CN115335636A - 波导网络 - Google Patents

Abstract

一种多模光波导网络，包括父波导和多个子波导。每个波导均为多模光波导，其具有第一表面区域、多个第二表面区域和附接到波导表面或嵌入波导内的至少一个引导元件，父波导的每个第二表面区域光耦合到第一表面区域对应子波导的表面区域。父波导的引导元件被布置成将光束从其第一表面区域的光束引导向其多个第二表面区域的任何选定第二表面区域，或者将光束从其多个第二表面区域的任何选定第二表面区域引导向其第一表面区域。每个波导的(多个)引导元件可配置用于选择该波导的第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而经由对该至少一个光束特性的调制来选择该波导的第二表面区域。

Description

波导网络

技术领域

本公开总体上涉及光波导技术。

背景技术

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”的，其物理尺寸足以支持一系列“模式”(即，针对给定通道的通过波导的空间路径，其例如对应于不同的传播方向)。这与简单的单模光波导形成对比，例如光纤系统中使用的细光纤，其目的是将进入光纤的光限制在基本上单一的传播模式。单模光波导只能使用幅度、相位或频率调制来传输数据，而多模光波导允许通过波导内的角度变化来传输更多数据(例如，具有潜在数百万像素的整个图像)。换句话说，多模波导通过增加角度和/或空间分集来提供更大的带宽，这是通过为任何给定通道提供从发射器到检测器的多条光路(不同的路径对应于不同的传播模式)。

发明内容

提供发明内容是为了以简化形式来介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题也不限于解决本文提到的任何或所有缺点的实施方式。

一种多模光波导网络包括一个父波导和多个子波导。父波导和子波导均是多模光波导，其具有第一表面区域、多个第二表面区域、以及附接到波导表面或嵌入波导内的至少一个引导元件，父波导的每个第二表面区域光耦合到子波导中的一个对应子波导的第一表面区域。父波导的至少一个引导元件被布置为将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域，或者将光束从多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第二表面区域，该光束通过父波导的该第二表面区域和对应子波导的该第一表面区域而被耦合进或接收自对应子波导，该对应子波导的第一表面区域光耦合到父波导的该第二表面区域，每个子波导的至少一个引导元件在布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域，或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域。每个波导的至少一个引导元件可配置用于选择该波导的第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而通过对至少一个光束特性的调制来选择该波导的第二表面区域。

本多模波导网络支持跨一个或多个空间维度，在多个数据传输上下文中进行更为灵活的空间复用。

本波导网络的一个示例应用是在全息数据存储/检索系统中。这样的系统通常会在全息记录介质上提供空间复用，即能够通过某种形式的机械致动器对介质的不同物理子体进行写入/读取，以相对于例如移动介质系统的读/写头(输入和参考光束从其发出，并且输出光束在其处被检测)或相对于介质的读/写头来移动介质。这转而又限制了此类系统的数据写入/读取的速度以及可扩展性和可靠性。一个或多个本多模光波导网络可以用于提供这种复用而不需要这种机械致动器，其中可以读取或写入不同区域以控制引导元件和/或调制光束。在这种情况下，波导的多模能力例如可被用来同时读取/写入整个图像。

其他示例包括光通信或光计算，其中多模波导网络可用于复用，例如，不同的发射器/接收器、信号转换器/处理器、光处理器等。

附图说明

为了更好地理解本公开，并且为了显示本公开的实施例可以如何实施，仅通过示例的方式参考以下附图，其中：

图1A和1B示出了全息记录介质的示意透视图；

图2A示出了包括一组波导的全息存储系统的示意性透视图，该组波导可用于将光束引导去往/来自全息记录介质的不同子体以在介质上提供空间复用；

图2B、图2C和图2D分别示出了在写入间隔期间系统的平面图和交替侧视图；

图2E-图2G示出了读取间隔期间的平面图和交替侧视图；

图3A-图3D示出了各种配置的有源光导管的示意性侧视图；

图3E和图3F示出了有源光导管的平面(横截面)视图；

图4A和图4B示出了光波导网络(部分)的交替侧视图；

图5示出了用于在多片全息存储介质上复用的多波导网络示例的示意图；

图6A示出了用于在全息存储系统中提供输入和参考光束的发射系统的示例；图6B示出了具有简化光学器件的发射系统的变体；

图7示出了数据检索系统的示例，该系统使用空间相干检测来测量输出光束的光场和信号处理以减轻测量光场中的波导失真；

图8示出了表示在全息存储系统内执行的功能的功能框图；

图9示出了另一种全息存储系统，其中至少一个波导网络用于在二维全息记录介质板上进行空间复用；

图10A和图10B示出了如何利用无源引导元件实现空间复用，其中空间复用是通过调制光束特性来实现的；

图11A和图11B示出了具有不同频率响应的无源滤光器的光导管；以及

图12示出了一个具有三个层次结构的波导网络示例。

具体实施方式

本文教导的波导网络的一个示例应用是全息存储。全息存储是计算机存储的一种形式，其中通过将介质暴露于光学图案而将信息记录在光敏全息记录介质中。例如，介质的区域(子体)可能暴露于由参考光束和嵌入一组数据的输入光束之间的干涉引起的光学干涉图案。例如，光束可以是使用单个激光器和分束器产生的激光束。空间光调制(SLM)可用于将数据集嵌入到输入光束中，例如可以将编码该组数据的图像空间调制到输入光束中。为避免疑义，本文中的术语“光”、“光学”等不限于可见光。例如，可以使用电磁光谱的不可见部分内的红外或紫外光束来实现全息存储。

在足够的光束功率和曝光时间的情况下，光学干涉图案会导致子体内的持续状态变化(此时，干涉图案在本文中被称为持续记录或写入子体)。子体的改变状态是这样的：在稍后将子体暴露于基本匹配的参考光束时，匹配的参考光束和子体之间的相互作用产生与原始光束基本匹配的输出光束输入光束，由此最初嵌入输入光束中的数据集可以从输出光束被恢复(这在本文中可以被称为读取记录的图案)。

单个干涉图案可以编码大量(例如数百万)位，而不是将单个位存储为离散单元。例如，数据集可以是嵌入在输入光束中的百万像素图像。此外，通过利用某些形式的全息记录介质对参考光束角度的微小变化的敏感性，可以将许多(例如数百或数千个)这样的图案记录到相同的子体中。对于这样的介质，当在给定角度使用参考光束创建干涉图案时，只能使用与最初用于创建它的参考光束非常匹配的参考光束来读取记录的图案。可以利用这种效应以不同的参考光束角度将多个图案(编码不同的数据集)记录到相同的子体。从理论上讲，数据存储容量仅受光束波长的限制，红光可能达到每立方毫米数百兆字节，紫外线则可能达到数十吉字节。在实践中，可能存在其他限制因素，但高密度数据存储仍有巨大潜力。

