KR20140021568A

KR20140021568A - 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140021568A
Application number: KR1020137024599A
Authority: KR
Inventors: 닐 콜링스; 안드레아스 조르지우; 마우라 미셸 레이몬드; 브라이언 로버트슨; 다핑 추; 진송 리우; 윌리엄 엘든 크로스랜드; 존 리차드 무어
Original assignee: 캠브리지 엔터프라이즈 리미티드
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2014-02-20
Also published as: WO2012110811A3; EP2676159A2; US9547276B2; US20170315507A1; KR101905808B1; WO2012110811A2; CN103403593A; JP2014511500A; JP6253989B2; US10067471B2; CN103403593B; EP2676159B1; US20150286187A1; GB201102715D0

Abstract

실리콘 액정(liquid crystal on silicon; LCOS) 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 기기가 개시되어 있다. 상기 기기는, 하나의 광학 입력; 복수 개의 광학 출력들; 키노폼(kinoform)의 디스플레이를 위해 상기 광학 입력 및 상기 광학 출력들 중 하나의 광학 출력 사이에 광학 경로를 이루는 LCOS 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM); 상기 SLM에 연결되어 있으며 상기 SLM 상에 상기 키노폼을 디스플레이하기 위해 키노폼 데이터를 제공하도록 구성된 데이터 프로세서;를 포함하고, 상기 키노폼 데이터는 상기 광학 입력으로부터 선택된 상기 광학 출력에 비임을 경로배정하는 키노폼을 정의하며, 상기 데이터 프로세서는 상기 선택된 광학 출력을 정의하는 경로배정 데이터를 입력하도록 구성되고 상기 경로배정 데이터에 응답하여 상기 비임을 경로배정하기 위해 상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성되며, 그리고 상기 데이터 프로세서는, 상기 키노폼에 대한 초기 위상 패턴을 결정함으로써, 상기 위상 패턴의 리플레이 필드(replay field)를 계산함으로써, 상기 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하여 상기 비임의 경로배정에 대하여 타깃 리플레이 필드를 나타냄으로써, 상기 리플레이 필드의 위상 성분을 유지하여 업데이트된 리플레이 필드를 제공함으로써, 상기 업데이트된 리플레이 필드 상에서의 공간-주파수 변환을 수행하여 상기 키노폼에 대해 업데이트된 위상 패턴을 결정함으로써, 상기 디스플레이를 위한 키노폼이 결정될 때까지 상기 리플레이 필드의 계산 및 업데이트 및 상기 공간-주파수 변환의 수행을 반복함으로써, 그리고 상기 LCOS SLM 상에 상기 디스플레이를 위한 키노폼 데이터를 출력함으로써, 상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성된다.

Description

원격통신에서의 광 비임의 경로배정 방법 및 장치{Apparatus and methods for light beam routing in telecommunication}

본 발명은 홀로그래픽 기법들을 사용하는 원격통신 기기들에서 광 비임들을 경로배정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시태양들은 실리콘 액정(Liquid crystal on silicon) 소자들 상에 키노폼(kinoform)들을 디스플레이하는 것에 관한 것이다.

홀로그래픽 기법들의 사용, 특히 원격통신에서의 키노폼들(위상 한정 홀로그램(phase only hologram)들의 사용은 디스플레이 애플리케이션들과 비교하면 높은 신호-대-잡음 비(signal-to-noise ratio; SNR)/낮은 누화 요구들 때문에 특정한 문제들을 나타낸다. 예를 들면, 디스플레이 애플리케이션에서 잡음/누화 레벨은 1:300 정도일 수 있지만 통신 기기에서 잡음/누화 레벨은 1:10000 정도일 수 있다. 일어날 수 있는 다른 특정한 문제들은 다음과 같다.

·1.5 미크론의 긴 파장에서의 동작은 (가시광선 소자들에 비하여) 두꺼운 액체층의 사용을 필요로 하여, 액정에서의 픽셀 어레이 패턴의 정확한 연출(rendition)을 훨씬 어렵게 한다.

·고 회절 효율 및 매우 낮은 누화가 필요하다.

·LCOS 소자들 상에서 연출되는 재구성가능한 동적이고 픽셀화된 키노폼들이 포토리소그래피 프로세스들에 의해 만들어진 고정된 키노폼들에 비하여 특정한 문제들을 지닌다. 상기 키노폼들은 비교적 큰 픽셀 크기를 지니며 픽셀 어레이의 크기는 제한적이고 상기 키노폼들은 액정 층에 관련된 가공물(artefacts)에 직면하게 된다.

·몇몇 경우에 피셀 패턴들의 비교적 빠른 계산은 예컨대 비임들을 적응적으로 조정하는데 필요하다.

배경기술의 기반이 되는 선행기술은 US 5,617,227; US 5,416,616; WO 03/021341; US 7,457,547; 그리고 "Iterative algorithm for the design of diffractive phase elements for laser beam shaping", J. S. Liu and M. R. Taghizadeh, August 15, 2002, Vol. 27, No. 16, OPTICS LETTERS p.1463; "Hologram Optimisation Using Liquid Crystal Modelling", Georgiou A.G. et al., Molecular Crystals and Liquid Crystals 2005 vol 434 pp 511-526; 그리고 "Fresnel ping-pong algorithm for two-plane computer-generated hologram display" in 10 February 1994/ Vol. 33, No. 5/ APPLIED OPTICS pp. 869)에서 찾아 볼 수 있다.

