場增加。這為在全息圖上實現(xiàn)大的相變的相位分布，特別是閃耀光柵的2π相位躍變的相位分布形成平滑作用。這種2π相位躍變通常稱為回掃。計算具有一百萬個像素的大全息圖上的液晶行為在計算上是困難的。它需要整個裝置的連續(xù)介質(zhì)理論方程的解。存在少量計算上有效的近似來估計液晶的行為。在本文中，我們采用低通濾波器方法，其中相位分布是通過采用核函數(shù)對理想分布進行卷積而被估計的。核函數(shù)的形狀和寬度是通過采用有限元方法(FEM)軟件求解兩個相鄰像素的連續(xù)介質(zhì)理論方程而獲得的。彌散電場的影響，且因此核函數(shù)的寬度，隨著晶胞的厚度增加。因此，重要的是具有盡可能薄的晶胞但實現(xiàn)2π相位調(diào)制。在實踐中，較大的相位偏移用來減小液晶的最大轉(zhuǎn)角并且增大速度。用于最大相位偏移的晶胞的厚度由下式給出：其中Δn是液晶的雙折射率。項1/2出現(xiàn)是由于裝置是以反射運行的，因此波在入口和出口中被調(diào)制。對于2.5π相位調(diào)制，1.55μm波長和采用E7液晶，晶胞厚度是4.8μm。在FEM中采用連續(xù)介質(zhì)理論模擬這種裝置給出了低通濾波器的核函數(shù)。采用這種一維核函數(shù)，得到具有所有可能的偏轉(zhuǎn)角的閃耀光柵的效率，并且它在圖12中被示出。彌散場影響光柵的衍射效率，但理想正弦包絡(luò)線效率(虛線)之間的差小，并且從不大于-0.5dB。如果考慮兩個維度，則最大損耗將是-1dB。兩個曲線之間的最大差異在周期為大致四個像素，即，歸一化偏轉(zhuǎn)角為0.25時出現(xiàn)。兩個因素使圖12顯示最壞的情況。首先，在閃耀光柵中，所有像素的整個區(qū)域貢獻于輸出端口，并且因此效率一致。任何差異將肯定形成具有較低效率的分布。對于任何其它全息圖，每個像素都貢獻于多個輸出端口，并且其相位差異將對輸出具有更小的影響(這是通過將隨機噪聲添加至閃耀光柵和多信道廣播全息圖而被證實的，并且對后者的影響少)。其次，彌散場的一部分在像素邊界上出現(xiàn)，一些損耗已經(jīng)通過像素間間隙被估計。當像素間間隙的尺寸明顯地小于波長和液晶內(nèi)的傳播距離時，不能容易解決像素間間隙(可以通過求解各向異性液晶和金屬電極內(nèi)的麥克斯韋方程解決它)。彌散場確實改變輸出平面上的正弦包絡(luò)線的形狀，如可以從圖12看到它。因此，α作為損耗的函數(shù)也是如此變化。這種相當小的改變與正弦包絡(luò)線一起在下文的結(jié)果和討論部分中被求解。圖13示出用于具有LOIS的特性的裝置的、具有和不具有彌散場的閃耀光柵的衍射效率。輸出端口全息互連中的選定的輸出光纖的數(shù)量受到光纖的直徑和輸出平面上可接近面積的限制。輸出光點的定位可以由全息圖高精度地進行，但光點的點擴展函數(shù)(PSF)，即光點的尺寸，應(yīng)當與輸出光纖的芯體具有相同的尺寸(dFo)或更小。由具有直徑DFo的輸出光纖的覆層占據(jù)的面積占用有效空間，但沒有輸出端口可以放置在那里。假設(shè)矩形格柵，每個輸出端口將在輸出平面上占據(jù)DFo×DFo的面積(參見圖7)。整個輸出平面的面積由全息圖的最大偏轉(zhuǎn)給出，該最大偏轉(zhuǎn)為或給出(Nλf/L)2的遠場面積。然而，輸出平面的有效面積少，因為遠場的一部分被正弦包絡(luò)線高度地衰減。如果使用遠場面積的一部分α，則由于未使用高衰減區(qū)域，因此效率增加。這給出輸出光纖的總數(shù)量Smax，其等于通過考慮到輸出光點的尺寸2wo應(yīng)當小于或等于輸出光纖芯體尺寸dFo可以消除波長和焦距項，使得給出輸出端口的最大數(shù)量為上述方程式包含了五個因子。第一個因子α表明可以通過降低系統(tǒng)的效率增加輸出端口的數(shù)量Smax。第二個因子是由光纖的填充因子確定的并且等于光纖的橫截面面積與外切正方形的面積之比(對于六角形填集，這個比將為增加15％)。第三項由芯體相對于覆層的尺寸確定。對于單模光纖，這約為第四項由變跡確定。駕駛使用最佳變跡，則它將等于0.4。最后，最后一項是裝置上的像素的總數(shù)量N2。剛興趣的是注意到，輸出端口的數(shù)量不是波長或焦距的函數(shù)。還可以通過增加像素的數(shù)量將它增加任意的量，但它還應(yīng)當伴隨著LCOS有效面積L×L的適當增加，以保持α恒定并且因此保持損耗恒定。