CN103443700B - 光束路由设备和方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

光束路由设备和方法
技术领域
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
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、WO03／021341、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(WavelengthSelective Reconfigurable Optical Cross-connect)”中找到，并且WO2007／131649“形成图像的方法和图像投影装置(Method of Forming An Image And Image ProjectionDevice)”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 correctionin an adaptive free-space optical interconnect with an error diffusionalgoritbn)”(APPLIED OPTICS，pp.3782／第45卷第16号／2006年6月1日)、A.A.Neil，M.J.Booth，and T.Wilson在J.Opt.Soc.Am.A，17，1098(2000)的“新形式波前传感器：理论分析(New modal waveffont sensor：a theoretical analysis)”(()、Gil LeyvaZambada D.的剑桥大学博士学位论文(http://search.lib.cam.ac.uk／？itemid=| depfacaedb|565372)第7章的“自适应光学自由空间互连的全息波前优化(Holographicwave front optimisation on an adaptive optical free-space interconnect)”、以及W.A.Crossland、I.G.Manolis、M.M.Redmond、K.L.Tan、T.D.Wilkinson、M.J.Hohnes、T.R.Parker、H.H.Chu、J.Croucher、V.A.Handerek、S.T.Warr、B.Robertson、I.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示教器(Holographic optical switching：the ROSESdemonstrator)”()中找到。
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。
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
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。
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)。
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Appliedoptical optics386692(1999)的“(利用失真衍射光栅的同时多平面成像simultaneousmultiplane 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。
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)。
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(1enslet 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。
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π／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ω0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ω0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。
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％、1％、2％、5％、10％或20％。例如，在一个实施例中，散焦为在25mm中的大约310μm，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。
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。
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)。
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+l或-l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。
所述设备可以具有多个光学输出以提供多点传送(multi-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。
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。
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2π相位轮廓实现)。
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(～1百万)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)。
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。
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上显示的开诺全息图中。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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
本发明还提供包括用于实现如上所述的方法的设备。
附图说明
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：