본 발명에서 해결하려는 과제는 다수의 출력을 갖는 시스템에서도 조차 그리고/또는 홀로그램이 다수의 픽셀을 갖는 경우에 실시간 키노폼 계산을 하는 것을 가능하게 하는 기법을 제공하는 것이다.

그러므로, 본 발명에 의하면 실리콘 액정(Liquid crystal on silicon; LCOS) 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 기기가 제공되며, 상기 기기는 하나의 광학 입력; 복수 개의 광학 출력들; 키노폼(kinoform)의 디스플레이를 위해 상기 광학 입력 및 상기 광학 출력들 중 하나의 광학 출력 사이에 광학 경로를 이루는 LCOS 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM); 상기 SLM에 연결되어 있으며 상기 SLM 상에 상기 키노폼을 디스플레이하기 위해 키노폼 데이터를 제공하도록 구성된 데이터 프로세서;를 포함하고, 상기 키노폼 데이터는 상기 광학 입력으로부터 선택된 상기 광학 출력에 비임을 경로배정하는 키노폼을 정의하며, 상기 데이터 프로세서는 상기 선택된 광학 출력을 정의하는 경로배정 데이터를 입력하도록 구성되고 상기 경로배정 데이터에 응답하여 상기 비임을 경로배정하기 위해 상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성되며, 그리고 상기 데이터 프로세서는, 상기 키노폼에 대한 초기 위상 패턴을 결정함으로써, 상기 위상 패턴의 리플레이 필드(replay field)를 계산함으로써, 상기 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하여 상기 비임의 경로배정에 대하여 타깃 리플레이 필드를 나타냄으로써, 상기 리플레이 필드의 위상 성분을 유지하여 업데이트된 리플레이 필드를 제공함으로써, 상기 업데이트된 리플레이 필드 상에서의 공간-주파수 변환을 수행하여 상기 키노폼에 대해 업데이트된 위상 패턴을 결정함으로써, 상기 디스플레이를 위한 키노폼이 결정될 때까지 상기 리플레이 필드의 계산 및 업데이트 및 상기 공간-주파수 변환의 수행을 반복함으로써, 그리고 상기 LCOS SLM 상에 상기 디스플레이를 위한 키노폼 데이터를 출력함으로써 상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성된다.

여러 실시예에서는, 위에 기재한 절차를 사용함으로써 다수의 출력을 갖는 시스템에서도 조차 그리고/또는 홀로그램이 다수의 픽셀을 갖는 경우에 실시간 키노폼 계산을 하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 키노폼은 특히 공간-주파수 변환이 하드웨어 고속 푸리에 변환으로서 구현되는 경우에 수십 밀리초 내에 계산될 수 있다. 상기 절차의 실시예들은 또한 원격통신에 중요한, 누화를 감소시키고 신호-대-잡음 비를 개선하기 위한 여러 가지 추가적인 기법들의 적용을 가능하게 해준다.

따라서, 한 바람직한 실시예에서는, 상기 데이터 프로세서가 상기 키노폼의 위상 패턴의 리플레이 필드를 계산하기 전에 상기 LCOS 공간 광 변조기의 응답의 모델을 정의하는 데이터에 응답하여 상기 키노폼의 위상 패턴을 수정하도록 구성된다. 대체로, 이를 통해 신속한 계산이 수행될 수 있는데, 이 경우에 비-이상적인 응답이 상기 키노폼 계산 절차의 한 번 이상의 차후 반복들로 정정될 수 있도록 실제 액정 재료의 응답이 모델링된다. 이는 훨씬 정확한 정보 및 누화 감소를 용이하게 한다. 액정의 위상 응답을 보상하기 위한 절차는 Georgiou et al(위에서 언급한 바와 같은 문헌)에 기재되어 있으며 그러한 절차가 여기에 사용될 수 있다.

키노폼 계산 절차의 실시예들은 또한 계산된 리플레이 필드가 수정되는 타깃 리플레이 필드의 '과보상(overcompensation)'을 허용하는데, 상기 과보상은 다른 방식으로 이루어졌던 것보다 신속하게 반복 키노폼 결정 프로세스가 수렴하게 한다. 이는 예를 들면 Liu et al(위에서 언급한 바와 같은 문헌)에서 논의되어 있는 절차를 사용하여, 「"Symmetrical iterative Fourier-transform algorithm using both phase and amplitude freedom for the design of diffractive beam shaping elements", Lui et al., 2005 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe, SPIE, at page 610」에서 심도있게 논의되어 있는, 수정된 푸리에-도메인 제약조건 함수를 사용하여, 타깃 리플레이 필드의 크기 성분을 조정함으로써 이루어질 수 있다. 상기 절차의 실시예들에서는 상기 리플레이 필드의 계산된 크기 성분이 원하는(크기) 리플레이 필드로 대체되지만, 다른 접근법들에서는 계산된 리플레이 필드가 원하는 타깃 리플레이 필드를 훨씬 정확하게 나타내도록 간단히 수정될 수 있다.

