WSS模块的LCoS开关面板的优化相位图案的预计算和应用方法

技术领域

本发明涉及用于预计算优化的相位图案并将其应用于WSS模块的LCoS开关面板的方法。

背景技术

本领域中使用波长选择开关(WSS)模块来选择光学通道的波长。一般来讲，WSS模块可具有光纤阵列、各种成像光学器件、衍射光栅和开关组件。一般来讲，开关组件可基于MEMS系统、液晶覆硅(LCoS)开关组件、液晶(LC)开关组件或其他技术。在当前WSS模块中，通常使用开关组件的LCoS或LC开关面板来控制输入光的入射角。

LCoS开关面板使用相位图案来将期望的衍射阶数转向期望的端口，并引导不需要的衍射阶数远离端口。例如，LCoS开关组件可使用由软件配置控制的LCoS开关面板上的全息图或相位图案来将进入模块的输入端口的各个波长分复用(WDM)通道选择性地引导到模块的输出端口中的任一个。控制通常基于“色散和选择”光学设计。具体地，来自输入端口的WDM通道被静态光栅沿着LCoS开关面板的平面处的色散轴衍射。然后，在LCoS开关面板的对应区域上显示的衍射相位图案(即全息图)可将通道切换到目标输出端口。

由于LCoS开关面板的可用像素数量有限，因此WSS模块使用变形光学器件来将各个WDM通道的波束在LCoS开关面板处转换为细长形状。因此，模块的输出端口沿着开关轴布置，所述开关轴与波束的色散轴正交。在这种配置中，从LCoS开关面板产生的不期望的衍射阶数可沿着该开关轴引导，并且可能引起端口之间的串扰。当WSS模块具有高端口计数时尤其如此。

用于在LCoS开关面板上生成相位图案的现有解决方案包括使用经典闪耀图案或使用实时相位图案处理。使用经典闪耀相位图案来将波束转向期望的端口需要在迭代校准过程中执行大量测试，以获得边际结果。使用闪耀相位图案的基于LCoS的WSS模块可能无法提供客户所需的端口隔离性能。像素化的相位和像素相互作用导致不需要的光衍射阶数，这些衍射阶数可能耦合到WSS模块的不期望的端口中。固定闪耀相位图案无法控制这些效应。

目前在工业中使用的WSS实时相位图案处理对更高阶全息图进行处理。在WSS模块校准期间，优化相位图案参数需要非常长的时间，并且在操作期间，所述处理需要WSS模块具有强大的计算能力和大的数据存储装置。因此，在WSS模块上实时执行这种处理可能非常昂贵和复杂。由于这个原因，实现WSS实时相位图案处理的复杂性受到WSS模块可用硬件的限制。

本公开的主题旨在克服上述问题中的一个或多个或至少降低上述问题中的一个或多个的影响。

发明内容

本文公开了一种用于处理输入波束的设备。所述设备包括多个端口、色散元件、开关组件和控制电路。所述多个端口由端口间距隔开，并且所述端口中的至少一个端口被配置为传输所述输入波束。所述色散元件被布置成与来自所述至少一个端口的所述输入波束光学通信并且被配置为将所述输入波束色散到光学通道中。所述开关组件被布置成与来自所述色散元件的所述光学通道光学通信。所述开关组件是基于液晶的并且具有多个可单独寻址像素。

所述控制电路被布置成与所述开关组件操作通信。所述控制电路存储多个全息图，所述全息图中的每个全息图与定义参数相关联。所述全息图中的每个全息图被配置为创建所述开关组件的所述像素的可重配置相位光栅轮廓。所述可重配置相位光栅轮廓中的每个可重配置相位光栅轮廓被配置为相对于所述端口中的一个或多个端口选择性地引导来自所述开关组件的所述光学通道中的一个或多个光学通道的一个或多个衍射波束的一部分。所述控制电路被配置为基于所述定义参数来选择所述全息图中的至少一个全息图并且被配置为基于所述至少一个所选择的全息图来控制所述开关组件。

一种用于处理输入波束的波长选择开关可包括上述设备。

本文公开了一种用于处理输入波束的方法。所述方法包括：从多个端口中的至少一个端口传输所述输入波束，所述端口由端口间距隔开；用色散元件将所述输入波束色散到光学通道中；存储多个全息图，所述全息图中的每个全息图与定义参数相关联，所述全息图中的每个全息图被配置为创建开关组件的可单独寻址像素的可重配置相位光栅轮廓；基于所述定义参数选择所述全息图中的至少一个全息图；以及通过根据所述至少一个所选择的全息图单独寻址所述开关组件的所述像素来相对于所述端口中的一个或多个端口选择性地引导所述光学通道中的一个或多个光学通道的一个或多个衍射波束的一部分。