图1a至1c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；
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；
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；
图4示出了利用可见光测试波前和编码的实验系统；
图5示出了用于偏转至位置4的闪耀光栅的能谱(-22.5μm的周期)，其中所测得的数据归一化到0dBm输入能量；
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；
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；
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)；
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)；
图10示出了当单模光纤沿着用于衍射级m＝0、+/-1、2和3的+1阶焦平面(平面F1或F2)平移时的理论耦合效率变化；目标光纤相距输入轴35μm，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；
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；
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10log10(强度))；
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；
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；
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；
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；
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；
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)；
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)；
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；
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
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
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。
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。
空间变化和空间不变的切换方案
基于LCOS技术的光开关可以采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。
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LCOSSLM106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(θ)=λ/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=f×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。
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。
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SLM1 206上的一组子全息图，所述SLM1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。
波前编码的细节
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。
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在此示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F2一段距离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。
现在参考图1b，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104一个焦距-例如透镜104会连接至SLM的图1b的布置不是必要的)
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：
其中s是输出距焦点的位移，f是傅里叶变换透镜的焦距，而fH是透镜在全息图(开诺全息图)上的焦距。m=+1阶在用于给定散焦值s的输出光纤面处聚焦的条件是：
作为离轴透镜偏移pL的函数，在光纤面处的+1光束的位置pB可以显示为：
图1c示出了根据本发明的采用波前编码的光束路由设备150的简单实际实施例。再次地，与图1b中的那些相同的元件用相同的参考数字表示。图1c中的设备包括数据处理器160，所述数据处理器160具有选择输入162以接收用于选择一个(或多个)输出的输出选择数据，以将输入光束(或多个光束)指引所述一个(或多个)输出。数据处理器160还提供用于用选定的开诺全息图数据驱动SLM106的驱动输出164，以及非易失性存储器166，所述非易失性存储器166存储用于显示的开诺全息图以i)将输出光束路由至选定的输出以及ii)对选定的输出施加波前修改校正。
现在参见图2c，这示出了我们所描述的应用至WDM切换结构的波前编码技术的实施例。为了解释图2c的运作，首先考虑图2b，图2b示出了WDM开关220，其中独立的、空间分离的、周期性的闪耀光栅显示在SLM上，以将来自一个输入光纤的光路由至多个输出光纤。
系统包括：线性单模态输入/输出光纤带阵列222；与光纤阵列具有相同间距的微透镜阵列228并且这些微透镜具有实质上相等的焦距；焦距为f1的准直透镜230；有角度地分散WDM波长的静态透射光栅(复用器/解复用器)232；焦距为(f1)/2的柱面透镜234；以及反射型空间光调制器236。
在图2b中，每个波长具有在SLM236上显示的它自己的子光栅238。这实质上上是基于傅里叶变换的互连，其中输入/输出面位于透镜的前焦平面，而SLM位于后焦平面。输入数据224被路由至输出226，输入数据的不同波长分量可以被路由至不同的选定的输出。