为了以减少或消除机械运动需要的方式在一个或多个全息存储上实现空间复用媒体，可以使用“有源”光导管、“无源”光导管或有源和无源光导管的组合。注意，术语“波导”和“光导管”在本文中可互换使用。

“有源光导管”是指具有一个或多个有源切换元件或其他引导元件的波导，其附接到波导或在波导的主体内，这转而又是可配置的(即具有可变的光学特性)以实现“一对多”光学传输，即将光从第一表面区域引导向多个可能的第二表面区域之一(在这种情况下，第一表面区域作为耦合输入区域，第二表面区域作为耦合输出区域)或“多对一”光学传输，即光可以从第二个表面区域中的任何一个引导表面区域(现在充当耦合输入区域)到相同的第一表面区域(现在充当耦合输出区域)。术语“无源光导管”是指具有引导元件的光导管，这些引导元件具有不同的光学灵敏度(例如不同的波长和/或偏振灵敏度)，因此可以通过改变光学特性或光束来实现类似的效果(例如，改变其波长、偏振等，以使其被具有不同波长/偏振响应等的引导元件沿不同的路线引导；例如，使用可调谐激光器)。术语“无源光导”只是一个方便的表示，它所表示的意思是，在这种情况下，引导元件不需要是有源的——然而，具有不同光学灵敏度(例如不同波长和/或偏振灵敏度等)可在此上下文中被使用(即，引导元件可以是有源的并且具有不同的光学灵敏度)。

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光导管传播。有源光导管的引导元件可以单独控制以透射或反射入射光束。

很多这样的光导管(有源、无源或两种类型的组合)可以组合成各种几何形状，以创建一个切换网络，该网络可用于将光束和图像引导向一个或多个空间维度中的许多可寻址位置之一。例如，可以使用空间光调制器(SLM)创建光导管的输入，并在CCD(电荷耦合器件)上读取输出。可以使用光学和计算技术的组合来校正相位干扰和噪声，包括机器学习技术，这将涉及从训练数据中学习一个或多个信号处理参数。某些实施例将相干检测与此类技术结合使用，以提供更有效的波导失真缓解。

与传统上用于光数据通信的那种光开关和光纤相比，所描述的实施例使用能够一次传输整个图像的光导管。这利用了当今可用的光学设备的高分辨率，例如SLM和数码相机。这些设备具有数百万像素，可以对数兆字节的数据进行编码和解码。即使对于用于SLM、相机和有源光导管元件(在有源光导管的情况下)或光束光学特性(在无源光导管的情况下)的保守的切换速率下，这也允许高带宽传输。此外，诸如全息存储之类的应用需要多个光束之间的干涉，其中至少一个光束被图像调制。在全息存储中，使用有源光导管可以在全息存储介质中的任何所需位置有效地控制光束和图像并使其干涉。如前所述，使用无源光导管可以实现更简单的好处，其中切换代之以在发射器级处被应用。

下面描述的光导管是“多模”波导，其物理尺寸足以支持一系列“模式”(即，对于给定通道，通过波导的空间路径，例如对应于不同的传播方向)。这不同于简单的单模光波导，例如光纤系统中使用的细光纤，其目的是将进入光纤的光限制在基本上单一的传播模式。单模光波导只能使用幅度、相位或频率调制来传输数据，而多模光波导允许通过波导内的角度变化来传输更多数据(例如，具有潜在数百万像素的整个图像)。换句话说，多模波导通过增加角度和/或空间分集来提供更大的带宽，这是通过为任何给定通道提供从发射器到检测器的多条光路(不同的路径对应于不同的传播模式)。

本文公开的另一方面是一种全息数据存储系统，其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(即从介质的不同子体的读取和向其的写入)，而不需要介质之间的任何相对机械运动和波导网络。下面描述了这种系统的一个例子，它使用了有源和/或无源光导管。在所描述的示例中，多模波导可用于同时携带去往/来自全息记录介质的整个数字图像，或在多个可能的角度之一处携带参考光束。

然而，本文教导的光波导网络不限于它们对全息存储的应用。其他应用包括例如光通信和光计算。

有源光导管：

图3A-图3D示出了具有特定物理结构的有源光导管300的示例形式的示意性侧视图。如将理解的，这仅仅是可提供所需光学可配置性的合适物理结构的一个示例。下面考虑进一步的例子。

有源光导管300被示为具有至少第一表面区域300-0和形式上为可切换布拉格光栅(SBG)的多个有源开关，其可以在表面上或是体嵌入的。在该示例中，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，但是应当理解，可以在表面300的表面300-S1上和/或内嵌到波导300主体内的合适位置，设置更多数目的SBG。可以单独控制每个SBG 300-1、300-2以改变其反射/透射特性，从而透射或反射入射光束。SBG 300-1、300-2形成有源光导管300的相应表面区域，在表面区域，取决于如何使用波导300，光可以进入波导300(内耦)或离开波导300(外耦)。

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从该端部区域沿波导300的轴301延伸。

图3E和图3F各自示出了波导300的横截面图，从其可见，在此示例中，波导300的横截面具有矩形形状，其具有沿波导300的轴301延伸的四个侧表面300-S1、300-S2、300-S2、300-S4。在该示例中，SBG 300-1、300-2都位于沿第一侧表面300-S1的位置，如图中所示，当然一般来说，取决于应用，这样的SBG可以被附接到波导300的多个表面。

SBG 300-1、300-2沿着波导300-S1的第一侧表面定位，距离第一区域300-0越来越远，其中第一SBG 300-1的位置最靠近第一区域300-0。

图3A、图3B和图3E描绘了“一对多”使用情况，其中第一表面区域300-0充当SBG的入耦区域，并且第二表面区域300-1、300-2充当外耦合区域。作为示例，图3示出了经由内耦区域300-0被耦合到波导300中的第一射线304。在该示例中，第一表面区域300-0相对于侧表面300-S1、...、300-S4成角度，使得第一射线304可以穿过第一表面区域300-0进入波导主体300，从而足以在波导300内的每个侧表面300-1、...、300-4处实现全内反射的角度。

SBG 300-1、300-2中的每一个都可配置为在反射状态和透射状态之间改变它。图3A示出了一种配置，其中第一SBG 300-1处于反射状态，导致入射光线300从其被反射回波导300，并沿波导300引导直至到达第二SBG 300-2。SBG 300-2被示为处于透射状态，导致光线304通过第二SBG 300-2被衍射出波导300，从而经由第二SBG 300-2的表面区域被耦合出波导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一条通过波导300的“通道”。

与此不同，图3B示出了处于透射状态的第一个SBG 300-1。因此，第一光线304一旦到达第一SBG 300-1时，反而经由第一SBG 300-1被衍射出波导300，从而转而经由第一SBG300-1的表面区域被耦合出波导300。这种配置在第一表面区域300-0和第一SBG300-1的表面区域之间，创建了通过波导300的通道。