상기 키노폼 계산 절차는 또한 상기 리플레이 필드의 공간 면에서 선택된 출력으로부터 멀리 떨어져 있는 잡음의 재분포를 허용한다. 예를 들면 이는 반복 키노폼 계산 절차에서 사용된 리플레이 필드가 경로배정 기기에 의해 사용된 실제 리플레이 필드보다 크도록 상기 반복 키노폼 계산 절차에서 사용된 리플레이 필드를 확장함으로써 이루어질 수 있다. 상기 실제 리플레이 필드는 상기 리플레이 필드에서 복수 개의 광학 출력들에 의해 정의된 주변에 의해 정의될 수 있지만, 상기 키노폼 계산에 대해 큰 타깃 리플레이 필드가 사용되는 경우에, 상기 리플레이 필드 잡음은 이러한 큰 부위에 걸쳐 확산하게 됨으로써, 상기 기기에서 실제로 사용된 리플레이 필드의 일부에서는 잡음을 감소하게 된다(당업자라면 여러 실시예에서 광학 출력들이 상기 기기로부터 멀리 떨어진 곳에 이르게 하는 광학 파이버들에 대한 한 세트의 광학 파이버 입력들에 의해 정의될 수 있음을 알 수 있을 것이다.) 더 구체적으로 기술하면, "돈 케어(don't care)" 부위는 상기 광학 출력들과는 다른 출력 모두를 포함할 수 있다. 이는 디스플레이 목적을 위한 홀로그래픽 투영의 경우에 비하여 상당한 이점이다. 실제 구현에서는 계산에서 사용된 리플레이 필드의 크기 및 계산에 소요되는 시간 간의 밸런스(그리고 또한 평균이 문턱값 레벨보다 낮은 경우에 일반적으로 존재하게 되는 반복의 종점(termination point))가 존재한다.

상기 기기의 실시예들에서는, 상기 광학 출력들 중 하나 이상의 출력이 광학 신호 레벨을 결정하도록 모니터링될 수 있으며, 그리고나서 상기 타깃 리플레이 필드가 이에 응답하여 경로배정된 비임 및 광학 출력 간의 결합을 최적화하도록 조정될 수 있다. 예를 들면 상기 리플레이 필드 및 광학 출력(광파이버 출력) 간의 중복 적분(overlap integral)이 극대화될 수 있다. 이는 예를 들면 교정 절차로서 그리고/또는 온도 또는 시간, 예를 들면 시간 간격의 변화에 응답하여 수행될 수 있다. 선택적으로는, 한번보다 많은 그러한 리플레이 교정은 1보다 큰 온도 범위에 대해 채용될 수 있는데, 이 경우에는 상기 기기에 상기 범위/교정을 선택하도록 하는 온도 감지기가 포함될 수 있다. 당업자라면 일반적으로 출력 포트들이 매우 유사한 응답들을 갖게 되기 때문에 단지 하나의 출력 포트가 상기 기기에 대한 '교정'을 결정하기 위해 이러한 방식으로 모니터링 및 '교정'되어야 한다는 점을 알 수 있을 것이다.

부가적인 실시예들에서는, 상기 키노폼/리플레이 필드의 계산은 상기 타깃 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하여 상기 리플레이 필드에서의 포락선 크기 변화를 보상하는 것을 포함할 수 있다. 이는 상기 LCOS SLM의 개별 픽셀의 광 회절 원자에 기인하는, 2차원의 sinc 함수인 것이 전형적이다. 예를 들면 상기 리플레이 필드의 중앙 부분에 편향되는 비임의 크기는 중앙축 또는 광축으로부터 멀리 떨어진 리플레이 필드의 일부분에 향하게 될 경우의 비임의 크기가 유사하거나 실질적으로 동일한 크기를 갖도록 의도적으로 감쇄될 수 있다.

상기 기기의 실시예들은 예를 들면 원하는 타깃 리플레이 필드를 수정하여 출력 비임의 원하는 크기를 수정함으로써 채널 감쇄 및/또는 등화 기능을 합체할 수 있다. 원격 통신 기기에서 비임의 감쇄를 제어할 수 있는 능력은 중요한 이점이다.

여러 실시예에서는 단지 하나의 입력보다 오히려 복수 개의 입력들이 제공될 수 있으며 일반적인 경우에,

개의 입력 비임들이

개의 출력 비임들에 매핑될 수 있다.

상기 기기에 대한 입력 및 출력 중 어느 하나 또는 양자 모두가 양방향성(bi-directional)일 수 있다. 당업자라면 본 발명이 또한 여러 실시예에서

대 1 다중화기(multiplexer)를 제공하도록 입력들 및 출력들이 교환될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 다중화기 및 역다중화기(de-multiplexer)는 원칙적으로 하나의 기기로 결합될 수 있다. 따라서, 상기 기기의 실시예들은 멀티캐스트 애플리케이션들에 적합하다.

LCOS 공간 광 변조기는 일반적으로 단일 기기 또는 다이(die) 상에 디스플레이될 복수 개의 키노폼들에 충분한 픽셀들을 지닌다. 잠재적으로는 수백 개의 키노폼들이 하나의 LCOS 기기상에 디스플레이될 수 있다. 따라서, 여러 실시예에서는, 상기 기기가 하나의 LCOS 기기상에 디스플레이되는 개별 키노폼들을 사용하여 한 세트의 비임 경로배정 기능들을 구현하도록, 예를 들면 콤팩트한 실제 구현을 위해 공유형 광학 구성요소들을 갖는 한 세트의 비임 경로배정/스위칭 기기들을 제공하도록 구성될 수 있다.

몇몇 바람직한 실시예들에서는, 상기 기기가 키노폼 및 리플레이 면 사이에 푸리에 변환 렌즈를 포함하는데, 이는 색수차(chromatic aberration)에 대해 보정될 수 있다. 여러 실시예에서는 LCOS SLM이 반사형 SLM이며, 상기 광학 입력(들) 및 출력(들)이 실질적으로 동일한 면이고, 상기 푸리에 변환 렌즈는 상기 SLM 및 상기 입력/출력 면 사이에 존재한다.