光从左边经由中心光纤进入，并且相应的微透镜将在开关输入面P1处的光束腰输入模场半径从5.2μm转换至50μm。这种模式转化的原因在于确保进入开关的光束具有发散性以与SLM光束导向性能、静态解复用光栅的受限发散角度、以及覆盖用于有效衍射的足够数量的SLM像素相匹配。输入光束由准直透镜进行准直，由静态衍射光栅解复用至线性分布的多个波长，所述多个波长通过柱面透镜聚焦到SLM上的椭圆形光束阵列中，以备获取有角度的偏斜。在一个已构建的布置中，光束覆盖y方向上的400个像素和x方向上的5个像素。偏斜在yz面上。光束接着折回，由衍射光栅复用，并且在SLM处实现的任何有角度的偏移被转换为在微透镜阵列处的位置偏移。光接着通过在每个光纤之前的微透镜聚焦以最大化耦合效率。因此，采用在第一个专利中所描述的技术，通过显示(路由至一个光纤的)闪耀光栅或者通过对超过一个或多个光纤的全息图，按照需要独立地路由单个波长。
优选地，为了确保被发射至每个光纤的光垂直于光纤并且被聚焦在SLM面上的波长垂直于用于每个波长的SLM，我们将系统布置成使得光学器件是双远心的。这表示从面P1至准直透镜的距离=f1，从准直透镜至SLM面的距离=f1，从准直透镜至柱面透镜的距离=(f1)/2，以及因此从柱面透镜至SLM的距离=(f1)/2。
柱面透镜在x方向上将每个波长聚焦至束腰，同时光仍然在y方向上被准直。因此，由于衍射级都聚焦在同一面上，图2b的系统具有与图1a中所示的系统类似的串扰特性。
现在回到图2c，这示出了根据本发明实施例的采用波前编码的WDM开关250的示例，其中象差由第二柱面透镜引入。
为了减少串扰，我们通过放置焦距为f2的第二柱面透镜252与原始柱面透镜正交对准，如图2c中所示的，有目的地在zy面上引入光的散焦。这不会显著地影响光在xz面上的聚焦，尽管我们沿具备的z方向移动SLM的位置以补偿第二柱面透镜的厚度(注意第二柱面透镜252也可以放置在第一柱面透镜234之前)。然而，yz面上的光不再被准直，但是会聚。如果我们显示闪耀光栅，那么在光纤面处聚焦的光会是像散的，并且会不再有效耦合到输出光纤中。然而，如果我们显示非周期性的开诺全息图，在这种情况下作为校正焦距的离轴柱面透镜，目标阶不再是像散的，并且因此有效耦合至目标光纤。然而，离轴柱面透镜的其它衍射级进一步产生象差，并且不能有效地耦合。因此，通过增加柱面透镜以使得输入光产生象差并且通过显示经补偿的开诺全息图，可以减少开关中的串扰。每个波长具有它自身的分开的子开诺全息图(并且采用我们共同申请的UK专利申请案GB1102715.8中所描述的技术，这些可以针对最佳性能进行优化)。
图3说明了与图1b中类似的光束路由设备180，但是集成有空间滤波器182。这在零阶焦点114的位置处提供光阻挡(light block)以衰减零阶。本领域技术人员要理解的是可以将类似的空间滤波集成到本发明的其它实施例中。此外，本领域技术人员要理解的是采用此方法可以减少在互连图案的变化期间发生的瞬时串扰。当相位光栅从周期T1重新配置成周期T2时，可以将光功率衍射至所有输出位置，因为在LCOSSLM上显示的光栅由于正在变化的图案的周期性而改变。虽然这可以通过采用步进式重新配置的方式减轻(在有限数量的步骤中改变相位图案以最小化串扰)，但是这会增加总的重新配置时间。然而，如果我们采用波前编码方法，那么可以减轻瞬时串扰。在图案正在变化的同时，在输出光纤处不存在对光学能量的局域化，因为在当切换图案时缺少对称性。
波前编码的实验验证
图4示出了用来测试波前编码的概念的实验系统400。来自光纤耦合674nm二极管激光器404的经准直光束402经由分束器408和包括透镜L2(f=100mm)and L3(f=150mm)的4f中继系统入射到反射向列LCOS SLM406上。这两个透镜对于这里所描述的技术不是必须的，但是用于测试目的，因为它们允许相关人员控制光束入射在SLM上的位置(同时平移将光束扫描过器件的透镜)。透镜L2和L3将SLM面成像在中间面410上，它们包括缩小光学器件(这增大了衍射光的角发散)。
SLM的光束入射具有2.4mm的高斯型光束半径(1／e2强度)。入射光通过在SLM上显示的相位图案被衍射，而该衍射光的一部分通过分束器被反射，并且通过重放面处的L4(f=200mm)聚焦，其中120μm×155μm尺寸的矩形孔被用于一次通过一个衍射级，并且采用大面积光电探测器测量最后得到的能量。SLM具有15μm×15μm的像素大小、0.5μm的无信号区(dead space)。采用0至2π之间的25个离散相位等级来在500×500像素上显示图案。
初始地，一组闪耀光栅被定义将+1阶偏转重放面F1上的十二个目标位置之一。理论光束半径和测得的光束半径分别为26.8μm和31μm。这些目标位置位于距离光轴±200、±400、±600、+800、±1000和±1200μm处。对于闪耀光栅来说，偏转位置δ和周期T之间的关系如下：
目标数量和物理位置之间的关系在表1中给出。该关系考虑了中继透镜L2和L3的影响，这形成SLM相位图案在中间SLM面410处的缩小图像。
目标位置 (相对于光轴(μm))的物理位置
1 -1200
2 -1000
3 -800
4 -600
5 -400
6 -200
7 +200
8 +400
9 +600
10 +800
11 +1000
12 +1200
表1-十二目标光斑位置
为了使得这些非周期性光栅特性化，当将SLM环绕以偏转+1阶至所有十二个目标位置时，测得在每个测试位置处的功率，最终得到12×12的功率矩阵。图5示出了用于这种非周期性闪耀光栅(周期=22.5像素)的典型能谱。可以看到，除了目标+1阶，在各阶仍然存在明显的光。正如所提及的，高的串扰值是由于诸如相位量化误差、临时变动和产生非理想相位图案的像素边缘效应等的影响。
基于非周期性相位图案的一组波前编码全息图还被计算，以在面F2中偏转+1阶至相同的横向位置。为了这个测试，简单地将图案定义为焦距fH=1.0米并偏移距离pL的离轴透镜。这导致用于+1阶的重放面被朝向L4平移的距离s=90mm。
在图4中，透镜Li的焦距为Li。回来参见前面的方程式，在图4的布置中，L4等于f，傅里叶变换透镜的焦距。在下面的方程式中，离轴透镜在全息图面上的偏移(位移)用yH表示，这相当于之前的术语pL。在中间SLM图像面410中，相应的位移用yH2表示，并且全息图fH的有效焦距在缩小后变成fH2。那么，用于第m阶的散焦d(m)和+1阶的横向位置pB的几何光学器件设计方程式为：
术语yH2和fH2表示如图4中所示的缩小的离轴透镜在中间SLM面处的有效焦距和透镜偏移，并且与原始离轴透镜fH和偏移yH(pL)的关系如下：
和
因此，如果我们考虑中继系统透镜L2和L3，那么原始SLM开诺全息图图案的缩小提高了散焦。测试孔被移至这个新的面，并且重复测量。理论(采用高斯型光束模型计算)的光束半径和测量所得的半径分别为27.8μm和39.5μm。