以这种方式，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中任何一个的表面区域处离开波导300。尽管为了简单起见仅关于两个SBG 300-1、300-2进行了描述，但是应当理解，相同的原理可以应用于更多数目的SBG。

图3E示出了当在横截面中观察时第一射线304如何经由TIR从侧表面300-S1、...、300-S4中的一些或全部传播，这取决于第一射线304的角度。

如图3C、图3D和图3F所示，使用所描绘的有源光导管300进行多对一光学传输同样可行。

图3C示出了与图3A相同的SBG配置。唯一的区别是如何使用波导300：现在示出了从外部源(未示出)入射到第二SBG300-2上的第二射线308。利用透射状态下的第二个SBG，第二射线308经由第二SBG(现在在其表面区域提供入耦)被衍射到波导300中，从第二SBG被引导通过波导300，到达第一表面区域300-0(现在是出耦区域)；这包括来自当前处于反射状态的第一SBG 300-1的反射。第一SBG 300-1的反射状态防止光线308经由第一SBG300-1离开波导。此外，可能碰巧入射到第一SBG 300-1上的任何外部光线309将基本上被反射离开它，因此不会进入波导300。

图3D示出了与图3B相同的配置，但是现在第二射线308从外部源入射到第一SBG300-1上。第一SBG 300-1处于透射状态，第三光线310通过衍射在此进入波导300，并被引导至第一表面区域300-0。

图3F示出了第二射线308可以在横截面中在波导300内传播，并且与图3E相同的描述适用于此，只是射线方向相反。

以上描述假设了透射/反射状态下的SBG的完美反射率/透射率。如将理解的，这在实践中不是绝对的要求，并且系统将对SBG300-1、300-2和更一般而言波导300中的缺陷具有一定的容差。稍后描述用于补偿在波导300内引入的失真的合适的信号处理技术。

尽管描述为单独的元件，SBG 300-1、300-2实际上可以是单个大SBG的单独的、独立可控的区域，这个大SBG在第一侧表面300-S1的全部或大部分上延伸。

SBG只是有源切换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光片，来实现相同的效果。SBG和可控偏振滤光片是非机械有源开关的例子，它们可以通过非机械效应改变波导300的光学特性。引导元件的其他示例诸如包括微镜装置或其他微机电系统(MEM)的可控镜，后者是机械引导元件的示例。

当使用偏振滤光片作为引导元件时，SBG 300-1、300-2可以用无源衍射元件代替，偏振滤光片用于根据需要以可控方式引导光束进出无源衍射元件，而无需重新配置衍射元件。

注意，即使引导元件本身是机械的，这仍然不需要对波导300进行整体的机械运动。

有源光导管网络

这里，“波导网络”可以采用单个波导或多个相互耦合的波导网络的形式。具有多个有源光导管的波导网络在灵活的光学数据传输方面具有特殊的优势。

图4A和图4B示出了包括第一和第二有源光导管400、420的波导网络(部分)的交替侧视图。第二光导管420具有第一表面区域420-0，它与第一光导管400的对应表面区域邻近定位并且对齐，以用于经由第一表面区域400-0接收来自第二波导420的光束或将光束引导向第二波导420。仅作为示例，光线404被示为通过第一波导400传播到与第二波导420的第一表面区域420-0相邻的第一波导400的对应表面区域。光线404经由附接到第一波导400的相邻表面区域的SBG 400-1而被耦合出第一波导400，并且经由第一表面区域400-0进入第二波导420。从那里，它可以以一对多的方式被引导向第二波导420的多个SBG 420-1、420-2中的任何一个。相同的布置可以用来以多对一的方式将另一方向的光束从第二波导420引导向第一波导400，光线的方向是相反的。

尽管该示例考虑了两个相互耦合的波导400、402，但这些原理可以应用于更多数目的相互耦合的波导，以允许通过波导网络进行灵活的数据路由。

更一般地，介质的表面区域可以以其他方式光耦合到波导的相应表面区域，例如通过空气界面或一个或多个其他光学组件(其本身可以是波导，可以提供或者不提供有源的或无源的切换功能)。

全息存储

现在将描述有源光导管在全息存储中的应用。

图1A和1B显示全息记录介质102的示意性透视图，该介质是体积相对厚的感光材料，能够持久地将光学图案存储为被体现在全息记录介质102(为简洁起见，可以简称为介质102)中的“全息图”。全息图是通过将介质102的子体110(区域)暴露于光学图案来创建的，该光学图案会导致该子体110内的持续状态变化。通过该状态变化而利用子体110创建的全息图，将光学图案记录到介质102中，使得该光学图案可以随后由此被重现。全息图是持久的，其一旦被创建，介质102就不需要电力来维持它。介质102的组成和结构可以使得全息图一旦创建就不能被擦除，因此提供了“一次写入多次读取”(WORM)形式的存储，或者可以是全息图可以被擦除和替换(但仍然存在，除非并且直到其被擦除)。

单个全息图可以记录对非常大量的(例如，数百万)位进行编码的光学图案，从而允许并行(同时)向全息记录介质102写入/读取大量数据。全息存储的另一个好处是可以将许多全息图写入全息记录介质102的同一子体110，这极大增加了全息记录介质102在每单位体积的数据存储容量。

更具体地，图1A示出了为了将一组数据写入介质102，输入光束104和参考光束106如何分别经由介质102的通过第一侧表面102-4和第二侧表面102-6被引导向子体110中。这产生了光学图案，其形式是由输入光束104和参考光束106之间的干涉引起的干涉图案。假设光束104、106具有足够的功率，并且子体110暴露足够的持续时间，则由干涉光束104、106产生的干涉图案将作为全息图被持久地记录在子体110内。一组数据被嵌入在输入光束104中，并且可以从得到的全息图中被恢复，这将在下文讨论。以这种方式，编码的数据集被写入子体110。在下面的示例中，数据集被编码为数字图像，继而经由空间调制被嵌入到输入光束104中。

如图1B所示，为了从子体110读取数据，匹配的参考光束116通过介质102的第二侧表面102-6被引导向子体110中，在那里它与全息图交互以创建输出光束108，该输出光束108将基本上匹配用于写入全息图的输入光束104，由此嵌入的数据能够从输出光束110被恢复。输出光束108经由介质102的第三侧面102-8传播出子体110。

用于读取数据的参考光束116与最初用于写入数据的参考光束106基本匹配，并且特别地，参考光束116以与原始参考光束106的角度非常匹配的角度(或更一般地，方向)被定向。这是因为，读取全息图的能力(即产生可以从其恢复数据的输出光束108)对于分别被用于写入和读取全息图的参考光束106、116之间的角度偏差是高度敏感的。正是这种灵敏度可以用来在同一子体110内记录多个全息图——每个全息图都是使用不同的参考光束角度创建的，并且只要参考光束角度有轻微的差异就可以创建两个不同的全息图。以此方式，可以将大量(例如数百或数千)全息图写入同一个子体110，每个全息图都编码大量(例如数百万)位。