公开了将模块配置为处理输入波束的另一种方法。所述方法包括：对所述模块的多个端口和开关组件进行建模，所述开关组件被布置成与光学通道光学通信，所述开关组件是基于液晶的并且具有多个像素，所述像素是可单独寻址的；确定用于操作所述开关组件的多个全息图，所述全息图中的每个全息图与定义参数相关联，并且每个全息图被配置为通过用所述可重配置相位光栅轮廓迭代地模拟来自所述开关组件的所述光学通道的衍射、将所述模拟衍射中的每个模拟衍射与所述定义参数处的目标性能进行比较并基于所述比较调整所述像素的可重配置相位光栅轮廓来创建所述像素的所述可重配置相位光栅轮廓；以及将所述多个所确定的全息图以及与其相关联的所述定义参数存储为所述模块能够访问的数据。

前述发明内容并不意图概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。

附图说明

图1示出了根据本公开的波长选择开关(WSS)模块的示意图。

图2示出了来自LCoS开关面板的相位光栅轮廓的衍射阶数图。

图3A示出了处于目标配置的WSS模块的示意图。

图3B示出了处于最终配置的WSS模块的示意图。

图4A示出了根据现有技术的经典闪耀相位图案的相位对像素数的曲线图。

图4B示出了由经典闪耀相位图案产生的不同角度的衍射波束的幅度的曲线图。

图5A示出了根据本公开的相位图案的相位对像素数的曲线图。

图5B示出了由图5A的相位图案产生的不同角度的衍射波束的幅度的曲线图。

图6A示出了确定要针对WSS模块存储的全息图的相位图案的过程。

图6B示出了图6A中的过程的更详细步骤的流程图。

图7示出了LCoS开关面板上的像素的阶跃相位图案和模糊相位图案的曲线图。

图8A示出了9.5dB衰减水平下所存储的全息图的相位图案的曲线图。

图8B示出了12.5dB衰减水平下所存储的全息图的相位图案的曲线图。

图9A至图9C示出了具有每个像素的相位值的相位图案和精细斜坡相位轮廓的曲线图。

具体实施方式

A.WSS模块

图1示出了根据本公开的波长选择开关(WSS)模块10的示意性透视图。一般来讲，WSS模块10具有光纤阵列20、偏振分集光学器件12、成像反射镜14、成像光学器件16、色散元件30和开关组件40。光纤阵列20包括用于WSS模块10的输入/输出端口22的输入/输出光纤。

在操作期间，输入/输出端口22发射和接收光学信号，所述光学信号可由准直器(未示出)准直。准直器可以是非球面透镜、消色差透镜、双合透镜、GRIN透镜、激光二极管双合透镜或类似的准直透镜。例如，输入信号从输入端口22穿过偏振分集光学器件12，所述偏振分集光学器件控制信号的偏振并最小化偏振相关效应。然后，将输入信号引导到色散元件30，所述色散元件在空间上分离输入信号的组成波长通道。色散元件30可以是如图所示的衍射光栅，或者可以是某个其他元件，诸如棱镜。

然后，将空间上分离的波长通道聚焦到开关组件40上，所述开关组件可选择性地引导空间上分离的波长通道，以便最终传递到输出端口22中的所选择的端口。开关组件40包括至少一个基于液晶的开关引擎。例如，图1中的开关组件40是液晶覆硅(LCoS)组件(例如，如本文所引用的LCoS开关面板)。成像反射镜14和其他成像光学器件16操纵光学信号以便适当地入射到衍射光栅30和LCoS开关面板40上。

图1中的WSS模块10作为示例呈现。根据本公开的其他WSS模块可具有不同的配置。在WSS模块10的一些具体实施中，偏振分集光学器件12可将输入信号分离为两个共偏振波束，并且变形光学器件可将输入信号扩展成色散元件30上的椭圆性波束斑。继而，色散元件30可将输入信号扩展成角度分离的波长，并且傅立叶透镜可将角分离变换为指向LCoS开关面板40的空间分离，所述LCoS开关面板具有调制光的可重配置相位光栅轮廓(本文中也称为“相位图案”)。不同波长的光被投射到LCoS开关面板40的不同部分中。在返回时，色散元件30将由LCoS开关面板40衍射的所有不同波长重新组合到各个输出端口22上。以这种方式，可将不同波长的光学信号选择性地引导到输出端口22中的所选择的输出端口。

一般来讲并且如图2中更详细地描述，LCoS开关面板40具有夹在透明玻璃层(具有透明电极)和硅衬底之间的液晶(LC)材料。透明玻璃层具有透明电极。硅衬底具有像素P的二维(2D)阵列，并且具有用于单独驱动像素P的CMOS电路(未示出)。电压信号向光学信号提供局部相位变化，从而提供产生LCoS开关面板40的相位图案的相位操纵区域的二维阵列。

像素P的电极可被精细地图案化。像素P之间的分离可以非常小，并且LC材料可以是LCoS开关面板40中的连续介质。由像素的电极施加到双折射LC材料的电场改变晶体的取向以引导波束的路径。