图6示出了采用闪耀光栅或者波前编码图案被偏转至12个目标位置时在+1阶中衍射功率的变化。可以看出，衍射效率没有明显变化，其中闪耀光栅和所测得的波前编码全息图的衍射效率分别为86.5±4.0％和88.4±2.8％。图7示出了了用于样品偏转位置(位置12)的串扰矩阵。当我们在除了一个以外的所有的情况下采用波前编码系统时，串扰能量被明显抑制(当SLM被配置成将光偏转至另一个位置时，光被非故意地偏转至位置12)。我们观察到被定义为最差情况下的闪耀光栅性能和波前编码系统性能之差的串扰抑制比12.6dB(精确值)大得多。
图8示出了针对闪耀光栅图案和等价波前编码图案两者的在每个测试位置处的最大串扰，表示当施加散焦时总是抑制串扰。实验性地，波前编码系统具有小于等效波前编码图案的最大串扰12.6dB。然而，所测得的光斑尺寸提高27.3％，原因在于难以显示离轴透镜的更高的空间频率以及在输出面处各个阶之间的干涉。
波前编码在基于光纤的开关中的应用
为了展现光纤应用的这种技术的潜力，基于图1中所示的设计建立模型。它是基于单模态光纤和反射性SLM，该单模态光纤在1550nm处具有5.2μm的高斯型模式半径、25mm的焦距透镜，相位图案仅在该反射SLM上显示。图案，一组闪耀光束和一组焦距fH=-1.0米的空间非周期性离轴衍射透镜针对35μm的输出端口分离度而进行优化，其中八个输入端口绕着输入端对称布置。这允许我们采用光导元件以将光纤带的250μm间距转换为35μm。因此，在波前编码系统的情况下，基于设计方程式(1)-(3)采用0.31mm的散焦s。考虑到光的高斯型光束传播特性，可以进行稍微的修改。
我们可以采用高斯型光速计算分析图1(b)的系统，其中ηmt为第m阶至第t光纤或波导的(理论)耦合效率。为了显示ηmt是如何取决于散焦的，采用射线追踪包Zemax运行模式重叠积分分析以显示当探头光纤被平移穿过输出面时各种衍射级如何耦合至探头光纤。结果在图10中被绘制出，用于最优化以从光轴偏转+1阶至目标位置35μm的全息图。顶部子曲线和底部子曲线示出了标准系统和波前编码系统的各自的特性。在以闪耀光栅为基础的系统中，每阶有效耦合，因为穿过光纤面探头光纤被扫描，当测试光纤离光轴精确地为±140μm时最大损耗为-0.45dB。在波前编码系统中，仅+1阶被有效耦合，损耗为-0.72dB。计算得到的穿过所有八个输出光纤的最大损耗为-0.77dB(图11)。这考虑了如下事实：入射光束不再平行于散焦系统中光纤的光轴，以及通过采用非傅立叶变换布置中的透镜引入的象差。在此示例中，波前编码减少针对噪声阶的ηmt至少13.5dB。
为了计算实际串扰能力，我们应该考虑在这些阶中的光能量。基于实验工作，波前编码图案的最大串扰是缘于零阶(相对的，它包含总能量的3.9％，因为SLM没有抗反射涂层)。这在图8中被验证，在图8中，我们看到最高串扰发生在离零阶最近的位置处(位置6和7)。(然而，采用合适的抗反射涂层会减少零阶能量，并且采用考虑了液晶材料性能的迭代算法可以实现进一步减少-我们的GB1102715.8-和／或通过采用空间滤波技术，正如图3中所描述的)。通过将相同的零阶能量外推到波前编码的光纤开关，最大串扰会是[10log10(0.039)-13.5]dB=-27.6dB。然而，正如可以从图10(b)和图12中看到的，光束散焦在平面P2两端将来自所有噪声阶的光进行展宽。因此，应该通过连贯地计算所有阶的场之和并且施加模式重叠计算来确定串扰。此外，当我们耦合到光纤的主模时，光纤开关的插入损耗还取决于输出光斑尺寸。在674nm处，测得的光斑尺寸与等效闪耀光栅相位图像相比提高27.3％。如果我们假设在1550nm处同样的展宽，插入损耗提升-0.3dB。采用分数阶快速傅立叶变换(在下一部分中讨论)可以计算耦合至第t光纤或波导的能量，以确定在光纤面的能量分布。如果我们整体施加模式重叠，我们可以确定串扰。采用分数阶快速傅立叶变换的重放场的计算的示例在图12中示出。
开诺全息图图案的最优化
当重放场位于透镜的傅立叶面处时，采用诸如Gerchberg-Saxton程序的迭代算法，傅立叶变换可以被用以设计用于光束导向开关的开诺全息图。在以有目的地引入散焦为基础的波前编码系统中，我们不再使重放场位于重放透镜的傅立叶面处，但是位于纵向平移距离s的一些替换面处，使得z2=f+s。因此，我们应该采用一些其他变换以将开诺全息图面处的场与重放面关联。一个这种算法是分数阶傅立叶变换。(一个替换计算方法是将一个或多个光学输出作为点光源并且将波从这些点光源传播回来以在选定面处定义理想的相位和幅度，直至达到开诺全息图)。
分数阶傅里叶变换
数理角度
分数阶傅里叶变换是用在光学器件、信号处理、和量子力学上的公知函数。从单纯的数理角度，它可以表示如下：
其中
术语简单地是系统常数，并且当a=1时，我们得到标准傅里叶变换。经检查，我们可以推出方程式(9，10)的形式是因为增加到傅里叶变换的二次相位因子，透镜施加在光学场上的相同种类的因子。
从光学器件角度
傅里叶变换直接关系到空间频率分量的输入场，所述空间频率分量组成该场。有很多文字描述了分数阶傅里叶变换，因为涉及相同的中间面的输入场，其可以被描述为由于包括空间元件和频率元件的组合[参见，例如，H.M.Ozaktas and D.Mendlovic，“Fractional Fourier optics(分数阶傅里叶光学器件)”，J.Opt.Soc.Am.A，12，pp743-748(1995)；以及L.M.Bernardo，“ABCD matrix lormalism of fractional Fourier optics(分数阶傅里叶光学器件的ABCD的矩阵形式)”，Opt.Eng.35，pp732-740(1996)]。
包括输入面、输出面和在两者之间的一组光学器件的任何光学系统可以用(在射线追踪和高斯型光束传播理论中采用的)ABCD矩阵表示。根据S.A.Collins，Lens-SystemDiffraction Integral Written in Terms of Matrix Optics(根据矩阵光学器件书写的透镜系统衍射积分)”，J.Opt.Soc.Am，60，pp1168-1177(1970)，通过透镜系统的衍射可以用ABCD矩阵定义，这导致输出场相对于输入场和ABCD矩阵系数的总表达式如下：
如果ABCD矩阵符合特定对称条件(see Collins，ibid)，我们可以将方程式(13)重新布置成与方程式(9-12)相同。因此，我们得到分数阶傅里叶变换。存在两种标准配置，罗曼型I和II几何学[A.W. Lohmann，“Image rotation,，Wigner rotation，and thefractional Fourier transform(图像旋转，维格纳旋转和分数阶傅里叶变换)”，J.Opt.Soc.Am A，10,2181-2186(1993)]。第一(透镜位于输入面和输出面之间的半途中)，我们感兴趣的是当它最接近采用散焦表示波前编码时的瞬间，这必然造成从SLM到聚焦透镜的距离和从聚焦透镜到重放面(+1阶焦面)的距离都等于f+s，其中f为聚焦透镜的焦距，而s为散焦。如果是这种情况，我们可以表示如下：