图2A示出了包含本公开的某些原理的示例全息存储系统200的示意性透视图。在该特定示例中，三个单独的波导204、206和208用于承载输入光束104、参考光束116、126和输出光束118，并且可以分别称为输入波导204、参考波导206和输出波导208。如上所述，术语“光波导”和“光导管”在本文中可互换使用。波导204、206和208中的每一个都可以提供空间复用，因为其可以将信号引导向全息记录介质102内的多个子体的任何一个(在输入和参考波导204、206的情况下)，或者从全息记录介质102内的多个子体的任何一个引导信号(在输出波导208的情况下)。这提供了跨全息记录介质102体积的空间复用，而不需要波导204、206、208中的任何一个相对于全息记录介质102的任何机械运动。为了避免对这种机械运动的需要，引导元件位于每个波导204、206、208之上或之内，并且可配置为改变波导204、206、208的光学特性以便引导去往或来自介质102的不同子体的信号。也就是说，在波导204、206、208内根据需要创建不同的通道。在该特定示例中，引导元件的形式采用有源光学切换元件(开关)。开关可以采用多种形式。在该示例中，开关的形式是位于波导204、206、208不同表面区域中的SBG，总体布置如图3A-图3E所示。也就是说，波导204、206和208均采用有源光导管的形式，并且波导204、206、208中的每一个具有与图3A-图3E的有源光导管300相同的一般物理结构。

波导204、206、208中的每个被布置成其第一表面(即，其SBG所在的表面)与介质102的一个不同侧表面相邻，使得其SBG沿介质102的该侧表面延伸。每个波导204、206、208的第一SBG和第二SBG由附图标记204-1、204-2；206-1、206-2；以及208-1、208-2表示，其都可以按照如上文所述的方式来配置。对其他SBG的描述没有使用附图标记，并且可以选择SBG的数目以适应任何尺寸的全息记录介质102。为了简洁起见，以下描述将参考每个波导204、206、208的第一SBG和第二SBG，但将会理解这些描述适用于更多数目的SBG。

图2B到图2D示出了输入和参考波导204、206如何被用于以一对多的方式将数据写入介质102。图2B示出了系统200的示意性平面图，图2C和图2D示出了交替侧视图，其中输入和参考波导204、206分别可见。输入波导404用于以上述方式经由输入波导204的SBG 404-1、404-2中的任意一个，将输入光束104引导向介质102的多个子体中的任意一个。参考波导406被配置为将参考光束106同时引导向相同的子体，以便创建要写入该子体的期望的干涉图案。在所描绘的示例中，输入和参考波导204、206两者当前被配置为经由每个波导204、206的第二SBG 204-2、206-2而将输入和参考光束104、106引导向由附图标记110表示的子体。

图2E到图2G示出了参考和输出波导206、208如何被用于从介质102读取数据。图2E是平面图，图2F和2G示出了交替侧视图，其中参考和输出波导204、206可见。参考波导206的使用方式与图2B至图2D中所描绘的完全相同，但是这里，其被以将参考光束116引导向要从中读取全息图的任何子体——在此例中是子体110。输出波导208被用来以一对多的方式引导来自子体110的所得输出光束108，并通过直通波导208以用于后续检测。

每个子体110例如可以具有沿任何侧表面测量的几毫米的高度和宽度，并且这通常足以每个数据“页”存储数百万像素(例如复用角度)——其中在此例下，子体的体积足以存储(百万像素)*(#复用角度)。

输入波导204和参考波导206的引导元件(本示例中的SBG)根据需要被配置，以便为输入光束104和参考光束106、116提供从光束源(发射系统)去往将被读取的子体108的通道。对于SBG，这是根据需要将SBG设置为透射或反射状态以创建通道的情况。类似地，输出波导208的引导元件(在该示例中也是SBG)被类似地设置为提供从将要读取的子体108去往检测器的通道。为了提供更多上下文，这将在下面参考图5中描绘的多波导网络进行更详细的描述。然而，参考图5的特定示例描述的原理普遍地适用于其他波导网络拓扑，不论是都更简单的网络(例如单个波导)还是更复杂的波导网络。

如上所述，这允许在介质102上进行空间复用，而不需要介质102相对于波导204、206、208做任何机械运动。无论引导元件采取何种形式(引导元件本身可以是机械的或非机械的，如上所述)，这都是成立的。

使用多波导网络的全息存储

图5示出了一个包含图4所示类型的多波导网络的全息存储系统的示例。

输入波导网络被示为包括第一输入光导管203(“父”波导)，多个第二输入光导管204A、204B(“子”波导)耦合到该第一输入光导管203。来自发射器系统504的输入光束104经由其入耦区域被耦合到第一输入波导203中，并且可以从那里被引导向第二输入波导204A、204B的任何一个中。

参考波导网络被示为包括第一参考波导205，多个第二参考波导206A、206B耦合到第一参考波导205。来自发射器系统504的参考光束106、116类似地被耦合到第一参考波导205中，并且可以被引导向第二参考波导206A、206B的任何一个。

输出波导网络被示为包括第一输出波导207，多个第二输出波导208A、208B耦合到该第一输出波导207。

所描绘的布置允许引导去往/来自多片全息存储介质102A、102B的不同子体的光束。

尽管图4示出了输入光束104、参考光束106、116和输出光束108，但是应当理解，子体通常将会在不同时间以上面参照图2A-图2G描述的方式被写入和读取。

第一组第二波导204A、204B、204C(输入、参考和输出中的每一个)位于第一块全息存储介质102A(第一介质)周围，并且第二组第二波导204B、206B、208B位于第二块102B(第二介质)周围，每个都具有与图2A-图2G相同的总体布置。因此，输入和参考光束104、106、116可以如下被引导向每块介质102A、102B的任何子体：首先将这些光束分别引导向输入和参考网络的期望的第二波导，然后引导向与期望的波导相邻的介质块的期望子体。

输出波导网络可用于将来自任何介质块102A、102B的任何子体的输出光束108从适用的第二输出波导208A、208B引导向第一输出波导207中，并从那里经由第一输出波导207的出耦区域引导向检测器508。为了从特定子体进行读取，SBG被配置为提供从该子体到检测器的通道；因此，在这种情况下，SBG 204A-2和207A-1被设置为透射状态，输出波导网络的其他SBG根据需要被设置为反射状态，以便为输出光束108提供去往检测器508的通道(例如，在这种情况下，第一输出波导207的SBG 207-2被设置为反射式，以防止输出光束104传播到波导207-2中)。输出波导网络的其他SBG可以按照如下需要被设置为反射：防止任何不需要的光的传输，即，来自同一块介质102A的其他区域或从不同的介质块102B的“泄漏”(例如，在此示例中，靠近正在读取的子卷的SBG204A-1显示为设置为反射，以防止不希望的泄漏)。