在使用期间，每个像素P可在单独的基础上被电子寻址/控制，因此像素P可引起局部相位延迟。然后，由LCoS开关面板40的像素P产生的相位图案可衍射全部或部分光。例如，LCoS开关面板40的相位图案可将光衍射到输出端口22中的一个或多个输出端口，或者可将光衍射到输出端口22之间的倾卸位置，以阻挡或衰减光。

LCoS像素P的可单独寻址性质允许创建动态相位图案，所述动态相位图案将每个波长通道选择性地转向期望的输出端口22，并且还修改通道的光谱形状以执行各种光学操纵效果。以这种方式，可根据相关联区域的LC材料的双折射状态，在LCoS开关面板40的预定区域处操纵由诸如衍射光栅(30)的衍射元件在空间上分离的各个光谱分量。

当操作时，LCoS开关面板40显示相位图案的全息图，以将输入波束转向输入/输出平面中的位置。全息图优选地覆盖光栅轮廓的足够数量的周期，使得输入/输出平面处的输入和输出波束可充分分离。由于在LCoS开关面板40上显示的相位图案由于其像素化性质而被量化，因此相位图案的实际衍射效率可取决于给定周期内的像素P的数量。由于LCoS开关面板40的相位图案，入射在LCoS开关面板40上的信号将以各种衍射阶数反射。

B.LCoS开关面板的衍射阶数

例如，图2示出了由LCoS开关面板40产生的相位图案的一些衍射阶数的图，其以简化的侧视图示出。

如在此所示和上面简要指出的，LCoS开关面板40包括设置在对齐层42和43之间的单元间隙G中的液晶层41。覆盖玻璃45a和透明电极45b被定位在对齐层42旁边。同时，CMOS电路衬底46邻近相对对齐层43定位。CMOS电路衬底46具有多个像素电极47，所述多个像素电极可单独寻址并且被布置成期望的二维阵列。可包括CMOS电路衬底46的反射下表面48以改进阵列的光学效率。

控制层49提供像素电极47与外部控制结构(未示出)之间的电接口，所述外部控制结构限定特定可重配置相位光栅轮廓(相位图案)。施加到各个像素电极47的电压导致液晶层41内的各个分子M旋转，并创建在面板40上显示为全息图的特定相位光栅轮廓(相位图案)，所述全息图将波束转向所选择的输出端口(22；图1)。例如，经由施加的电信号控制对应的像素扇区(即线性像素阵列的一部分)以显示相位图案的全息图，所述相位图案将一阶衍射波束引导/转向到输出端口(22；图1)。

在操作期间，不同的电压被加载到LCoS开关面板40的不同的单独像素电极47上。由于LC层41中的LC材料的双折射效应，不同的电压对应于不同的相位延迟。因此，LCoS像素阵列可被配置为表现出闪耀光栅的特性。可仅通过改变该伪闪耀光栅的光栅周期来控制入射光的衍射角，所述光栅周期通过调整施加到各个LCoS像素P的电压来提供。这种电压调整允许在WSS模块(10)的不同端口(22)处输出衍射光，从而实现WSS功能。

一般来讲，LCoS开关面板40上的像素P的相位图案可创建对应于线性光栅或闪耀光栅的周期性光栅全息图。例如，可跨LCoS开关面板40的区域产生周期性阶跃相移，以产生累积相位轮廓，也称为累积转向轮廓。通过用预定电压驱动每个单独的像素P以提供期望的相位变化来产生该转向轮廓。利用相位的周期性性质来降低所需的驱动电压。因此，周期性阶跃电压信号将产生周期性阶跃相移轮廓，所述周期性阶跃相移轮廓继而产生累积相位轮廓。当作用于各个波长分量时，相位轮廓提供转向角。因此，通过适当地调整周期性阶跃相移轮廓，可将波长分量选择性地引导到所选择的输出端口(22)中的一个或多个期望的输出端口。

然而，在操作期间，LCoS开关面板40的相位图案自然地产生不需要的衍射阶数。当来自WSS模块(10)的通信端口(22)的输入功率被LCoS开关面板40的相位轮廓衍射时，可使用一阶衍射将来自输入的主功率切换到期望的输出端口(22)。然而，由于相位轮廓中的缺陷，在不需要的衍射阶数(诸如二阶衍射和更高阶衍射)上始终存在一定功率。二阶衍射通常是唯一值得关注的阶数，因为相比之下，更高阶的功率可能相对较低。如果不需要的衍射阶数被转向靠近模块的端口(22)，则二阶衍射可能在端口(22)中引起更多的串扰。(在下面的讨论中，二阶衍射用作不需要的衍射阶数的示例，但根据本公开，但根据本公开也可处理更高阶数)。