討論在之前的部分中，確定了影響全息互連的性能的參數(shù)。在本部分中，將系統(tǒng)作為整體進行考慮，并且聯(lián)系不同的應(yīng)用討論它的特性。面積裝置的有效面積可能是LCOS裝置的最重要的參數(shù)，因為它直接影響像素的數(shù)量、輸出端口的數(shù)量和成本。裝置的成本與它的面積直接關(guān)聯(lián)，大的裝置是不成比例地昂貴的。作為直到，商用硅芯片應(yīng)當足夠小以保持高的生產(chǎn)能力。IntelXeonx7460處理器例如具有503mm2的管芯面積，IntelXeonx5405具有214mm2的管芯面積。JVC4kLCOS裝置具有546mm2的有效面積。所提出的裝置具有范圍為從340mm2到9mm2的有效面積。即使具有340mm2面積的頂級LOIS裝置，在硅面積和成本方面，它也在當前制造技術(shù)的極限內(nèi)。注意到，光學互接中的LCOS裝置將僅是成本的小部分。安裝、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和其它設(shè)備將占據(jù)成本的大部分。這不像計算機和投影儀，其中產(chǎn)品價格分別由CPU和LCD的成本決定。像素的數(shù)量如果需要小的LCOS裝置，則面積可以減半至13.2×13.2mm。由于像素的數(shù)量減少，這種裝置(mLOIS)通過保持像素尺寸和像素間距相同但減半輸出端口而具有相同的損耗。如果需要甚至更小的有效面積，則9.1×9.1mm有效面積將引入相同的損耗，但具有四分之一的用戶。將考慮的最小的裝置具有2.9×2.9mm的有效面積。它仍將具有可接受數(shù)量的用戶和低的成本。在此尺寸以下，將不具有實質(zhì)的成本益處，并且光學設(shè)計將由小尺寸而變得復(fù)雜。輸出端口當單模光纖用于輸出端口時，它們的外徑是DFo＝125μm，并且芯徑是dFo＝10μm(參見圖3)。該裝置上的光束寬使得2wd/L＝0.4。對于所提出的LOIS芯片，N＝1024，L＝18.4mm。α的值被選擇以便實現(xiàn)效率和輸出端口的數(shù)量之間的目標折衷。對于α＝0.17，具有112個可用的輸出端口，而α＝0.59時，具有390個輸出端口。對于其中具有192個端口的圖7，α＝0.30。通過代替僅采用SMF，在SMF前方使用MMF、錐形光纖或微透鏡，端口的數(shù)量可以增加或者LCOS裝置的有效面積可以減小。對于短跨網(wǎng)絡(luò)，像小的鄰域或大的建筑物，其中光纖僅數(shù)百米長，MMF可以提供所需要的帶寬但具有較低的成本。當采用MMF時，芯體大致比SMF大62.5μm而不是10μm。然而，輸入光纖將保持具有小的芯體的SMF。為了使SMF的光束匹配MMF芯體，輸出平面應(yīng)當在光學上被擴大，同時，光纖的間距將保持相同。結(jié)果是，更多的MMF光纖可以被放置在輸出平面上，或者更小的裝置可以與更少的像素一起使用。如果比增加×6.25的因子，則類似的減少可以出現(xiàn)在N處。因此像素的數(shù)量可以從1024個像素降低至164個像素，具有2.9×2.9mm的有效面積，并且系統(tǒng)在端口數(shù)和損耗方面的能力將保持與表1相同。表1。LOIS裝置的總損耗采取兩種情況：當總損耗是-5。2dB(α＝0.59)時，以及當總損耗是-3。2dB(α＝0.17)時。端口的數(shù)量對應(yīng)于輸出中使用的SMF，并且在使用MMF增加imes6.252的因子。效率一些系統(tǒng)損耗受到輸出端口的數(shù)量的影響，一些系統(tǒng)損耗不受輸出端口的數(shù)量的影響。影響系統(tǒng)效率的所有因子在表1中示出。變跡和填充因子為互接帶來相同的損耗，與輸出端口的數(shù)量無關(guān)(參見部分1和2)。不同之處在于，全息圖效率(部分3和圖6)與輸出端口的數(shù)量相關(guān)聯(lián)。輸出端口S的數(shù)量是未知的，因此考慮最壞情況，其為-0.9dB。使用每像素位時的相位量化是可忽略的，并且可以容易地省略(參見圖11)。最后，應(yīng)當一起考慮正弦包絡(luò)線衰減和彌散場損耗。最壞情況是光束被偏轉(zhuǎn)最大角時。對于α＝0.59，該衰減是-3.2dB，而對應(yīng)α＝0.17，衰減是-1.1dB?？