尽管在上文示例中，三个独立的波导网络被用于输入、参考和输出波束104、106、116、108，但是这不是必须的。例如，可以使用同一波导网络来携带输入波束104和参考波束106、116，和/或可以使用同一波导网络来携带输入波束104和输出波束108，和/或可以使用同一波导网络来携带输出波束108和输入波束104。一般而言，期望具有三个独立的网络将提供优化的性能，但是仅使用一个或者两个波导网络的实现也是绝对可行的。

尽管未在任何图中描绘，但第四波导网络可用于将光束传送到介质块108A、108B的其余侧表面。例如，第四网络可用于将擦除光束传送到所需的子体，适合于从其中擦除至少全息图(在可擦除全息存储的情况下)。

图9示出了另一种物理结构，其中使用全息介质102的单个“板”(slab)代替图5的个体组件102A、102B。描绘了输入波导网络，它具有基本相同的物理配置，但第二输入波导204A、204B现在被配置为将输入光束104引导向同一板102的不同子体。而在图5中，每个第二输入波导204A、204B沿不同的单块介质102A、102B的长度在单个维度上提供复用，在图9中，第二波导204A、204B在全息介质102的板上提供二个维度中的空间复用(每个波导各自提供一维复用，但在作为整体的板102上存在2D复用)。

图9的系统限于最多两个波导网络(板102的每侧各一个)。如上所述，这仍然是一种可行的安排，因为可以使用相同的网络来承载多个波束。

数据编码

图6A示出了提供输入光束104和参考光束106二者的发射器系统504的示例。输入光束是扩展的、空间调制的激光束。激光器600发射相干的窄激光束，使用分束器604将其分束。

来自分束器602的光束的一部分被用作参考光束106。在该示例中，可控参考光束操控元件612用于将参考光束106以期望的角度转向参考波导106。通过在参考光束106耦合到参考波导206之前改变参考光束106的角度，可以按照上文描述的方式将不同的全息图写入到介质的相同子体/从介质的相同子体读取不同的全息图。

替代射束角度复用或者作为补充，可以利用参考射束106、116的不同相位(相位复用)将多个图案存储到相同子体并从相同子体读取多个图案。因此，逻辑地址可以对应于特定的参考光束角度和/或相位特性。所有关于参考光束角度调制的描述都同样适用于相位调制。

来自分束器602的光束的其他部分使用光束扩展器604来扩展，经扩展的光束通过空间光调制器(SLM)606。编码器610接收要编码的数据集并将其编码为数字图像，该数字图像继而被经由SLM 606被调至到扩展光束中。内耦光学器件被用来将扩展光束分离成不同的传播模式，在此例中，内耦光学器件是傅里叶透镜608，其被定为使得SLM 606的平面基本位于傅里叶透镜608的焦平面；一个模式在此例中对应于唯一的传播方向，每个模式现在对应于SLM 606平面中的一个特定点。不同的传播模式被耦合到输入波导202中，它们通过输入波导202以上文描述的方式被引导。使用内耦光学器件608，数据在参考光束内被“角度编码”，即，数字图像内的点基本上对应于唯一的传播方向，也即输入光束104的唯一传播模式。这类似于来自遥远物体的光线被认为是无限远的。图6A的经角度编码的输入光束104是“多模”光信号多传播模式(即沿不同方向传播的分量)的一个示例，并且这种布置提供了一种角度分集形式。

注意，术语“多模”不一定暗示使用这种内耦光学器件608，也不要求每个图像点唯一地对应于给定的传播方向。也就是说，多模式不一定意味着传播模式和图像点/数据点之间的一一对应关系。例如，图6B示出了另一种可行的发射器系统，其中空间调制光束直接耦合到输入波导204。在这种情况下，仍然存在多个模式(即，对于任何给定通道，通过波导的多个空间路径)，但是没有传播方向和图像点之间的一一对应关系，也可能没有图像/数据点和模式之间的任何一一对应关系。这通过SLM 606的多个像素和空间相干检测器508的检测器阵列，提供了一种基于MIMO(多输入多输出)传输形式的空间分集形式。

数据解码

图7示出了用于测量输出光束108的光场的空间相干检测器508。与传统的“直接检测”相比，空间相干检测器508包括像素(或更一般地，检测器元件)的阵列，每个被配置为测量光场在该像素位置处的幅度和相位(而不仅仅是强度)。这些例如可以使用空间相干检测器508的本地振荡器712来测量。像素阵列因此能够测量光场在时间和空间上的相位和幅度的变化，并因此提供所测量光场的模拟或数字表示。在此例中，所测量光场是通过输出波导208引导向空间相干检测器208的输出光束108的光场。

尽管仅描绘了单个阵列，但实际上可能有多个物理阵列作为单个“逻辑阵列”合作。例如，这个逻辑阵列可以在两个物理相上分割。

物理检测器阵列可以采用单个相机(每个检测器元件是相机的一个像素或一组像素)或多个相机的形式。在极端情况下，每个检测器元件可能是一个单独的相机，在这种情况下，逻辑检测器阵列可能会被拆分为非常多的物理检测器。

如所指出的，从光束进入波导网络的特定入耦区域到其离开波导网络的特定出耦区域(这些区域可以在相同或不同的波导中)的路径在此可被称为“通道”。如前所述，在多模波导网络中，单个通道将包含多个空间路径。输出光束108将已经经由输出波导网络的特定通道而被引导，即，从其特定的入耦区域到输出波导208的出耦区域。此外，它将已经从全息图被生成，该全息图使用输入光束被被创建，该输入光束从输入波导网络的入耦区域被引导向其特定的出耦区域。全息图将已经使用参考光束被创建和读取，该参考光束类似地经由特定通道被引导通过参考波导网络。输入光束104、参考光束106、116和输出光束108都容易受到相关波导网络内的失真的影响，该相关波导网络特定于这些光束被引导的通道。信号处理组件700将模拟和/或数字信号处理应用于所测量场的表示，以补偿这种失真；它使用与当前正在从中读取的子体(即产生输出光束108的子体)相关联的通道模型来做到这一点。与特定子体相关联的通道模型不仅对输出光束108被引导至检测器508的通道进行建模，还对用于写入全息图的输入光束104被引导至该子体的通道进行建模，而且对用于写入/读取全息图的参考光束106、116被引导向该子体的通道进行建模。

每个通道模型例如可以采用传递函数(直接对通道建模)或逆传递函数(根据通道的近似逆对通道建模)的形式。请注意，传递函数应用于所测量光场的表示，即，其在不同空间点处测量的相位和幅度，而不仅仅是光的强度。空间相干检测为消除或减少这种通道失真提供了更大的范围，目的是足够准确地恢复原始数字图像，以支持解码器704对恢复的图像中的经编码数据的解码。

信号处理700例如可以使用光学和计算技术的组合来校正相位干扰和噪声，这些技术可以例如包括机器学习技术。

尽管在全息存储的上下文中进行了描述，但是这种信号处理700与空间相干检测的组合的使用在这方面不受限制，并且可以应用于其他上下文，例如光通信或光学计算，或任何其他上下文，其中接收到的输出光束容易受到一个或多个波导网络中引入的失真的影响。