C.WSS模块中的串扰

如背景技术中所指出的，图1中的WSS模块10的光学部件的精确对齐试图避免不需要的衍射阶数进入WSS模块10的输出端口22。该对齐过程需要时间来执行并且在WSS模块10被制造和密封之后被固定。每个WSS模块10在测试下被校准，以考虑制造公差等方面的任何差异。以这种方式，可表征WSS模块10的特定操作。WSS模块10的一个特定表征描述了LCoS开关面板40的转向梯度(即，与来自LCoS开关面板40的衍射波束相关联的相对于模块的端口22的角度以及与所制造的模块10相关联的其他几何考虑因素)。

即使进行了适当的测试、校准等，不需要的衍射阶数也可能击中输出端口22并在WSS模块10之后产生串扰。WSS模块10可在不同的操作参数下以不同的方式操作，诸如模块10的操作温度、通道的波长范围、通道的目标衰减水平、模块10的端口22的几何对齐、模块10的转向梯度等。

一般来讲，当不需要的更高阶衍射光(即，除一阶以外)耦合到未由WSS模块10在路由中有意选择的输出端口22时，发生串扰。串扰可能发生在组件级。例如，LCoS开关面板40的相位图案可能具有衍射低效率和缺陷，导致更高阶衍射波束无意中耦合到输出端口22。在组件级产生的串扰通常可通过LCoS开关面板40的电子控制来处理。

在模块级，通过模块的部件之间的空间布置和光学耦合产生串扰。例如，用于输出端口22的光纤的位置、任何透镜的孔径、LCoS开关面板40上的光场光斑、所使用的光栅的节距以及其他空间特性影响WSS模块10中的光学耦合。模块的空间布置最初被设计为使串扰最小化，使得更高阶衍射光的任何耦合效率优选地较低。尽管如此，在模块级发生的任何不准确、变化、改变等都可能改变模块部件之间的光学耦合，并产生串扰。

为了说明串扰，图3A示出了具有示例性目标配置的WSS模块10的示意图，而图3B示出了处于最终配置的WSS模块10的示意图。示意性地示出光纤阵列20和LCoS开关面板40。诸如衍射光栅、光学器件等的其他元件被简单地表示为图示特征11。

从光纤阵列20的通信端口22发射输入波束。具有来自输入波束的主功率的一阶衍射波束旨在被引导到期望的输出端口22，诸如如图所示的“端口2”。在该简化示例中，二阶衍射波束将以端口间距(d)的2.5倍进行衍射，以便不入射到输出端口22处并避免串扰。(可以理解，端口间距(d)通常可通过设计来设定和统一，但这不是严格必需的，因为本公开的教导也可应用于其他配置。在接下来的讨论中，假设所有端口之间具有均匀的间距(d))。

改变LCoS开关面板40上的波束入射角可调整零阶衍射波束与输出端口22之间的相对位置，以及二阶衍射波束与输出端口22之间的相对位置。如果零阶衍射波束的位置距输出端口22为半端口间距(d/2)，则二阶衍射波束的位置也位于距输出端口半端口偏移处。以这种方式，可实现高度端口隔离。

然而，实际上，在WSS模块10的组装和使用期间，二阶方向波束可从设计目标偏移超过半端口距离。在最坏情况下，二阶波束可能直接击中输出端口22中的一个输出端口，从而产生串扰。例如，图3B示出了二阶衍射波束如何偏移量Δd以便至少部分地入射在输出端口22(例如，端口4)，这产生了不期望的串扰。

D.具有先进全息图处理的WSS模块

在理解了WSS模块10及其操作(包括LCoS开关面板40、相位图案、全息图、串扰等)之后，现在讨论转向本公开的创新，其改进了WSS模件10的性能。

具体地，本文公开的技术优化了施加在LCoS开关面板40上的相位图案，这可显著减小不需要的衍射阶数的幅度，并因此改进WSS模块10的端口隔离性能。所述技术(在本文中称为“先进全息图”(AH)技术)用于优化由LCoS开关面板40生成的相位图案。

1.WSS模块的控制电路

回到图1，WSS模块10包括用于控制LCoS开关面板40的操作的控制电路50。控制电路50的特征优化了施加在LCoS开关面板40上的相位图案，因此可减小不需要的衍射阶数的幅度，并且因此可改进端口隔离性能。

控制电路50与LCoS开关面板40操作通信。例如，控制电路50可连接到LCoS开关面板40的驱动器42、控制器等或者是它们的一部分。控制电路50存储多个全息图68(例如，关键帧全息图)，所述多个全息图具有优化的相位图案。(可以理解，关键帧全息图68中的每个关键帧全息图可以任何合适的方式存储以供访问和检索，例如，作为要施加在LCoS开关面板40上的相位图案的值(诸如电压)的集合、表、方程或其他表示)。关键帧全息图68中的每个关键帧全息图与定义参数相关联，所述定义参数将在后面更详细地讨论。(在一种配置中，所述定义参数可以是从模块的端口输出的通道要达到的目标衰减水平，但也可使用其他参数)。