让我们假设我们得出的分数阶傅里叶变换系统如图13中所示，包括单透镜、以及位于该平面的前方距离z1处的输入场EH(x,y)、以及位于该平面的后方距离z2=z1处的输出场，其中，生成场EI(u，v)。一般地，我们设定z1=f+s。比例因子ξ与输入场和重放场的横向比例s相关，采用变换x′=x/ξ，y′=y/ξ，u′=u/ξ，和v′=v/ξ，得到的值为：
因此，如果s=O，我们得到a=1和ξ2=λf，并且方程式(9)简化成图1a那种类型的光学系统的标准傅里叶变换关系：
利用分数阶傅里叶变换的好处之一在于它可以用快速傅里叶变换表达，从而允许重放场的快速计算和优化，正如Ozaktas等人的[H.M.Ozaktas，O.Arikan，M.A.Kutay，andG.Bozdagi，“Digital computation Of the fractional Fourier transform(分数阶傅里叶变换的数字计算)”，IEEE Transactions on Signal Processing，44，2141-2150(1996)]所描述的。通过这种快速傅里叶变换方法的衍射元件的设计在Zhang等人的[Y.Zhang，B.Z.Dong，B.Y Gu，and G.Z.Yang，“Beam shaping in the fractional Fouriertransform domain(分数阶傅里叶变换领域的光束成形)”，J.Opt.Soc.A，15，1114-1120(1998)]和Zalevsky等人的[Z.Zalevsky,D.Mendlovic，and R.G.Dorsch，“Gerchberg-Saton algorithm applied to the fractional Fourier or the Fresnel domain(应用在分数阶傅里叶或菲涅耳领域的Gerchberg-Saxton算法)”，光学器件Letters21，842-844(1996)]中被报道。它们的分析显示应该符合特定的取样标准以确保重放场的精确表示。为了规避这一问题，相关人员可以采用由Testorf[M.Testorf，“Design of diffractiveoptical elements for the fractional Fourier transform domain：phase-spaceapproach(用于分数阶傅里叶变换领域的衍射光学元件的设计：相位-空间方法)”，Appl.Opt.45，76-82(2006)]得出的等效光学系统方法。这实现了用于任何分数阶的重放场的计算。在Testorf的分析中，图13的罗曼类型I系统用图14中所示的等效的三个透镜系统取代。输入面紧接在第一透镜之前，而输出面紧接在最后的透镜之后。从第一透镜至中心透镜的距离为ff，而从中心透镜的距离同样是ff。第一透镜和最后的透镜的焦距为f1，而中心透镜的焦距为ff。此系统具有带用于分数阶傅里叶变换所需的对称性的ABCD矩阵，如果我们根据以下设定fF和f1的值：
fF=fsin2φ (17a)
其中f为图1b中的透镜的焦距，并且由方程式(14)得出。
在L Bernardo的论文“ABCD matricx formalism of fractional Fourieroptics(分数阶傅里叶光学器件的ABCD矩阵形式)”(ibid)中，显示如何用分数阶FFT描述其中照亮输入面(SLM面)的光束不是平面的光学系统。这是适用于如上所述的基于散焦的波前编码系统的情况。
让我们来考虑图15a，其显示了图1b的开关，所述开关展开到透射系统中以更加清楚地涉及光学系统参数如何影响分数阶傅里叶变换的公式。输入光纤位于PIN面，同时输出光纤位于PR面(两者均等同于图1b中的F2)。透镜L1和L2是相同的，焦距为f。让我们来考虑其中z2=f+s的情况，其中s是正的。入射到∑H上的波前因此会聚，而在距离处d0聚焦的光束来自透镜，如图所示。从∑H到焦面的距离由dH=d0-z1得出。结果，∑H处的入射光束的曲率半径ρH=-dH由如下给出：
其中如果入射在全息图上的光束聚焦在∑H的右侧，那么ρH是负的，并且正值似乎来自于∑H左侧的虚拟焦点。通过将薄透镜公式应用到图15b中得出方程式(18)。根据Bemardo and Soares[L.M.Bemardo and O.D.Soares，“Fractional Fourier transformsand imaging(分数阶傅里叶变换和成像)”，J.Opt.Soc.Am.A，11，2622-2626(1994)]的分析，当全息图面用非平面波前z2表示时，分数阶傅里叶变换是有效的，必须相关的z1和ρH如下：
因此，我们可以确定z=的最优值，通过结合方程式(18)和方程式(19)并且解决得到的二次方程以得出z1=f+2s，使得图15(a)的系统实现分数阶傅里叶变换。如果我们满足这个条件，图15的系统(入射到SLM上的非平面光束)转化成图13中所示的情况(入射到SLM上的平面光束)。然而，现在我们得出z1=z2=f+2s，其中a为由利用修改后的透镜焦距fp的方程式(14)得出：
该比例焦距和新值考虑了入射到全息图面上的非平面光束的属性，并且根据这些新的参数，我们可以利用之前描述的等同的模型表示法计算波前编码开关中的量子化SLM的重放场。参考图15(a)，聚焦入射波前而在重放场处曲率半径为-ρH所需的全息透镜fH的焦距必须使得离开SLM的+1阶的曲率的波前也是-ρH。这确保衍射自SLM的光最优地聚焦到输出光纤中。因此，从几何形状的光学器件
fH=-(1/2)ρH (21)
注意上述分析对于能传送的SLM是有效的。在图3的反射SLM的情况下，所需的焦距为方程式(21)的负的。
从开诺全息图最优化角度
正如由示例方式所示的，分数阶FFT直接符合“乒乓”算法。(笼统地讲，“乒乓”算法包括：例如随机或者基于初始目标重放场初始化用于开诺全息图的相位分布，计算开诺全息图的重放场，修改重放场的放大的分布但是保持相位分布，将此修改后的重放场转化为升级后的开诺全息图，并且接着重复计算步骤和修改步骤以会聚在所需的目标重放场上)。
傅里叶变换是快速的，因此很好地适用于计算重放场并且优化标准傅里叶平面系统中的开诺全息图相位图。根据Ozaktas等人的[H. M.Ozaktas，O.Arikan，M.A.Kutay，andG. Bozdagi，“Digital computation of the fractional Fourier transform(分数阶傅里叶变换)”，IEEETransactions on Signal Processing，44，pp2141-2150(1996)]，可能将方程式(9-12)转化为利用标准FFT和IFFT的形式。还有可以用来计算波前编码系统中的重放场的其它算法(例如直接菲涅耳积分)。然而，根据Ozaktas等人，采用基于菲涅耳积分的方案使用了O[N2]计算，同时采用它们的执行方案，我们利用了O[N×log(N)]步骤。假设对于光学几何相关的限制是可以接受的，那么这比其它方法更快。