상기 기기의 몇몇 실시예들에서는, 상기 키노폼의 계산이 특정 파장, 예를 들면 1.5 미크론에 대하여 최적화되지만, 다른 실시예들에서는 상기 키노폼의 계산이 파장 대역, 예를 들면 최적의 C-대역(1530-1565 nm) 및 L-대역(1565-1625 nm)에 걸쳐 최적화될 수 있다. 이러한 후자의 접근법은 상기 기기가 이때 적어도 광학 파장 대역, 예를 들면 적어도 10, 20, 30, 50 또는 100 nm의 광학 파장 대역에 걸쳐 실질적으로 파장에 대해 불가지론적인 입장을 취하도록 제조될 수 있기 때문에 바람직하다.

상기 기기, 및 이하에 기재되어 있는 방법의 실시예들에서는, 타깃 리플레이 필드가 한 위치로부터 다른 한 위치로의 출력 비임의 유연한 전환을 수행하도록 선택될 수 있다. 이는 선택된 광학 출력의 변경시, 현재 선택된 출력이 감쇄되고 그리고/또는 새로 선택된 출력이 제로(zero) 및 새로 선택된 출력의 원하는 (완전 출력) 레벨 간의 중간 크기에 있는 하나 이상의 변환 스테이지(transitional stage)들 및 리플레이 필드들을 통해 현재의 리플레이 필드 또는 광학 출력으로부터 원하는 리플레이 필드 또는 타깃 리플레이 필드 또는 광학 출력으로 변환하는 원하는 리플레이 필드 또는 타깃 리플레이 필드를 정의함으로써 이루어질 수 있다. 여러 실시예에서는 타깃 리플레이 필드 시퀀스가 예를 들면 한 출력을 페이드 다운(fade down)하고 다른 한 출력을 페이드 업(fade up)함으로써 한 광학 출력으로부터 다른 한 광학 출력으로 유연한 변환을 제공하도록 채용될 수 있다. 그러한 접근법의 경우에는, 현재의 리플레이 필드에 대한 키노폼에 대한 위상 분포를, 순서 면에서 다음 리플레이 필드에 대한 키노폼에 대한 초기 위상 분포로서 사용하도록 상속(inheritance)하는데 특히 도움이 된다. 상기 키노폼 계산 절차의 실시예들은「Bernau, M. "Improved hologram calculation for correlated video frames" International Conference on Consumer Electronics(ICCE), Digest of Technical Papers, pp. 507-508, 2010」에서 심도있게 논의된, 프레임

의 계산에 대한 초기화로서의 프레임

의 홀로그램의 사용을 허용한다. 더욱이, 한 프레임으로부터 다른 한 프레임으로의 홀로그램 계산에서 사용된 매개변수의 상속은 예를 들면 하나 이상의 피드백 및/또는 이득 매개변수들에서 성공적으로 채용될 수 있다. 상기 리플레이 필드들이 비교적 유사하기 때문에, 이는 상기 절차의 속도를 상당히 높인다. 더군다나, 이러한 접근법의 실시예들은 액정 재료의 동적 응답(dynamic response)에 관련된 문제들을 해결하는데 중요한 이점을 제공하는데, 그 이유는 예를 들면 출력 리플레이 필드에 대하여 한 리플레이 필드로부터 다른 한 리플레이 필드로 전환할 경우에 실제로 잡음이 플래싱(flashing)되는 것이 바람직하지 않기 때문이다. 점진적 변환을 제공함으로써, 그러한 "잡음 플래시(noise flash)들"이 실질적으로 억제될 수 있다.

관련된 실시태양에서는 본 발명이 광학 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 방법이 제공되며, 상기 방법은 LCOS SLM 상에 키노폼을 디스플레이하는 단계; 상기 LCOS SLM에 입력 광 비임을 제공하는 단계; 및 상기 키노폼을 가지고 상기 광 비임을 회절시켜 상기 LCOS SLM으로부터 회절된 출력 비임을 제공하는 단계;를 포함하며, 상기 방법은 핑-퐁(ping-pong) 알고리즘을 사용하여 상기 SLM 상에 디스플레이된 키노폼을 계산하는 단계;를 부가적으로 포함한다.

바람직한 실시예들에서는, 상기 핑-퐁 알고리즘이 예를 들면 랜덤(random)하게 또는 초기 타깃 리플레이 필드를 기반으로 하여 상기 키노폼에 대한 위상 분포를 초기화하는 동작, 상기 키노폼의 리플레이 필드를 계산하는 동작, 상기 리플레이 필드의 크기 분포를 수정하지만 상기 위상 분포를 유지하는 동작, 이러한 수정된 리플레이 필드를 업데이트된 키노폼으로 변환하는 동작 및 상기 계산 및 수정을 반복하여 원하는 타깃 리플레이 필드 상에 수렴하는 동작을 포함한다. 바람직하게는, 상기 리플레이 필드를 계산하기 전에 상기 키노폼은 특히 상기 LCOS SLM의 픽셀들의 위상 응답을 제한하는 액정 재료의 제한적 변형(limited deformation)을 고려하고, 좀더 구체적으로 기술하면 상기 LCOS SLM을 통한 (픽셀들에서의) 단거리에 걸쳐 큰 위상 변경들을 억제하도록 LCOS SLM 응답의 모델을 사용하여 수정된다.

바람직한 실시예들에서는, 상기 키노폼이 또한, 예를 들면 상기 키노폼의 리플레이 필드의 크기를 증가시킴으로써 상기 키노폼의 리플레이 필드에서 출력 비임의 원하는 위치로부터 멀리 떨어져서 크기 잡음을 재분포시키도록 수정된다. 여러 실시예에서는 상기 절차가 또한 상기 알고리즘의 훨씬 신속한 수렴을 위해 상기 타깃 크기 리플레이 필드에서 어느 정도의 과보상을 포함할 수 있다.