关键帧全息图68中的每个关键帧全息图被配置为创建LCoS开关面板40的像素P的可重配置相位光栅轮廓(本文中也称为相位图案)。所述可重配置相位光栅轮廓中的每个可重配置相位光栅轮廓被配置为相对于模块的端口22中的一个或多个端口选择性地引导来自LCoS开关面板40的光学通道中的一个或多个光学通道的一个或多个衍射波束的一部分。(例如，一阶衍射波束被引导到期望的输出端口22，而不需要的更高阶波束被引导远离端口22，诸如在端口之间)。在操作期间，控制电路50被配置为基于定义参数来选择关键帧全息图68中的至少一个关键帧全息图以作为输出全息图58输出，并且被配置为基于至少一个所选择的输出全息图58来控制LCoS开关面板40。

如一般所示，控制电路50包括处理单元52和存储器54。处理单元52可使用任何合适的处理器来执行与模块10相关联(并在所述模块处执行)的计算，并且存储器54可使用任何合适类型的存储器来存储模块10的信息。存储器54存储关键帧全息图68，并且控制电路50的固件具有各种软件和功能模块55、56、57，以选择、确定、内插等适当的关键帧全息图58以便在WSS模块10的操作期间用于LCoS开关面板40。

功能模块55中的一个功能模块可用于从所存储的关键帧全息图68中选择输出关键帧全息图像58以便由模块10使用。功能模块56中的另一功能模块可用于提供对整个关键帧全息图58的转向角的精细调整，以在将所确定的相位图案施加到给定模块(10)时实现最佳性能。功能模块57中的又一功能模块可用于从所存储的关键帧全息图68中内插输出关键帧全息图像58以便由模块10使用。下面提供这些功能模块55、56、57的进一步细节。

2.离线生成关键帧全息图的模拟

如本公开的背景技术中所指出的，标准闪耀相位图案可能具有较差的端口隔离和性能。此外，对于WSS模块，实时处理更高阶全息图需要强大的计算能力和大的数据存储装置，这在实际中是不实际的。与这些旧技术相比，本文公开的关键帧全息图68的处理最初是使用外部计算机系统60离线计算的。如仅一般所示，外部计算机系统60包括适当的处理单元62和存储器64。计算机系统60用于WSS模块的初始校准、建模和设置。继而，特定WSS模块10独立于系统60在现场操作和使用。因此，计算机系统60可以具有比用于WSS模块10的计算机系统更强大的处理和存储功能。

计算机系统60使用各种软件和功能模块65、66、67来产生具有本文讨论的先进全息图信息的关键帧全息图68。功能模块65中的一个功能模块模拟并优化关键帧全息图68的阶跃相位图案，而功能模块中的另一功能模块使用模糊函数来模糊阶跃相位图案，以更好地模拟LCoS开关面板40的实际操作。功能模块67中的又一功能模块在关键帧全息图68之间进行内插以保持一致性。下面提供这些功能模块65、66、67的进一步细节。

在先进全息图处理技术期间，外部计算机系统60离线生成并存储关键帧全息图68。关键帧全息图68包括针对一定范围的转向角的相位图案阵列。针对转向角的每个相位图案具有任意长度，并且可在LCoS开关面板40上重复，以在WSS模块10的操作期间使用时产生全相位图案。另外，每个转向角包含从接近0dB到期望的最大衰减的一组有限的衰减水平。生成这些组的衰减水平，以便可通过相位图案的内插来生成中间衰减水平。例如，线性内插可用于在至少两个所选择的全息图之间内插中间全息图。也可使用其他更复杂形式的内插。

3.将关键帧全息图与控制电路结合使用

一旦生成关键帧全息图68，所述关键帧全息图就存储在各种WSS模块上，诸如在此所示的给定WSS模块10。例如，关键帧全息图68存储在模块的存储器54中以供以后检索和使用。然后，在操作期间，WSS模块10的控制电路50获得与WSS模块10相关联的当前参数。所述当前参数可从存储器检索，可从外部输入接收，或者可与WSS模块10的测量特性相关联。控制电路50找到存储在存储器52中的全息图68中具有至少与当前参数相关联的定义参数的至少一个全息图，并检索所述至少一个全息图68以供使用。

优选地，在WSS模块10上存储关键帧全息图68需要模块10中很少的存储空间。以这种方式，WSS模块10不需要增加的处理能力和大的存储器，从而实现了WSS模块10的硬件的成本有效的解决方案。如上文另外指出的，在WSS模块10的校准期间优化相位图案可能花费极长的时间。然而，利用所公开的先进全息图处理技术预先计算的关键帧全息图68的优化相位图案可显著减少WSS模块10的校准时间，从而减少产品周期时间和成本。

计算机系统60上的处理使用模拟、多个迭代循环、模糊函数和其他技术来模拟优化过程中的相位和衍射。然而，就其本身而言，由控制电路50执行的处理涉及查找、选择、比较和其他功能。控制电路50还可执行内插以获得中间解。