赡芨线m的平均損耗值也被計算在表1中示出。注意到，高損耗光纖(如，互接和用戶之間的長距離)應(yīng)當被放置為朝向輸出平面的中心，低損耗鏈接在外部區(qū)域上。將所有的損耗加在一起，系統(tǒng)的整體平均效率在具有112個端口時是-1.8dB，在具有390個端口時是-2.8dB。損耗也可以被視為用戶數(shù)量的減少。如果系統(tǒng)的激光源具有剛好足夠用于所有輸出端口的功率，通過降低效率，用戶的數(shù)量也減少。示例系統(tǒng)最終的系統(tǒng)取決于網(wǎng)絡(luò)的需求。最大用戶的數(shù)量Smax、成本和可用的功率(并且因此效率)是將決定LCOS芯片的特性的三個參數(shù)。一旦決定用戶的數(shù)量，則確定損耗(α)和像素的數(shù)量(N)之間的關(guān)系。在保持用戶的數(shù)量相同的同時增加像素的數(shù)量將增加有效面積L×L，并且因此增加裝置的成本。同時，α減小，并且因此損耗減小。第一個提出的系統(tǒng)將采用LOIS裝置。這種裝置將用于HDTV分配系統(tǒng)的中樞。到開關(guān)的輸入將是連接至在1.5μm或1.3μm處運行的激光的SMF。它將需要少于100個端口和低的損耗?？赡艿?，在任何點處僅連接10到20個輸出，因此，輸出光纖處的功率保持為高，但系統(tǒng)保持在鏈接故障的情況中將功率轉(zhuǎn)移到任何輸出的能力。第二個提出的系統(tǒng)也將具有作為輸入的連接至激光器的SMF。然而，該系統(tǒng)井用在鄰域內(nèi)，并且輸出端口將具有較大的直徑(MMF、錐形光纖、或具有微透鏡的SMF)。也可以采用850nm激光器。每個鄰域的用戶的數(shù)量將大于100個，并且它們?nèi)慷急贿B接。該裝置的成本將是更重要的因子，因為這些裝置中的更多個將被布置，因此將使用更小的LCOS裝置。可以采用具有-2.8dB至-4.4dB的損耗和約390個端口(在表1中α＝0.59)的nLOIS裝置。如果必要，VCSEL可以用作至互接的輸入。當VCSELS具有比激光大的光束寬時，當與SMF一起使用時所需要的放大倍率將小于×6.25。這有效地減少端口的數(shù)量。在這種情況中，當輸出端口是MMF并且輸入端口是VCSEL時，可以采用像它們一樣的裝置LOIS和μLOIS。同樣，如果光纖格柵具有250μm而不是125μm的間距，則輸出端口的數(shù)量將減少因子4。具有250μm間距的光纖帶狀電纜是廣泛可用的。再一次，具有更多像素的mLOIS和μLOIS裝置可以為開關(guān)提供必要的端口數(shù)，該開關(guān)為輸出采用MMF。因此，我們已經(jīng)研究LCOS裝置用于多信道廣播光學互接。提出了用于關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的特性-效率、輸出端口的數(shù)量、像素數(shù)量和裝置面積-的數(shù)學公式。這使得光學工程師最佳地使用該裝置的資源。提出了多個裝置，并且發(fā)現(xiàn)，甚至僅具有9mm2的有效面積的非常小的裝置也可以用于多信道廣播光學信號。具有高達339mm2的面積的較大的裝置可以用于將信號分配至具有非常小的損耗的SMF。輸出端口的數(shù)量和因此用戶的數(shù)量大，每個開關(guān)多于100個端口。還可以通過增大輸出端口的直徑增加它。結(jié)論是，LCOS裝置可以是不久的將來用于將光學信號多信道廣播至家庭的方法。它們的成本、靈活性、可靠性以及大量輸出端口使得它們是理想的解決方案。當激光器的功率增加，并且類似地，帶寬要求增加，變得更加清楚的是，在光域中進行信號分配是重要的，并且LCOS裝置可以以非常有效的方式進行這種分配。我們已經(jīng)描述的實施例技術(shù)原則上還可以應(yīng)用于液晶空間光調(diào)制器，而不是LCOSSLM形式。無疑地，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到多種其它有效的替換。將會理解，本發(fā)明不限于所描述的實施例，并且包括對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的、落入隨附權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)的修改。