采用Testorf提出的等效方法，我们仅用四个步骤计算重放场EI(U，V)。首先，我们考虑任何振幅谱而用Ein(x，y)表示的平面波前入射在SLM上(如图3中所示的传送)。假设假想的LCOS SLM显示用α(x，y)表示的全相位全息图，其中0≤α(x，y)<2π。结果所传送的波前EH(x，y)是这两个词的产物。在步骤2中，图13的第一透镜f1将平方相位曲率传至EH(x，y)上。在步骤3中，中心透镜ff在离开透镜f1的波前上执行傅里叶变换。最后，图13的最后的透镜f2将平方相位曲率传至波前上，使得输出场FI(u，v)确定如下：
其中f1=f2。我们把它写成E1(u，v)=FrFFT(EH(x，y))。在实际计算中，我们为步骤3采用FFT，其中空间取样相当于SLM面的N×N像素。因此，在所有面上的场都在N×N光栅上被空间上均匀地抽样，抽样u的坐标确定如下：
其中Δ是像素尺寸，而n是从-N／2至N／2变化的整数。相同的比例因子将x与y关联。如图12中所示的，此技术可以被修改成处理二维开诺全息图和重放面。
在图3的系统的情况下，其中入射光束是非平面的，我们设定z1=f+2s和z2=f+s。为了将这个转化为图14的模型，用方程式20计算有效焦距fp。我们接着设定f=fp并且用方程式14，17a和17b计算fF和f1。在全息面处的波前现在作为平面被处理，但是具有原始振幅分布-例如高斯型。这允许我们计算开诺全息图最优化所需的重放。
对于分数阶傅里叶变换的进一步背景信息，可以参考以下来源：H.M.Ozaktas，“The Fractional Fourier Transform：with Application in Optics and SignalProcessing(分数阶傅里叶变换：在光学器件和信号处理中的应用)”，John Wiley&Sons(2001)；A.W. Lohmann，“Image rotation，Wigner rotation，and the fractionalFourier transform(图像旋转、维格纳旋转和分数阶傅里叶变换)”，J.Opt.Soc.AmA，10，pp2181-2186(1993)；I.Moreno，J.A.Davis，and K.Crabtree，“Fractional Fouriertransform optical system with programmable diffractive lenses(带可编程衍射透镜的分数阶傅里叶变换光学系统)”，Appl.Opt.42，pp.6544-6548(2003)；D.Palima and V.R.Daria，“Holographic projection of arbitrary light patterns with a suppressedzeroth-order beam(具有抑制零阶光束的任意光图的全息投影)”，Appl.Opt.46，pp4197-4201(2007)；S-C Pei and M-H Yeh，“Two dimensional fractional Fourier transform(二维分数阶傅里叶变换)”，Signal Processing67，99-108(1998)；以及X.Y.Yang，Q.Tan，XWei，Y Xiang，y.Yan，and G.Jin，“Improved fast fractional-Fourier-transformalgorithm(改进的快速分数阶傅里叶变换算法)”，J.Opt.Soc.Am.A，21，1677-1681(2004).分数阶快速傅里叶变换码可从以下网站获得：www2.cs.kuleuven.be／～nalag／research／software／FRFT／-对于1D码，和www.ee.bilkent.edy.tr／～haldun／fracF.m-对于2D码。
案例1-利用Gerchberg Saxton算法优化傅里叶平面系统中的开诺全息图
图16a显示重放场而图16b显示随后的开诺全息图图案，当我们采用GerchbergSaxton算法优化相位图像时。这是“乒乓”算法的示例。用于产生开诺全息图的程序以Matlab码为基础，其具有基本形式：
gin=Amplitude distribution of input field(Gaussian profile assumed)
grossout=Desired output field(the target function).例如(如果我们具有GN可选址的输出点。
grossout=zeros(GN)；
grossout(position1)=1；
grossout(position2)=1；
设置两个点具有相等的幅度，而其他点具有零幅度
对于此计算，SLM包括像素大小为15μm的400像素的线性阵列，其中SLM用在波长1550nm处的光束半径为2mm的准直的高斯重放场照射。重放位置定位成离光轴-0.75mm，而相位值被允许采用0和2π之间的任何值。
图16a显示理想重放(下不曲线)的情况，其中在均匀施加穿过所有像素的闪耀光栅中存在1O％误差(上部曲线)。可见，串扰在与较高和对称阶相关的位置处提高。典型地，在基于光纤的开关中，光纤会被定位在这些位置，因为在均匀节距上可获得低成本光纤带。
案例2-利用修改后的Gerchberg Saxton算法优化散焦系统中的开诺全息图
为了利用被写为FrFFT[field，a]的a阶分数阶FFT优化重放场，我们可以将Gerchberg Saxton“乒乓”算法修改为如下所示(可以可替换地采用其它算法，尤其是其它“乒乓”算法)。
gin=Amplitude distribution of input field(Gaussian profile assumed)
grossout=Desired output field(the target function).例如，如果我们具有GN可寻址的输出点
grossout=zeros(GN)；
grossout(position1)=1；
grossout(position2)=1；
将两个点设置为具有相等的幅度，并且其他点具有零幅度
这里，利用在off-the-shelf码中可获得的标准FFT可以执行分数阶傅里叶变换FrFFT。我们利用FrFFT[field，a]的反FrFFT可以用FrFFT[field，2-a]计算的事实[例如参见Ozaktas，ibid]。
图17a显示重放场而图17b显示随后的开诺全息图图案，当我们采用修改后的算法优化相位图像时。这种算法假设采用案例1中所用的相同的系统参数，其中相位值可以采用0和2π之间的任何值。可以看出，对于完美的图案(蓝色曲线)，重放场几乎等同于案例1中的重放场。图17a还显示其中开诺全息图中的10％误差均匀施加所有像素的情况(上曲线)。可见，串扰提高，但是在重放场上分布。当我们考虑用于确定多少光被实际耦合至光纤的模态重叠积分时，串扰可以被抑制超过一个阶的幅度。
带FrFFT的多点传送