例如，在操作期间，WSS模块10的控制电路50从存储装置中检索这些预先计算的关键帧全息图68，并使用所述预先计算的关键帧全息图中的至少一个关键帧全息图作为输出全息图58，以用于控制LCoS开关面板40以提供期望的转向和衰减。基于WSS模块10的目标性能，控制电路50可将预先计算的全息图68直接用于输出全息图58，或者控制电路50可使用内插模块57对新的衰减水平或其他参数内插中间相位图案。为了进行这些操作，控制电路50在执行选择和插值时需要最少的计算。

此外，控制电路50可以通过使用斜坡模块56直接添加/减去对相位图案的精细斜坡调整来执行特定于WSS模块的校准的角度调整。以这种方式，WSS模块10可在其使用的相位图案中实现高性能和复杂性，并且WSS模块10在使用预先计算的全息图68时仅需执行最少的计算。最后，所公开的先进全息图技术使串扰最小化并优化WSS模块10的期望性能。

如所指出的，控制电路50存储并使用具有预先计算的相位图案的关键帧全息图68来控制LCoS开关面板40，并且控制电路50可对每个像素P添加相位增量以产生精细相位斜坡。如下文所讨论的，精细相位斜坡调整预存储相位图案以实现预存储相位角的小而均匀的调整。以这种方式，控制电路50可填充在预先计算的相位图案组中使用的离散角之间的任何转向角间隙。控制电路50可执行上述操作以调整WSS模块10中因环境变化(诸如温度和取向)而引起的变化。控制电路50还可对可选择的波长和波长范围执行上述操作。

在先进全息图处理技术中，施加到LCoS开关面板40的相位图案被像素化。调整像素化电压以优化性能，包括但不限于使每个端口22上与所需衍射峰的插入损耗(IL)以及与不需要的衍射峰的端口隔离最小化。为了说明这一点，图4A示出了根据现有技术的经典闪耀相位图案的相位对像素数的曲线图100，并且图4B示出了相对于WSS模块的端口的示例性布置，从经典闪耀相位图案产生的不同角度的衍射波束的幅度的曲线图110。

如图4A所示，LCoS开关面板的可单独寻址像素在离散水平下操作，因此相位图案具有阶跃相位102。像素的相位值在该经典闪耀相位图案102中具有均匀步长。示出了阶跃相位102以及模糊相位104和相位差106。

由这种相位图案产生的衍射可能很高。如图4B所示，示出了相对于各种转向角(rad)的衍射波束112的幅度(dB)。示例性WSS模块中的端口的位置118以其对应的转向角被绘制。为了便于说明，使用九个端口的端口位置118作为示例。输出端口范围(R)涵盖WSS模块的所有输出端口。

在该示例中，示出了在端口位置118中的一个端口位置处的给定端口(即，第一端口)的期望衍射峰114。例如，该衍射峰114可对应于以WSS模块的第一端口位置118的转向角从LCoS开关面板(40)转向的一阶衍射波束。然而，也产生不需要的衍射峰116(诸如来自更高阶衍射波束)。不需要的衍射峰116在所有其他输出端口位置118的范围内具有相对高的幅度。因此，这些高衍射峰114将导致端口位置118处的不良端口隔离，并且可能产生串扰。

与图4A的相位图案和图4B所产生的不需要的衍射峰相比，本文公开的先进全息图处理技术允许非均匀相位步长。具体地，图5A示出了根据本公开产生的关键帧全息图的相位图案的相位对像素数的曲线图120，并且图5B示出了相对于WSS模块的端口的示例性布置，从图5A的相位图案产生的不同角度的衍射波束的幅度的曲线图130。

图5A中的相位图案112调整每个像素上的相位步长以改进性能，从而产生非均匀的相位步长。这些非均匀相位步长用作下面讨论的优化过程中的变量。

图5B示出了使用先进全息图处理技术优化的由图5A的相位图案产生的计算的衍射峰132。如图所示，示出了相对于各种转向角(rad)的衍射波束132的幅度(dB)。同样，WSS模块中的端口的位置138以其对应的转向角被绘制，并且输出端口范围(R)涵盖WSS模块的所有输出端口。

在该示例中，示出了第一端口位置138处的第一端口的期望衍射峰134。同样，该衍射峰134可对应于以WSS模块的第一端口位置138的转向角从LCoS开关面板(40)转向的一阶衍射波束。

如前所述，也产生不需要的衍射峰136(诸如来自更高阶衍射波束)。不需要的衍射峰136在所有输出端口位置138的范围(R)内显著减小，而第一端口的需要的衍射峰134仍然很高。因此，减少了不需要的串扰的机会，因为可以较低幅度的不需要的衍射峰136来实现更好的端口隔离。

E.先进全息图处理技术的细节

现在讨论转向用于执行本公开的先进全息图处理技术以产生具有LCoS开关面板的像素的优化相位光栅轮廓的关键帧全息图的过程。

图6A示出了用于确定要针对WSS模块存储的关键帧全息图的相位光栅轮廓(例如，相位图案)的先进全息图处理技术150的流程图。图6A的技术150使用如先前所指出的外部计算机系统(60)以离线模拟的方式实现。