본 발명은 다수의 출력을 갖는 시스템에서도 조차 그리고/또는 홀로그램이 다수의 픽셀을 갖는 경우에 실시간 키노폼 계산을 하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 이러한 실시태양들 및 다른 실시태양들이 지금부터 단지 예로써 첨부도면들을 참조하여 구체적으로 설명될 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 한 실시예에 따른 LCOS 광 비임의 경로배정 기기의 실시예, 상기 기기에서 채용될 수 있는 키노폼 계산 절차의 실시예, 및 편광 다이버시티(polarization diversity)를 갖는 LCOS 광 비임의 경로배정 기기의 실시예를 각각 보여주는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b는 광학 네트워크에서의 홀로그래픽 스위치의 위치 및 홀로그래픽 상호접속의 광학 배치를 보여주는 도면들이다.
도 3은 입력 및 출력 파이버의 제안된 배치(예기서

= 192)를 보여주는 도면이다.
도 4는 텔레센트릭(telecentric) f-세타(f-theta) 렌즈가 초점면에 대한 표준 각도에서 비임의 초점을 맞추고 텔레센트릭 에프-세타 렌즈의 위치가 필드 각도(field angle)와 비례하며 상기 초점면이 평면임을 보여주는 도면이다.
도 5는 비임 직경의 함수로서의 아포다이제이션 손실(apodisation losses)을 보여주는 도면이다.
도 6은 홀로그래픽 광학 상호접속용으로 설계된 LCOS 기기의 치수들을 보여주는 도면이다.
도 7은 출력 사용자들의 수에 대한 홀로그램 회절 효율을 보여주는 도면으로서, 결과적으로 여러 사용자를 가진 네트워크들에 가장 적합한 홀로그래픽 상호접속들을 이룸으로써 효율이 증가하는 것을 보여주는 도면이다.
도 8은 사각형의 픽셀 형상 때문에 출력 면에 형성된 sinc 포락선을 보여주는 도면으로서, 파이버들을 중심에 유지하는 것이 감쇠를 감소시키는 것을 보여주는 도면이다.
도 9는 등고선 맵으로서 2차원 sinc 포락선을 보여주는 도면이다.
도 10은 유용한 면적 점유율의 함수로서 sinc 포락선에 기인하는 허용가능한 손실을 보여주는 도면으로서, 2개의 별 모양이 LOIS 기기에 대한 제안된 동작점들에 상응하는 도면이다.
도 11은 위상 양자화된 홀로그램의 회절 효율을 보여주는 도면으로서, 위에서 볼 때 단일의 지점, 100 및 10 지점 생성 홀로그램에 대한 효율을 보여주는 도면이다.
도 12는 LOIS 특성을 갖는 기기에 대한 프린징 필드(fringing fields)를 가지는 블레이징(blazing)된 격자의 회절 효율 및 LOIS 특성을 갖는 기기에 대한 프린징 필드를 가지지 않는 블레이징된 격자의 회절 효율을 보여주는 도면이다.
도 13은 LOIS의 특성을 갖는 기기에 대한 프린징 필드를 가지는 블레이징된 격자의 회절 효율 및 LOIS 특성을 갖는 기기에 대한 프린징 필드를 가지지 않는 블레이징된 격자의 회절 효율을 보여주는 도면이다.

대체로 픽셀 패턴들을 사용하여 원격 통신 표준을 이루도록 c-대역에서 회절 광학 구성요소들로서 LCOS 기기들을 사용하는 것과 관련된 특정 문제들을 극소화시키는데 사용되는 방법, 좀더 구체적으로는 LCOS 기기들 상에서 픽셀화된 키노폼들로 통신 c-대역의 신호 비임들을 제어하는 것이 설명될 것이다.

여러 실시예에서의 기법들은 적합하게 설계된 실리콘 액정(liquid crystal over silicon; LCOS) 기기들 상에 동적으로 디스플레이되는 프로그램가능한 위상 변조 픽셀들의 패턴들을 포함하는 컴퓨터로 생성된 홀로그램들을 통해 원격 통신 1.5 미크론 파장 윈도우에서의 광학 신호의 형성, 분할 및 조정하는 것에 관한 것이다. 특히, 무의미한 크기 변조를 갖는 반사된 광 비임의 위상 한정 변조를 제공하는 병렬 정렬된 네마틱 LCOS 기기들을 사용하는 것과 관련이 있다. 그러한 기기들의 최신 버전들은「N Collings, T Davey, J Christmas, D Chu, and B Crossland, "The applications and technology of phase - only liquid crystal on silicon devices" (Invited Review), IEEE/OSA J Display Techn Volume:　7, Issue:　1, Date:2011, Pages:　112-119」에 기재되어 있다. 이러한 기기들은 입사광의 편파를 반사에 따른 직교 편파(orthogonal polarisation)(교차 편파; polarisation crossover)로 변환시키지 못한다.

특히, 상기 기법들은 이러한 비임들이 높은 비임 품질을 보장하며 출력 파이버들에서 반송(搬送)되는 신호의 누화를 극소화함으로써, 원격 통신 시스템의 요건들을 충족하는 방식으로 단일 모드 출력 파이버들 내에 효율적으로 안내될 수 있게 하는 상기 비임들의 품질 개선에 관한 것이다.