图18显示应用在图1a的系统的多点传送，具有利用案例1算法优化的开诺全息图并且假设连续相位范围在0和2π之间。图18(a)显示当我们多点传送至两个离散位置(距离光轴-0.25mm和-0.5mm)时在傅里叶面处的重放场。图18b显示开诺全息图的相应的相位轮廓。从图18a，我们可以看到光主要被偏转至所需位置，但是有效能量似乎在更高阶位置处。为了减少这种能量，我们可以将所描述的进一步优化技术应用到我们同时申请的UK专利申请案GB1102715.8中。
图19显示当我们利用案例2的算法并且假设连续相位范围在0和2π之间执行带波前编码图案的多点传送时的类似性能。系统参数还是之前给出的那些(f＝200mm，s＝40mm等)。图19a显示处于输出面处的重放场，而图19b显示开诺全息图的相位图案。可以看出，性能几乎是相同的(图18a和图19a)。因此，相关人员可以认为波前编码在这种情况下没有优势，因为串扰仍然发生在相同点处。基本上，波前编码开诺全息图在重放体积(±1，±2，±3，...)焦平面中的多个面处重复下层的多点传送图案。然而，在非理想SLM的情况下，我们描述技术仍然可以从SLM的各种非理想方面减轻基本衍射光“噪声”，正如之前所述的。
利用锁和键方法的多点传送
为了解决上述问题，我们可以认为互连不是对平面的，而是对3D体积的。由于光纤带是扁平的并且光纤被紧密地包裹，一个方法是利用扁平的光纤带和微透镜阵列，其中每个微透镜刻面具有不同焦距，正如图20中所示的，以执行“锁和键”方法。
参见图20，这显示了图1c的设备的输出部分的修改例，以提供工具本发明的实施例的多点传送输出阶段800。输出阶段包括通过微透镜阵列804出现在光学输出路径之前的光纤阵列802，阵列中的每个透镜具有不同焦距。因而通过选择在微透镜阵列之前聚焦的+1衍射级所在的中间面(P1，P2)，通过选择编码在开诺全息图上的(离轴)透镜光学能力，提供仅对选定输出的有效耦合。
考虑单光纤和焦距为f1的微透镜。在一个示例系统中，来自SLM的光束聚焦在自微透镜的距离z1并具有束腰w1。从光纤至微透镜的距离为d，并且在输出光纤处的理想束腰为wf。z1、f1和w1之间的关系和输出束腰(z2)的位置和束腰尺寸(w2)之间的关系是公知函数。在缺少光束削波(beam clipping)的情况下(微透镜的孔径＜光束的直径)：
对于最大耦合效率，z2＝d而w2＝wf。所耦合的能量的实际百分比可以用光纤的模式重叠积分进行计算。
如果我们具有N根输出光纤和N个输出微透镜刻面，每个具有确切的焦距fn，以有效耦合至第n根光纤，我们应该得到位于理想值z1(n)处的入射光束。这最好通过参考图20进行解释。这里，我们由五条入射光束，所有都聚焦在微透镜阵列前的中间面P1处。由于每个微透镜刻面具有不同的焦距fn，那么光束相对于光纤阵列(实线射线)聚集在不同位置处。结果，仅一根光束有效耦合(顶部通道)。然而，如果SLM显示将光聚焦在不同的中间面P2(虚线射线)处的相位图案，那么底部通道高效耦合。因此，对于两根光纤n和n′的多点传送采用了两个散焦值z1(n)和z1(n′)，以匹配微透镜焦距fn和fn′。为了连接至n和n′，我们采用不同焦距的两个透镜函数。基本理念是当它们散焦时，较高阶的不会有效耦合。因此，当多线传送时(与剪切损耗无关)，互连至3D体积和采用非对称的微透镜阵列应该减少串扰。相关人员还可以考虑其它选择，例如，位于微透镜阵列后方的额外的衍射旋转三棱镜阵列(旋转三棱镜是具有与圆锥体等效的相位轮廓的元件)，将入射高斯型光束转化成基本完全错过光纤的圆形焦点。
图21显示设备的可选实施例900，其中阵列802中光纤的位置彼此以Δxij的量错开，从而例如限定两个(或多个)面。将光纤阵列的光纤错开破坏了光学系统的对称性并且减少了多点传送时的串扰。优化的开诺全息图被用来将+1(或-1)衍射级聚焦至所需目标光纤。由于光纤的纵向错开，可以最小化至其它输出位置处的串扰；更具体地，光纤定位不需要是规则的并且可以被优化以最小化串扰。这种方法还有利于提供多点传送(路由至超过一个输出光纤)的应用。此外，诸如微透镜阵列或空间滤波器的中间光学元件可以随机被用于提高串扰抑制。
通用波前编码
图22显示利用本专利先前所描述的开诺全息图设计方法如何可以将有目的的散焦应用施加至光束导向开关以减轻串扰。这种方法还可被应用以基于诸如柱面透镜或微透镜阵列的变形光学器件进行转换。而且，我们可以采用任何波前变形取代散焦以执行图20中所示的波前编码。到目前为止，我们已经采用了最低象差，即散焦，作为我们内置系统的象差。还可以采用可以由例如泽尼克多项式的总和表示的较高阶象差或者象差的组合。例如，我们可以采用与常规设计的微透镜阵列相关的通用错误，以使得光不会被简单地扩散，而是从光纤芯中重新引导开。通过这种方式我们可以定义通用波前编码技术。
为了说明这一点，参见图22a中所示的变换器900。在图22a和22b中，与先前所描述的那些相同的元件用相同的参考数字表示。图22a的系统具有输出级910，输出级包括输入/输出光纤阵列902和匹配的微透镜阵列904，每个微透镜具有基本相同的参数，以及SLM106。在这种对称系统中，微透镜被设计成将由光纤发射的光的分散转化成与光学系统匹配的值。
图22b的系统950可以集成类似于图20中所描述的那样的输出阶段800，但是更普遍地，微透镜阵列804可以用匹配滤波器取代。因此，图22b中显示的开关950具有输出阶段960，输出阶段包括输入/输出光纤阵列952和匹配的微透镜阵列954。然而，在图22b中，我们用对称的微透镜阵列替换具有增加至聚焦功能的预先计算的波前错误的微透镜阵列954。这种波前误差可以利用相位掩模956实现，并且误差可以在这些刻面之间变化。这可以补偿显示在开诺全息图的匹配相位掩模(概念上用线956表示)。因此，为了来自SLM的衍射光有效耦合至特定光纤，SLM应该对入射光束进行象差从而取消“锁和键”方法中微透镜的内置象差。在图22b中，产生象差的+1阶、没有变化的零阶和+1阶的复共轭分别用参考数字954a、b、c表示。在实施例中，每个微透镜被编码成仅聚焦路由(+1)衍射级。
还可以预见其它可能的波前编码场景，包括紧挨在傅里叶变换透镜之前或之后放置的静态或可重新配置相位变形掩模被用于扭曲波前的几何形状。这些情况下的光束导向全息图因此还应该将补偿相位轮廓增加至光栅或者离轴透镜图案以确保最终信号光束是高斯型的。由于对称的条件，其它全息图阶会进一步产生象差。
总结
笼统地说，我们已经描述了一种以LCOS SLM为基础通过将诸如散焦的波前错误有目的地引入光学系统设计中而改善WDM开关的性能的方法。为了补偿这种设计的象差，我们展示了最优化开诺全息图，该开诺全息图补偿内置错误并且因而将+1阶有效聚焦到理想输出光纤。另一方面，更高衍射级衰减并不能有效耦合到光纤中。这种补偿采用以2π为模数的算法计算所得的开诺全息图形式。
通过有目的地将象差引入光学系统，诸如但不限于散焦，我们可以明显减少串扰能量，如早前的图3中所示的。我们把这种技术称为波前编码，我们具体地将象差或波前设计到光学系统中，从而改善整体性能。为了补偿这种误差，开诺全息图适于消除波前误差。这样做时，更高的衍射级变得更多衰弱并且更少效率地耦合到输出光纤中，从而减少串扰。波前编码适用于开诺全息图相位图案，因为它是非周期性的。