图6A中示出了先进全息图处理技术150的主要步骤。首先，根据底层WSS模块的设计来初始化具有特定像素周期的基本相位图案(框152)。基本相位图案可以是用于底层WSS模块的标准闪耀图案。WSS模块(10)的每个输出端口与LCoS开关面板(40)的特定转向角相关联，所述特定转向角进一步与图案的周期相关联。

先进全息图处理技术150以循环方式通过多次迭代来执行。技术150模拟由LCoS开关面板(40)的主体相位图案产生的波束向所有可能的特殊方向的衍射(框154)。在每次模拟时，计算机系统(60)检查不需要的衍射波束的峰值是否低到足以满足目标参数(例如，目标衰减水平)(判定156)。

如果衍射峰低到足以满足目标水平(判定156处为“是”)，则计算机系统(60)可最终输出相位图案的每个像素的像素化电压以便用作本公开的关键帧全息图(框162)。然而，在输出当前关键帧全息图之前，如果需要，技术150可首先检查当前关键帧全息图是否适用于将在WSS模块(10)处执行的内插。因此，使用目标参数处的当前关键帧全息图以及使用增加目标参数处的先前关键帧全息图，技术150内插中间参数的中间相位图案(框158)。技术(158)检查不需要的衍射波束的峰值是否低到足以满足中间参数(例如，中间衰减水平)(判决160)。如果是(判定160处为“是”)，则可输出当前参数处确定的当前关键帧全息图的相位图案以供WSS模块(10)稍后在操作期间使用。否则，需要附加迭代(判定160处为“否”)。

当技术160执行主要优化迭代166时，衍射峰可能被确定为太高而不能满足目标水平(判定156或160处为“否”)。在这种情况下，基于与目标性能的差异来相应地调整当前相位图案的像素化电压(框164)，并且通过模拟衍射(框154)、检查相对于目标参数的峰值(判定156)等来重复主要优化迭代166。

主要优化迭代166在该周期内连续地稍微调整每个像素上的电压，直到衍射峰达到目标水平。最后，每个像素的相位步长被输出为关键帧全息图(68)以用于WSS模块(10)。如先前在图1中所指出的，针对一组目标(例如，衰减水平)生成一组此类关键帧全息图(68)，并将其存储以供WSS模块(10)使用。

先进全息图处理技术150的迭代可能包含许多子循环，其中一些子循环在图6B的流程图中示出。多个优化迭代循环170可使用任何系列的优化子循环170来提供所产生的相位图案的改进的性能和优化速度。在此示出若干广义子循环172作为示例。所述优化包括：

·在图案周期中尝试不同数量(N

·尝试与转向角相关联的不同整数组(N

·使用经典闪耀图案和随机相位调制进行多次(N

·执行Gerchberg-Saxton(GS)算法的多个(N

·执行顺序最小二乘规划优化算法(SLSQP)的多个(N

·针对不同的目标水平(例如，衰减水平)执行多个(N

·执行SLSQP的多个(N

·执行随机尝试的多个(N

·执行SLSQP的多个(N

在图6B的迭代中可以使用各种迭代、尝试次数、循环次数和步骤顺序。在此呈现的步骤是示例性的。当以目标参数的不同值执行循环时，可使用目标掩码、范围或列表192。另外，在模拟循环中使用模糊函数194以更好地模拟LCoS开关面板(40)上的相位及其衍射。(该模糊函数对应于图1中的计算机系统60的模糊模块66)。

F.模糊函数的示例

为了说明模糊函数，图7示出了LCoS开关面板(40)上的像素(P)的阶跃相位图案202和模糊相位图案204的曲线图200。还绘制了差异206。如所指出的，LCoS开关面板(40)是像素化装置，并且面板(40)上的相位图案202的电压是阶跃函数。然而，由于LCoS开关面板(40)的液晶LC的自然模糊效应，由LCoS开关面板(40)显示的实际相位不是阶跃函数。模糊程度取决于LCoS几何形状和材料的性质。为此，在对阶跃相位图案202的模拟中使用模糊函数来产生模糊相位图案204，所述模糊相位图案更好地模拟LCoS开关面板(40)上的相位。

如图7所示，模糊相位图案204是在对阶跃相位图案202使用模糊函数之后产生的。该模糊相位图案204用于本文参考图6A至图6B公开的先进全息图处理技术(150)和子循环迭代(170)的衍射模拟中。模糊函数可使离线模拟更接近LCoS开关面板(40)的真实世界性能，并且当模块(10)导入离线生成的优化关键帧全息图(68)时，可显著减少模块的校准时间。

