微软专利介绍多模光波导网络的全息数据存储系统

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全息数据存储系统

（映维网Nweon 2023年03月07日）光波导是一种可以通过全内反射引导光束的光学元件。波导可以是“多模”，即物理尺寸足以支持一系列的传播模式。这与限制在基本上单一的传播模式的单模光波导形成对比。单模光波导只能使用振幅、相位或频率调制来传输数据，但多模光波导允许通过波导内的角度变化来传输更多的数据，例如具有潜在数百万像素的整个图像。换言之，多模波导通过增加角度和/或空间分集，为任何给定信道（不同的路径对应于不同的传播模式）提供从发射器到检测器的多个光路，从而提供更大的带宽。

波导网络的一个示例应用是全息存储。作为说明，全息存储技术是一种利用激光全息摄影原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术。传统的存储方式将每一个比特都记为记录介质表面磁或光的变化，而全息存储中将信息记录在介质的体积内，而且利用不同角度的光线可以在同样的区域内记录多个信息图像。全息储存有望成为下一代的高容量数据存储技术。

在名为“Waveguide network”的专利申请中，微软就介绍了一种多模光波导的波导网络。概括来说，这项发明描述了一种全息数据存储系统，它使用一个或多个波导网络在全息记录介质上进行空间复用。在实施例中，多模波导可用于将整个数字图像同时传送到全息记录介质或从全息记录介质传送，或以多个可能角度中的一个角度传送参考光束。

为了在一个或多个全息存储介质实现空间复用，以减少或消除对机械移动的需要，可以使用有源导光柱、无源导光柱或有源和无源导光柱的组合。

有源导光柱是指一种具有一个或多个有源开关元件或其他导向元件的波导管。其中，相关元件可配置，以实现“一对多”的光学传输（即光从第一表面区域引导到多个可能的第二表面区域之一），或者“多对一”光学传输（即光可以从任何一个第二表面区域引导到相同的第一表面区域）。

无源导光柱则是指具有不同光学灵敏度的引导元件的导光柱。

数字图像（或编码为数字图像的数据）可以作为光束沿着有源或无源导光柱传播。有源导光柱的引导元件可以被单独控制以透射或反射入射光束。

这样的导光柱（有源、无源或两种类型的组合）可以以不同的几何形状组合，以创建一个开关网络，并用于在一个或多个空间维度中将光束和图像引导到众多可寻址位置中的一个。例如，可以使用空间光调制器（SLM）创建导光柱的输入，并在CCD（电荷耦合器件）读取输出。相位干扰和噪点可以使用光学和计算技术的组合来校正，包括机器学习技术。

与传统上用于光数据通信的光纤不同，专利描述的实施例使用能够一次传输整个图像的导光柱，并实现高带宽传输。

图3A和3B示出了具有特定物理结构的有源导光柱300的示例图。

有源导光柱300显示为具有至少第一表面区域300–0和多个可切换布拉格光栅（SBG）形式的有源开关，其可以在表面上或体积上嵌入。在示例中，在波导300的第一表面300-S1上示出了两个这样的SBG 300–1、300–2。

每个SBG 300–1、300–2都可以单独控制，以改变其反射/透射属性，从而传输或反射入射光束。SBG 300–1、300–2形成有源导光柱300的各个表面区域。

第一表面区域300–0是波导300的端部区域，波导的第一侧表面300-S1从该端部区域沿着波导300的轴线301延伸。

SBG 300–1、300–2沿波导300-S1的第一侧表面与第一区域300–0的距离增加，其中第一SBG 300-1最靠近第一区域300-0。

图3A和3B描绘了“一对多”的使用情况，其中第一表面区域300–0充当耦入区域，SBG 300–1、300–2的第二表面区域充当耦出区域。作为示例，图3示出了第一光线304，其经由耦合内区域300–0耦合到波导300中。

每个SBG 300–1、300–2都可配置为在反射状态和透射状态之间切换。在图3A显示的配置中，第一SBG 300–1处于反射状态，导致入射光线300从其反射，返回波导300，并沿着波导300引导，直到到达第二SBG 300-2。SBG 300–2显示为处于透射状态，导致光线304通过第二SBG 300-2衍射出波导300，从而通过第二SB G 300–1的表面区域耦出波导300。SBG 300–1、300–2的这种配置在第一表面区域300–0和第二SBG 300-2的表面区域之间创建了穿过波导300的“通道”。

相反，图3B显示了处于透射状态的第一SBG 300–1。因此，第一光线304在到达第一SBG 300–1时，改为通过第一SBG 300-1衍射出波导300，从而改为经由第一SBG 300-1的表面区域耦出波导300。这种配置在第一表面区域300–0和第一SBG 300–1的表面区域之间创建了穿过波导300的通道。

以此方式，可以引导第一光线304从第一区域300–0穿过波导300，并在SBG 300–1、300–2中的任何一个的表面区域处离开波导300。

SBG仅仅是有源开关元件的一种可能形式。例如，对于偏振光束，可以使用附接到波导300的表面或嵌入波导主体内的可控偏振滤波器来实现相同的效果。SBG和可控偏振滤波器是非机械有源开关的示例，它们可以通过非机械效应改变波导300的光学属性。

当使用偏振滤光器作为引导元件时，SBG 300–1、300–2可替换为无源衍射元件，偏振滤光器根据需要以可控方式将光束引导至无源衍射元件或从无源衍射元件引导离开，而无需重新配置衍射元件。

注意，即使当引导元件本身是机械的时，这依然避免了波导300作为整体的机械运动的需要。

图4A和4B示出了包括第一和第二有源导光柱400、420的波导网络（部分）的替代侧视图。第二导光柱420具有第一表面区域420-0，第一表面区域与第一导光柱400的对应表面区域相邻并对齐。

作为示例，示出了光线404通过第一波导400传播到第一波导400的对应表面区域，而所述表面区域与第二波导420的第一表面区域420-0相邻。射线404经由附接到第一波导400的相邻表面区域的SBG 400–1耦合出第一波导400，并经由第一表面区域400–0耦合到第二波导420。

从那里，它可以以一对多的方式被引导到第二波导420的多个SBG 420–1、420–2中的任何一个。相同的布置可以用于以多对一的方式在另一方向上引导光束，从第二波导420进入第一波导400，其中光线方向相反。

相关专利：

Microsoft Patent | Waveguide network

https://patent.nweon.com/27053

名为“Waveguide network”的微软专利申请最初在2022年8月提交，并在日前由美国专利商标局公布。