이를 달성하기 위해, 특히 LCOS 기술에 의해 가능하게 만들어지고 근적외선(near-infra-red)에서 동작하는 재구성가능한 동적 회적 기기들에서 생기는 특정 문제들을 해결하도록 신호 비임들을 회절시키는데 사용되는 LCOS 기기들 상에 디스플레이될 픽셀화된 키노폼들의 픽셀 패턴들을 계산하는 특정 기법들이 사용된다. 이러한 애플리케이션들은 도입부에서 이미 대강 설명한 바와 같은 특정 문제들을 일으킨다.

실제 LCOS 기기들 상에 디스플레이된 주기적 격자(periodic grating)들만으로 이루어진 간단한 픽셀 패턴들이 효율, 저잡음 및 누화에 대한 요건들을 충족하지 않는다. 근적외선에서 동작하는 원격 통신 기기들을 만들어내기 위해, 비-주기적이며 옵션으로 맞춤형 비용 함수들을 사용하여, 반복 컴퓨터 알고리즘의 도움으로 도출되는 것이 일반적인 픽셀 패턴들이 설명될 것이다. 상기 비용 함수들은 비-선택된 출력 파이버들 내로의 광 손실(누화)이 고비용을 수반하며 결과로 초래된 홀로그램이 상용 시스템에 필요한 매우 낮은 누화 레벨들을 나타내도록 기재될 수 있다.

상기 기법들은 예를 들면 한 기기에 의해 수행되는 다수의 기능을 가능하게 하는 멀티캐스팅(multicasting); 전체 2D 상호접속 면의 오픈 업(opening up); 누화 극소화; 수차 보정(aberration correction); 및 새로운 기능들을 회절 구조에 추가함(예컨대, 채널 등화);을 용이하게 한다.

넓은 의미에서는, 픽셀 패턴들을 도출시키는데 사용되는 방법들이 주기성(periodicity)을 가정하지 않는다. 따라서, 상기 방법들은 주기적 픽셀 패턴들을 유한 픽셀 어레이들로 고정함으로 인한 제한들을 본질적으로 최소화한다. 이러한 방법들은 각각의 픽셀이 그 자체의 개별 위상 지연을 지니는 것임을 암시적으로 가정한 것인데, 다시 말하면 위상 프로파일은 양자화된 것으로 가정된 것이며 상기 방법들은 픽셀 구조에서 기인하는 양자화 잡음을 극소화시킨다. 상기 방법들을 통해서 최적화가 홀로그램들의 애퍼처 함수(aperture function)를 가지고 픽셀 패턴의 콘벌루션(convolution)을 통해 수행될 수 있게 함으로써 픽셀 패턴의 범위가 유한한 것임이 인식될 수 있을 것이다. 애퍼처 함수는 출력 파이버 내로의 비임 결합을 극대화시키는데 설계된 출력 크기 프로파일을 이루도록 키노폼 생성 루틴 내에 병합될 수 있다.

연산 속도를 높이기 위해, 또한 누화 및 잡음을 최소화시키기 위해, 상기 알고리즘들이 과보상 및 돈 케어 영역들을 가지고 수정될 수 있다. 상기 반복 알고리즘들은 픽셀화된 키노폼의 픽셀 패턴을 적응성 있게 조정하여 상기 출력 비임을 정확하게 배치하고 상기 출력 파이버를 통한 중복 적분을 극대화하도록 설계될 수 있다.

이러한 방법들의 실시예들을 통해서 액정 위상 변조기들이 매우 높은 공간 주파수들을 재생할 수 있음도 또한 인식될 수 있을 것이다. 상기 픽셀 패턴들은 대칭 차수(symmetric order)들로의 편향에 의해 소산(消散)되는 광을 극소화하도록 이러한 가정하에서 최적화될 수 있다. 더욱이, 상기 픽셀 패턴은 전체 위상 함수를 상기 픽셀 패턴에 추가하여 제로(zero) 차수의 잔류광 또는 홀로그램 패턴의 양자화로부터 초래되는 잡음과 비교하여 볼 때 상이한 면의 초점에 신호광이 오게 함으로써 수정될 수 있다. 이는 신호 비임들의 신호 대 잡음을 증가시키고, 후자의 경우에는 제로 차수의 광의 공간 필터링을 허용한다. 상기 픽셀 패턴은 또한 전체 위상 함수를 상기 픽셀 패턴에 추가하여 광학 모듈에서의 수차들 또는 부정확성들을 보정함으로써 수정될 수 있다.

여전히 부가적으로는 상기 방법들의 실시예를 통해서 회절 패턴의 파장 선택도의 일부 수정이 이루어질 수 있음으로써, c-대역 전반에 걸친 파장을 가지고 최소 '롤-오프(roll-off)'를 보여주며 이러한 대역 내에서 파장에 대해 불가지론적인 전환을 허용하는 픽셀화된 키노폼들이 설계될 수 있다.

여러 실시예에서 본 발명은 (

범위의 위상 변조를 허용하도록)

보다 크거나 같은 위상 편위(phase excursion)를 지니는 프로그램가능한 픽셀화된 키노폼들에 대한 허용가능한 성능 및 기능성을 실현하는 방법들에 관한 것이다. 상기 픽셀 패턴들은 광학 신호 처리를 수행하도록 원격 통신 모듈에 내재하는 실리콘 액정(Liquid Crystal over Silicon; LCOS)의 초소형 디스플레이(micro-display) 상에 디스플레이된다. 상기 픽셀 패턴들은 반복 알고리즘들을 사용하여 연산되며 주기적 격자들로 이루어지지 않고 비-주기적 빌딩 블록들로 이루어진다. 상기 픽셀 패턴들은 통신 대역에 있는 파장을 갖는 근적외선광을 선택된 출력 위치들로 회절시킨다.