而且，通过有目的地将散焦引入光学系统，我们可以通过将阻碍孔放置在零阶焦面从而过滤掉任何剩余的零阶能量，也如早前的图3中所示的。再次地，这适用于开诺全息图相位图案，因为它是非周期性的。
我们还描述了将互连应用到3D体积中，而非2D平面上，其中开关中的每个光束在空间的特定点处聚焦，与平面上的特定点相反。通过利用定位在光纤阵列之前的微透镜阵列，其中每个微透镜具有不同的焦距，我们可以确保仅聚焦在空间体积中的特定位置处的光有效耦合到特定光纤中。这有助于多点传送。还可以通过增加象差衍射图案到微透镜阵列的基本聚焦功能中实现这种技术的实施例。
而且，在实施例中有缘于动态效应的串扰减少。通过有目的地将象差引入光学系统，诸如但不限于散焦，我们可以明显减少当全息图图案在不同互连图案中转换时发生的串扰能量。
在实施例中，我们已经描述的技术特别用于具体地在电信c频段(1.5微米波长窗口)中的光学信号光束的路由，以产生在红外附近运行的电信设备。
毋庸置疑对于技术人员来说会产生多种有效替换例。要理解的是本发明不限于所描述的实施例并且包含在所附权利要求的范围内且对于本领域技术人员明显的修改例。

Claims (20)

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；以及
用于所述空间光调制器的驱动器，在所述空间光调制器上显示开诺全息图，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，以及
其中所述设备配置为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，并且其中所述空间光调制器是硅上液晶LCOS空间光调制器。
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π/2、π或2π的相位。
3.一种光束路由设备，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；以及
用于所述空间光调制器的驱动器，在所述空间光调制器上显示开诺全息图，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，其中，所述其它衍射光包括所述衍射级中除了所述被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被路由的衍射级的FWHM光斑尺寸的至少两倍。
5.一种光束路由设备，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；以及
用于所述空间光调制器的驱动器，在所述空间光调制器上显示开诺全息图，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，
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，包括在所述空间光调制器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，还包括位于所述焦平面处的空间滤波器，以对来自所述空间光调制器的未衍射光进行衰减。
8.一种光束路由设备，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；以及
用于所述空间光调制器的驱动器，在所述空间光调制器上显示开诺全息图，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，以及
所述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或旋转三棱镜阵列。
10.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和旋转三棱镜阵列。
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空间光调制器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或者所述光学输出包括至光纤光载波的光纤输入，或者其中所述光纤输入分布在空间的3D区域之上。
13.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，并且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.如权利要求1至10中任一项所述的设备，其中用于所述空间光调制器的所述驱动器包括光束选择数据输入、耦合至所述空间光调制器的驱动器输出、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，以提供用于在所述空间光调制器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.如权利要求1至10中任一所述的设备，配置为波分复用WDM光开关，其中所述空间光调制器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，并且其中所述空间光调制器上的不同空间区域显示不同的所述开诺全息图。
16.如权利要求15所述的设备，其中来去所述空间光调制器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。
17.一种对光束进行路由的方法，所述方法包括：
在空间光调制器处接收至少一个输入光束；以及
通过在所述空间光调制器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：
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耦合，以及
其中所述修改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。
18.一种对光束进行路由的方法，所述方法包括：
在空间光调制器处接收至少一个输入光束；以及
通过在所述空间光调制器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：
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耦合以及
其中所述开诺全息图显示波前修改图案，并且其中所述修改包括提供用于所述波前修改图案的匹配滤波器。
19.如权利要求18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。
20.如权利要求18或19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。
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