图7示出了出耦光学器件715，其被布置成基本上反转图6B的入耦光学器件608的效果，即，将每个传播模式分解为空间相干检测器508的平面内基本上的单个点。同样，这不是必需的，并且利用图6B的替代发射系统，可以省略出耦光学器件715。

尽管未在图6A或6B中描绘，但在数字图像被调制到输入光束104之前，可以对数字图像应用某种程度的预处理。这可以降低检测器侧所需的补偿程度。即使使用这样的预处理，也可以应用一定量的检测器侧处理，以考虑不同通道之间的不同失真效应。

动态调度

图8示出了控制器，其形式为调度器800，其可以在上述类型的全息存储系统内调度读取和写入操作。为了支持有效的调度，介质108内的每个子体或每块介质108A、108B内的子体被指派唯一的地址。这提供了一种可寻址全息存储形式，类似于较为传统的可寻址电子存储形式。然而，与传统寻址相比，存在许多区别。

首先，如上所述，单个子体可以存储多个不同参考光束角度的全息图。为了适应这一点，每个地址唯一地对应于结合特定参考光束方向的特定子体，即，每个可用元组被分配一个唯一地址，表示介质102其中一个介质102A、102B内的特定子体，并且表示特定的参考光束方向(例如，定义光束方向的一个角度或多个角度的集合；术语“角度”可以用作指代参考光束的方向的简写，尽管它将是可以理解，该方向实际上可以根据系统的配置由多个角度来定义)。因此，子体可能与潜在大量的地址相关联，对应于不同的参考光束角度。元组定义了一个逻辑存储位置，其中多个逻辑存储位置在物理级别由相同的子体在不同的参考光束角度下提供。每个逻辑存储位置都有一个唯一的地址(ADDR)。该符号被用作表示对应于子体和参考光束角度的地址的简写，尽管应该理解这并不意味着地址的任何特定表示。可以使用唯一标识这种性质的逻辑存储位置的任何地址空间和寻址机制。

其次，与传统存储不同，每个逻辑存储位置都可以存储整个图像，因此单个逻辑存储位置可以潜在地存储大量(例如数千或数百万)位。

调度器800在逻辑存储级别操作，并且在适当的时段内调度与不同地址相关的传入读取和写入操作。

附图标记804、806和808分别用于表示输入、参考和输出光波导网络。如上所述，每个都是单波导网络或多波导网络(例如，如图5所示)，具有一个或多个可配置的引导元件(例如，SBG或其他有源切换元件)，可用于创建去往全息存储介质的一块(或多块)的不同子体的通道。

在调度与特定地址有关的写入操作的时段(写入时段)期间，输入和参考波导网络804、806内的引导元件被设置为创建用于来自发射器系统504的输入光束104和参考光束106通过输入和参考网络804、806分别去往相应子体的通道；而且，参考光束操控元件612被设置为将参考光束106在相应方向上引导向参考网络806中。这导致以参考光束角在子体内创建所需的干涉图案，只要子体暴露于干涉图案足够长的持续时间，这转而又导致该干涉图案被持久地存储为全息图。

在调度与特定地址有关的读取操作的时段(写入时段)期间，参考和输出网络806、808内的引导元件类似地被设置为：创建用于参考光束116通过参考网络806去往子体的通道，以及创建用于输出光束108通过输出网络808从子体到检测器508的通道；参考光束操控元件612类似地设置为将参考光束116在相应方向上引导向参考网络806中，以便在子体和参考光束角度读取预期的全息图。备选波导网络：

图10A和10B示出了备选系统，其中空间复用是通过调制输入和参考光束104、106、116的一个或多个光学特性来实现的。在这样的系统中，可以使用无源(不可切换)引导元件代替前面图中的有源(可切换)引导元件。

图10A的示例考虑了频率(或等效地，波长)调制。在这种情况下，光导管本身(它们本身)可以是无源的，具有静态波长相关的输出耦合(例如连续更长通二向色干涉滤光片，或变化的中心波长带通滤光片)。

图11A示出了具有外表面1100-S的光导管1100，多个无源滤波器1100-1、1100-2沿该外表面放置。除了滤波器1100-1、1100-2代替SBG 300-1、300-2这一事实之外，光导管1100的配置与图3A-图3D的配置相同。滤波器1100-1、1100-2具有不同的频率响应(即它们充当频率滤波器)。更具体地，每个滤光器1100-1、1100-2对于相对窄的光频率范围基本上是透射的，并且对于该范围之外的频率基本上是反射的。图11A示出了内耦光束1104，其频率在第二滤波器1100-2的范围内、但在第一滤波器1100-1的范围之外。因此，光束1104从前者反射，但通过后者传输(从而在该位置离开光导管1100)。图11B示出了不同频率的光束1104’，现在该频率在第一滤波器1100-1的范围内，因此光束1104’通过第一滤波器1100-1被传输。

这样的光导管1100可以用来代替上述的有源光导管，并且上述描述同样适用于系统的以下修改。

图10A示出了调度器800，其可通信地耦合到发射器系统的激光器600，以用于改变输入和参考光束104、106、116的频率(或等效地，波长)。在这种情况下，任一光束可以被引导向期望的全息存储区域，这是通过相应地设置频率。不同的光束频率现在对应于通过波导网络的不同路径(由无源滤波器的不同频率特性定义)，并且可以将频率设置为对应于任何期望的通路。

在这种情况下，波长被用作切换维度。激光器600是一种可快速调谐的激光器，其充当有源元件。

在这样的实现中，切换可以仅在一个空间维度中(即沿着单个管道)。然而，使用具有足够范围和行窄(line narrowness)的激光器，第一个光导管可以粗略地过滤(即在相对较宽的波长范围内)，随后的光导管可以更精细地采样(即在较窄的波长范围内)。限制行的另一个因素是需要相对较长的相干长度，因此行在任何情况下都可能足够窄。为了在全息存储上下文中实现输入场跨2D输出控件向可寻址位置的复制，该实现例如可以与使用不同可切换参数(例如，极化)的第二实现相结合。

在读取操作的上下文中，输出光束108的频率将与用于读取特定子体的参考光束116的频率相匹配，并且可以使用输出波导网络808中的适当滤波器将其引导回检测器，应用相同的原则。

图10B示出了具有可控偏振元件601的这种实现的一个示例，其可用于改变输入和参考光束104、106、116的偏振。这可以与光导管上或光导管内的无源偏振滤光片组合。这可以被实现为图10A的示例中的无源频率滤波器的备选或补充。这种偏振调制将提供两条独立的路径，并且可以有效地组合，例如利用无源波长过滤和/或有源光导管。光束的偏振调制也可以与有源偏振滤光片组合。