G.内插函数的示例

如先前参考图6A的先进全息图处理技术(150)中的内插所指出，对于定义参数，可针对不同参数值(例如，衰减水平)下的相位图案建立特定相关性。这可使内插对于任何衰减水平更加无缝。在过程(150)的迭代期间，以几个衰减水平生成与关键帧全息图相关联的一组相位图案。过程(150)可以0.5dB衰减水平的第一关键帧全息图开始，并且可以衰减水平的不同增量构建关键帧全息图。在过程(150)的内插检查(框158)和模块(10)的控制电路(50)两者中，针对中间衰减水平的中间相位轮廓将使用来自两个相邻关键帧全息图的内插图案。

例如，图8A示出了具有针对定义参数在9.5dB衰减水平下优化的阶跃相位图案212的关键帧全息图的曲线图210。同时，图8B示出了具有在12.5dB衰减水平下优化的阶跃相位图案222的另一关键帧全息图的曲线图220。对于这两个关键帧全息图210、220还示出了由本文公开的模糊函数产生的模糊相位图案214、224以及差异216、226。

在离线模拟和模块操作期间，可在这两个关键帧全息图210、220之间内插中间关键帧全息图。例如，离线计算机系统(60)包括内插模块(67)，所述内插模块被配置为在关键帧全息图之间进行内插并确定衍射峰是否满足目标衰减水平，使得所生成的关键帧全息图(68)具有一致性。此外，图1中的模块(10)的控制电路(50)还包括内插模块(57)，以在模块(10)上存储的关键帧全息图(68)之间进行内插。(如所指出的，描述了线性内插，但也可使用其他形式的内插。)

例如，控制电路(50)的内插模块(57)被配置为选择关键帧全息图(68)中具有在中间参数值的两侧相关联的定义参数的至少两个关键帧全息图。在这种情况下，内插模块(57)可在中间参数值(诸如11.0dB衰减水平)的两侧上选择9.5dB衰减水平下的所存储的关键帧全息图(图8A)和12.5dB衰减水平下的所存储的关键帧全息图(图8B)。然后，内插模块(57)可在所存储的关键帧全息图之间内插中间关键帧全息图，使得控制电路(50)可基于中间全息图(58)来控制LCoS开关面板(40)。

如上文所指出，图6A至图6B的迭代过程优选地避免了当模块(10)执行如上所述的内插时，在针对不同参数值配置的相位图案中产生大的变化。为此，图6A至图6B的迭代过程优选地使用来自先前确定的关键帧全息图的相位图案作为初始相位图案，以在参数的新增量值(例如，衰减)处生成后续关键帧全息图。因此，在迭代以优化关键帧全息图的相位图案期间，图6A至图6B的迭代过程可使用来自图8A中9.5dB衰减水平处的先前确定的关键帧全息图的相位图案作为初始相位图案，以生成图8B中新增加的12.5dB衰减处的后续关键帧全息图。

此外，如先前所指出，图6A至图6B的迭代过程(150)优选地在生成新的关键帧全息图时包括附加约束。在优化期间，检查具有中间相位图案(即(keyframe

H.精细斜坡调整的示例

可以理解，每个制造的WSS模块(10)的端口位置可能由于制造装配公差等而偏离设计位置。使用精细斜坡调整模块(56)，控制电路(50)可向WSS模块的操作添加或减去精细斜坡角度，以在将来自关键帧全息图58的所确定的相位图案施加到给定模块(10)时，提供对整个复制图案的转向角的精细调整，从而实现最佳性能。

例如，控制电路(50)存储并使用具有预先计算的相位图案的关键帧全息图(68)来控制LCoS开关面板(40)。控制电路(50)可为每个像素P添加相位增量以产生精细相位斜坡。继而，精细相位斜坡调整预存储相位图案以实现预存储相位角的小而均匀的调整。以这种方式，控制电路(50)可填充在预先计算的相位图案组中使用的离散角之间的任何转向角间隙。控制电路(50)可执行上述操作以调整WSS模块10中因环境变化(诸如温度和取向)而引起的变化。控制电路(50)还可对可选择的波长和波长范围执行上述操作。

作为示例，图9A至图9C示出如何将具有精细斜坡的调整添加到相位模式的转向角。在图9A中，关键帧全息图的相位图案230示出了LCoS开关面板的一组像素的相位值。对于每个像素，相位值的范围可从0到255。出于例示性目的，示出了具有由相位图案产生的高斯分布的波束轮廓232。在图9B中，示出了用于添加到所确定的相位图案230的精细斜坡相位234。最后，在图9C中，示出了具有添加到其上的精细斜坡相位的校正相位图案236，其可提供对来自LCoS开关面板(40)的转向角的精细调整。

以上对优选实施方案和其他实施方案的描述并不旨在限制或约束申请人所构想的发明概念的范围或适用性。受益于本公开将理解，根据所公开主题的任何实施方案或方面的上述特征可在所公开主题的任何其他实施方案或方面中单独或与任何其他描述的特征组合利用。

作为公开本文所含的发明概念的交换，申请人期望获得所附权利要求所提供的所有专利权。因此，所附权利要求旨在包括落入所附权利要求或其等同物的范围内的全部修改和改变。