상기 방법들의 실시예들에서는 전체 키노폼 픽셀 블록에 적용되는 고속 푸리에 변환 알고리즘을 기반으로 하여 이루어진 키노폼 픽셀 패턴들을 실시간으로 연산하는 알고리즘들이 사용된다. 상기 방법들의 실시예들은 효율을 증가시키고 잡음을 극소화하도록 과보상 및 '돈 케어 영역(don't care region)'을 구체화한다. 상기 키노폼 픽셀 패턴들은 전기장(electric field)이 가해질 경우에 액정의 네마틱 방향자(nematic director)에 의해 직면하게 될 수 있는 제한적 변형을 고려하도록 계산된다. 상기 키노폼 패턴들은 비임 분할 및 비임 감쇄를 허용하도록 수정될 수 있다. 키노폼 픽셀 패턴들은 또한 사용중에 있는 원격 통신을 통해 파장 선택도를 극소화하도록 수정될 수 있다. 여러 실시예에서는 주요 키노폼의 위상 프로파일에 추가 광학 성분들 모듈로

가 추가된다. 스폿들 및 스폿 어레이들 내의 비임들/스폿들 및 스폿 어레이들로부터의 비임들이 편향될 수 있다.

여러 실시예에서는 키노폼이 프로세서에서 생성되며 상기 LCOS에 의한 표현을 위해 프로그램되는데, 이는 위상 홀로그램의 표현을 포함한다. 이러한 기법이 위상 한정 변조에 의존하기 때문에 크기 변조를 통한 광 손실이 전혀 없다. 바람직하게는 고정 배선된 고속 푸리에 변환 프로세서(들)를 채용하여 키노폼을 실시간으로 연산할 수 있는 한 부류의 알고리즘이 사용된다. 상기 절차는 핑-퐁 알고리즘들(예를 들면 IFTA, Gerchberg Saxton)로서 언급되는 한 부류의 양방향성 반복 최적화 알고리즘들을 기반으로 하여 이루어진다. 공지된 제약조건들이 존재하는 제2 면에 상기 위상(키노폼) 면을 매핑함으로써 상기 위상(키노폼) 면에서 랜덤하거나 결정론적인 위상 분포가 최적화된다. 그리고나서, 상기 분포가 상기 위상 면으로 다시 매핑되며, 크기가 1로 제한되고, 상기 프로세스는 위상 면에서의 만족스러운 위상 분포가 이루어질 때까지 반복된다.

여러 실시예에서는 이러한 절차가 LCOS 기기상에 1차원 및 2차원 위상 프로파일을 근사화하는 방법을 채용하여 유한 액정 변형을 보상하고 이러한 방법을 사용하여 LCOS 전극들 상에서의 최적 전압 프로파일을 연산함으로써 시스템 성능(예를 들면 환경적 조건들을 변경하는 시스템의 안정성 및/또는 누화)이 최적화되게 하도록 적응된다. 예를 들면 액정 프로파일을 추정하기 위해, "스프링 모델(spring model)", 실제로는 (커널을 통한 콘볼루션과 동등한) 저대역 통과 필터가 채용될 수 있다. 상기 필터의 매개변수들(또는 콘볼루션 커널)은 단지 한 쌍(1D에서) 또는 4개(2D에서)의 인접 픽셀들만을 사용하여 계산될 수 있다. (여러 전압 하에서의 이러한 2개(또는 4개)의 픽셀의 동작(behaviour)이 복잡한 연속 수학식들을 구하는 많은 연산을 요구하는 기법들, 예를 들면 유한 요소 법(Finite Element Method)들 또는 텐서 방법(Tensor Method)들을 사용하여 시뮬레이트될 수 있다.) 여러 실시예에서는 결과로 초래되는 키노폼이 고도의 LC 결함들, 특히 그다지 벤딩(bending)할 수 없는 LC의 결함을 묵인하도록 그러한 저대역(공간) 필터 또는 키노폼을 연산하기 위한 반복 루프에 있어서의 콘볼루션이 포함된다.

대표적인 구현예

도 1a를 참조하면, 도 1a에는 본 발명의 한 실시예에 따른 LCO 광 비임 경로배정 기기(100)의 한 실시예가 도시되어 있다. 파이버 광학기기 어레이(102)는 공통 면(104)(키노폼 리플레이 면)에서의 입력들 및 출력들을 가지고, 하나 이상의 파이버 광학기기들(102a) 및 복수 개의 출력 파이버 광학기기들(102b)을 포함한다. LCOS SLM(106)은 키노폼의 위상 패턴을 디스플레이하며 반사 모드로 동작한다. 푸리에-변환 렌즈(108)는 상기 리플레이 면(104) 및 키노폼/SLM(106) 사이에 배치된다. 상기 SLM은 광학 출력을 선택하기 위한 경로배정 데이터를 수신하는 입력(110)을 지니는 데이터 프로세서(108)에 의해 구동된다. 여러 실시예에서는 상기 데이터 프로세서가 이하에 설명되는 계산들을 수행하여 SLM(106)에 대한 출력 키노폼 데이터를 결정한다. 여러 실시예에서는 입력 및/또는 출력 비임들 중 하나 이상의 입력 및/또는 출력 비임들은 비임 모니터(112), 예를 들면 검출기 어레이에 의해 모니터링될 수 있다. 당업자라면 예컨대 하나의 파이버 광학기기를 다른 한 파이버 광학기기와 분리하는 것을 포함하여 채용될 수 있는 여러 모니터링 기법이 존재함을 알 수 있을 것이다. 추가로나 변형적으로 개별 출력 포트는 모니터링을 위해 제공될 수 있다. 모니터(112)로부터의 출력은 초기 교정의 옵션 사용을 위해 데이터 프로세서(108)에 제공됨으로써 타깃 리플레이 필드 함수가 파이버 광학기기의 입력 및 편향된 광 비임 사이의 중복 적분(overlay integral)과 같은 결합을 최적화, 좀더 구체적으로는 극대화시키도록 조정될 수 있게 한다.