请注意，上述所有各种“无源”和“有源”实现都可以单独或组合实现，例如可以使用有源和无源引导元件的组合。也就是说，波导可以同时具有无源和有源元件和/或有源和无源波导可以组合在同一网络中。

其他层次级别：

上述示例考虑了具有父子波导两个层次“级别”的波导网络。然而，多波导网络可以具有三个级别(父级、子级、孙级)或更多。请注意，术语“子”、“父”和“祖父”不一定暗示直接的层次关系，即术语子或孙子可以分别指代低于父或子波导的任何层次级别的任何波导；也就是说，子/孙波导可以光耦合到父/子波导，而不仅仅是通过例如空中接口(直接后代)，但也通过其一个或多个其他子/孙波导(间接后代)。

图12示出了一个具有三个层次结构的波导网络示例。父波导1200具有以上述方式光耦合到其的两个直接子波导网络1202A、1202B，并且这些子波导1202A/1202B中的每一个具有以相同方式与其光耦合的两个孙网络1204A-A、1204A-B/1204B-A、1204B-B。

一个极端的例子是“二叉树”架构，其中每个波导正好有两个直接子代，可能有超过三层的波导。然而在实践中，也可能存在这样的情况，即，优选的是增加直接子代的数量以减少所需的层级数量。

图8、图10A和图10B中所示的调度器800是系统的功能组件。类似地，编码器610、解码器704和信号处理组件700是功能组件。此类组件可以在软件中实现(即作为在一个或多个可编程硬件处理器上执行的程序代码，例如CPU、加速器，例如GPU等)，或使用其他形式的处理器硬件，例如现场可编程门阵列和/或专用集成电路。由信号处理组件700执行的信号处理可以是模拟或数字信号处理，或其任意组合。这样的程序代码和其他数据(例如通道模型702)可以被编码在计算机可读存储中。计算机可读存储的示例包括光学、磁性和/或固态存储，其中代码、数据等可以以非暂时性形式存储。这与诸如瞬态信号载体之类的瞬态介质形成对比。

本文的第一方面提供了一种多模光波导网络，包括：父波导；以及多个子波导；其中父和子波导中的每一个是多模光波导，具有第一表面区域、多个第二表面区域和附接到波导表面或嵌入波导内的至少一个引导元件，所述父波导的每个所述第二表面区域均光耦合到所述子波导中的一个对应子波导的所述第一表面区域；以及其中所述父波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，所述光束经由所述父波导的该第二表面区域和所述对应子波导的该第一表面区域被耦合进或接收自所述对应子波导，所述对应子波导的第一表面区域光耦合到所述父波导的该第二表面区域，每个子波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，其中所述波导中每一个的所述至少一个引导元件可配置用于选择该波导的所述第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该波导的所述第二表面区域。

在实施例中，多模光波导网络可以包括多个孙波导，所述孙波导中的每一个均是多模光波导，其具有第一表面区域、多个第二表面区域、以及附接到所述孙波导的表面或者嵌入所述孙波导内的至少一个引导元件，每个所述子波导的每个所述第二表面区域光耦合到所述孙波导中的一个对应孙波导的所述第一表面区域；其中每个孙波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，所述光束经由该孙波导的第一表面区域以及与该孙波导的第一表面区域光耦合的所述子波导的所述第二表面区域被耦合进或者耦合出该孙波导，所述孙波导中每一个的所述至少一个引导元件可配置用于选择该孙波导的所述第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该孙波导的所述第二表面区域。

所述波导中的每一个具有至少一个有源引导元件，所述有源引导元件可配置用于选择该波导的所述第二表面区域。

所述波导中的每一个具有至少一个引导元件，所述至少一个引导元件响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该波导的所述第二表面区域。

所述波导中的至少一个波导具有可配置用于选择该波导的所述第二表面区域的至少一个有源引导元件，并且所述波导中的至少另一波导具有用于响应于至少一个光束特性的元件而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该另一波导的所述第二表面区域的至少一个引导元件。

所述父波导之一和所述子波导之一具有至少一个波长响应引导元件，使得第一波长范围内的光束从其第一表面区域被引导向所述子波导或孙波导中的第一子波导或孙波导或从所述子波导或孙波导中的第一子波导或孙波导被引导向其第一表面区域，并且第二波长范围内的光束从其第一表面区域被引导向所述子波导或孙波导中的第二子波导或孙波导或从所述子波导或孙波导中的第二子波导或孙波导被引导向其第一表面区域；其中所述第一子波导或孙波导具有至少一个波长响应引导元件，使得所述第一波长范围的第一子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述一个第二表面区域被引导向其第一表面区域，所述第一波长范围的第二子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的另一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述另一个第二表面区域被引导向其第一表面区域；并且其中所述第二子波导或孙波导具有至少一个波长响应引导元件，使得所述第二波长范围的第一子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述一个第二表面区域被引导向其第一表面区域，所述第二波长范围的第二子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的另一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述另一个第二表面区域被引导向其第一表面区域。

所述有源引导元件或每个有源引导元件具有以下至少一项：可配置的透射率或反射率，或可配置的折射率。

所述有源引导元件或每个有源引导元件是可切换光栅或光栅区域。

所述引导元件中的至少一个是波长和/或偏振滤波器，其具有固定或可配置的波长响应和/或固定或可配置的偏振轴。

所述波导中的至少一个具有两个或更多引导元件以及三个或更多第二表面区域，其中任何一个能够通过配置所述两个或更多引导元件之一或二者和/或调制至少一个光束特性而被选择。

本文的第二方面提供了一种光学系统，包括：第一光学系统组件；多个第二光学系统组件；根据任何上述方面或实施例的至少一个多模光波导网络，所述多模光波导网络被布置成将光束从所述第一光学系统组件引导向所述多个第二光学系统组件中任何选定的第二光学系统组件，或者将光束从所述多个第二光学系统组件中任何选定的第二光学系统组件引导向所述第一光学系统组件；控制器，被配置为被配置为选择所述多个第二光学系统组件中的第二光学系统组件，并且通过配置所述多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性而使光束从所述第一光学系统组件被引导向所选择的所述第二光学系统组件或者使光束从所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

第一系统组件可以包括：发射器系统，光束从所述发射器系统被发出并被引导向所选择的所述第二系统组件；或检测器阵列，光束从所选择的所述第二系统组件被引导向所述检测器阵列。

光学系统可以包括一种或多种全息记录介质，其中第二系统光学组件中的至少一些可以是一种或多种全息记录介质的相应子体。

光学系统可以包括根据任何上述方面或实施例的第二多模光波导网络，并且控制器可以被配置为通过配置所述第二多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性，而使第二光束从所述第一光学系统组件被引导向相同的所选择的所述第二光学系统组件，或者使第二光束从相同的所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

光学系统可以包括根据任何上述方面或实施例的第三多模光波导网络，并且控制器可以被配置为通过配置所述第三多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性，而使第三光束从所述第一光学系统组件被引导向相同的所选择的所述第二光学系统组件，或者使第三光束从相同的所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

在例如在光通信或光计算上下文中，第一和/或第二光学系统组件的至少一个光学系统组件可以包括：信号转换器，被配置为将光束转换为电信号或将电信号转换为光束，或者光学处理器。

应当理解，以上实施例仅以示例的方式进行了描述。所公开技术的其他变体或用例可能变为一旦给出本文的公开内容，对于本领域技术人员来说是显而易见的。本公开的范围不受所描述的实施例的限制，而仅受所附权利要求的限制。

Claims (15)

1.一种多模光波导网络，包括：

父波导；以及

多个子波导；

其中所述父波导和所述子波导中的每一个是多模光波导，其具有第一表面区域、多个第二表面区域、以及附接到所述波导的表面或嵌入所述波导内的至少一个引导元件，所述父波导的每个所述第二表面区域均光耦合到所述子波导中的一个对应子波导的所述第一表面区域；以及

其中所述父波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，所述光束经由所述父波导的该第二表面区域和所述对应子波导的该第一表面区域被耦合进或接收自所述对应子波导，所述对应子波导的第一表面区域光耦合到所述父波导的该第二表面区域，每个子波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，其中所述波导中每一个的所述至少一个引导元件可配置用于选择该波导的所述第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该波导的所述第二表面区域。

2.根据任何前述权利要求所述的多模光波导网络，包括多个孙波导，所述孙波导中的每一个均是多模光波导，其具有第一表面区域、多个第二表面区域、以及附接到所述孙波导的表面或者嵌入所述孙波导内的至少一个引导元件，每个所述子波导的每个所述第二表面区域光耦合到所述孙波导中的一个对应孙波导的所述第一表面区域；

其中每个孙波导的所述至少一个引导元件被布置成将光束从其第一表面区域引导向其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域或者将光束从其多个第二表面区域中任何选定的第二表面区域引导向其第一表面区域，所述光束经由该孙波导的第一表面区域以及与该孙波导的第一表面区域光耦合的所述子波导的所述第二表面区域被耦合进或者耦合出该孙波导，所述孙波导中每一个的所述至少一个引导元件可配置用于选择该孙波导的所述第二表面区域和/或响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该孙波导的所述第二表面区域。

3.根据权利要求1或2所述的多模光波导网络，其中所述波导中的每一个具有至少一个有源引导元件，所述有源引导元件可配置用于选择该波导的所述第二表面区域。

4.根据权利要求1或2所述的多模光波导网络，其中所述波导中的每一个具有至少一个引导元件，所述至少一个引导元件响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该波导的所述第二表面区域。

5.根据权利要求1或2所述的多模光波导网络，其中所述波导中的至少一个波导具有可配置用于选择该波导的所述第二表面区域的至少一个有源引导元件，并且所述波导中的至少另一波导具有用于响应于至少一个光束特性而经由对所述至少一个光束特性的调制来选择该另一波导的所述第二表面区域的至少一个引导元件。

6.根据权利要求4或5所述的多模光波导网络，其中所述父波导之一和所述子波导之一具有至少一个波长响应引导元件，使得第一波长范围内的光束从其第一表面区域被引导向所述子波导或孙波导中的第一子波导或孙波导或从所述子波导或孙波导中的第一子波导或孙波导被引导向其第一表面区域，并且第二波长范围内的光束从其第一表面区域被引导向所述子波导或孙波导中的第二子波导或孙波导或从所述子波导或孙波导中的第二子波导或孙波导被引导向其第一表面区域；

其中所述第一子波导或孙波导具有至少一个波长响应引导元件，使得所述第一波长范围的第一子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述一个第二表面区域被引导向其第一表面区域，所述第一波长范围的第二子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的另一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述另一个第二表面区域被引导向其第一表面区域；以及

其中所述第二子波导或孙波导具有至少一个波长响应引导元件，使得所述第二波长范围的第一子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述一个第二表面区域被引导向其第一表面区域，所述第二波长范围的第二子范围内的光束从其第一表面区域被引导向其第二表面区域中的另一个第二表面区域或者从其第二表面区域中的所述另一个第二表面区域被引导向其第一表面区域。

7.根据权利要求3至5中除权利要求4之外任一项所述的多模光波导网络，其中所述有源引导元件或每个有源引导元件具有以下至少一项：可配置的透射率或反射率，或可配置的折射率，其中可选地所述有源引导元件或每个有源引导元件是可切换光栅或光栅区域。

8.根据任一前述权利要求所述的多模光波导网络，其中所述引导元件中的至少一个是波长和/或偏振滤波器，其具有固定或可配置的波长响应和/或固定或可配置的偏振轴。

9.根据任一前述权利要求所述的多模光波导网络，其中所述波导中的至少一个具有两个或更多引导元件以及三个或更多第二表面区域，其中任何一个能够通过配置所述两个或更多引导元件之一或二者和/或调制至少一个光束特性而被选择。

10.一种光学系统，包括：

第一光学系统组件；

多个第二光学系统组件；

根据权利要求1至9任一项的至少一个多模光波导网络，所述多模光波导网络被布置成将光束从所述第一光学系统组件引导向所述多个第二光学系统组件中任何选定的第二光学系统组件，或者将光束从所述多个第二光学系统组件中任何选定的第二光学系统组件引导向所述第一光学系统组件；以及

控制器，被配置为选择所述多个第二光学系统组件中的第二光学系统组件，并且通过配置所述多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性而使光束从所述第一光学系统组件被引导向所选择的所述第二光学系统组件或者使光束从所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述第一系统组件包括：

发射器系统，光束从所述发射器系统被发出并被引导向所选择的所述第二系统组件，或

检测器阵列，光束从所选择的所述第二系统组件被引导向所述检测器阵列。

12.根据权利要求11所述的光学系统，包括一个或多个全息记录介质，其中所述第二系统光学组件中的至少一些是所述一个或多个全息记录介质的相应子体。

13.根据权利要求10至12任一项所述的光学系统，包括根据权利要求1至9任一项所述的第二多模光波导网络，所述控制器被配置为通过配置所述第二多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性，而使第二光束从所述第一光学系统组件被引导向相同的所选择的所述第二光学系统组件，或者使第二光束从相同的所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

14.根据权利要求13所述的光学系统，包括根据权利要求1至9任一项所述的第三多模光波导网络，所述控制器被配置为通过配置所述第三多模光波导网络的所述引导元件中的至少一个和/或调制至少一个光束特性，而使第三光束从所述第一光学系统组件被引导向相同的所选择的所述第二光学系统组件，或者使第三光束从相同的所选择的所述第二光学系统组件被引导向所述第一光学系统组件。

15.根据权利要求11至14任一项所述的光学系统，其中所述第一光学系统组件和/或所述第二光学系统组件中的至少一个光学系统组件包括：

信号转换器，被配置为将光束转换为电信号或将电信号转换为光束，或

光学处理器。

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