상기 데이터 프로세서(108)는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이 2가지의 소프트웨어 및 하드웨어의 결합 중 어느 하나로 키노폼 계산 절차를 구현한다. 특히 속도/효율을 위해 하드웨어로 상기 계산의 푸리에 변환 절차를 수행하는 것이 바람직하다.

도 1b를 참조하면, 도 1b에는 본 발명의 한 실시예에 따른, 데이터 프로세서(108)에서 채용될 수 있는 키노폼 계산 절차의 한 실시예가 도시되어 있다.

따라서 단계 150에서는 상기 키노폼에 대한 위상 데이터(phased data)가 예를 들면 1차원 또는 2차원으로의 격자 타입 솔루션을 위해 초기화되는데, 그 이유는 대체로 이러한 것이 원하는 출력 위치로의 입력비임의 편향에 상응해야 하기 때문이다. 옵션으로 이러한 초기화는 출력 파이버 광학기기의 입력상에 출력비임의 초점을 맞추도록 을 위상 패턴 상에 렌즈를 중첩하는 것을 포함할 수 있는데, 푸리에 변환은 이를 구현하기 위해 채용될 수 있다. 일반적으로 이러한 초기화는 출력비임에 대한 단일 크기(unity amplitude)를 가정한 것이지만, 옵션으로는 상이한 크기가 예를 들면 채널 등화를 구현하는데 채용될 수 있다. 비록 상기 위상 패턴을 격자와 같은 솔루션으로 초기화하는 것이 편리하지만, 이는 필수적인 것이 아니며 다른 접근법들, 예를 들면 랜덤 초기화(random initialization)가 채용될 수 있다.

단계 152에서는 위상 패턴이 LCOS SLM의 액정 응답을 고려하도록 수정된다. 여러 실시예에서는, 이러한 것이 Georgiou et al(ibid)에서 좀더 구체적으로 설명된 바와 같이, 디지털 필터(저대역 필터) 또는 콘볼루션 단계에 의해 수행될 수 있다.

그리고나서, 단계 154에서는, 상기 데이터 프로세서(108)가 위상 성분 및 크기 성분을 포함하는 키노폼의 리플레이 필드를 계산한다. 상기 위상 성분은 유지되며 여러 실시예에서는, 상기 크기 성분이 예시된 예(120)와 같은 원하는 리플레이 필드에 의해 대체된다. 잡음 감소를 위해 이는 상기 파이버 광학기기 출력들의 주변(122)을 넘어서 확장(130)될 수 있다.

상기 리플레이 필드의 계산된 크기 성분을 원하는 타깃 리플레이 필드로 대체하는 단계 156은 또한 상기 계산된 크기 및 원하는 크기 간의 차이가 문턱값 레벨 미만인지에 대한 검사(check)를 포함하는 것이 바람직한데, 이 경우에 상기 절차는 완료되어 키노폼 데이터를 출력(158)한다. 당업자라면 상기 리플레이 필드들의 계산된 크기 성분 및 타깃 크기 성분 간의 차이가 허용 경계(tolerable bound) 범위에 있는지의 여부에 대해 일련의 서로 다른 측정치들 중 어느 측정치라도 채용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

상기 절차가 완료되지 않은 경우에, 단계 160에서는 상기 리플레이 필드의 이전 위상 성분 및 신규 크기 성분이 신규 타깃 리플레이 필드가 되며 공간-주파수 변환 162, 특히 푸리에 변환이 이를 상기 키노폼 면으로 변환하도록 수행된다. 그리고나서, 상기 절차는 단계 152로 루프백하여 저대역 공간 필터링함으로써 이러한 신규 위상 패턴을 다시 수정한 다음에 다시금 액정 응답의 효과들을 합체한다. 그리고나서, 상기 절차는 일정 루프를 속행하여 원하는 키노폼 데이터가 출력될 때까지 상호작용한다.

도 1c를 지금부터 참조하면, 도 1c에는 편파 다이버시티(polarization diversity)를 병합하는 LCOS 광 비임 경로배정 기기(180)의 실시예가 도시되어 있다. 도 1a의 요소들과 동일한 요소들은 동일한 참조부호들로 나타나 있다. 이러한 실시예에서는 편광 비임 스플리터(182)는 S광의 2가지 편광을 LIM1(106a) 상에 입사되는 s-편광(점선) 및 SLM2(106b) 상에 입사되는 p-편광(실선)으로 분할한다. 2가지 편광은 개별적으로 회절되어 상기 출력 파이버 상에서 다시금 합쳐진다. 상기 2개의 SLM에서의 액정들의 정렬은 입사 편광에 적합하다.

LCOS 기기들을 사용한 광학 상호접속부들의 멀티캐스팅 시의 부가적 고려들

지금부터 경로배정 요소로서 회절용 실리콘 액정(Liquid Crystal over Silicon; LCOS) 기기를 사용하는 광학 상호접속부의 특성 및 예상된 기능이 설명될 것이다. 그러한 상호접속부는 고화질 텔레비전(high definition television; HD TV)을 분산시켜 각각의 사용자에 대한 전자 또는 광학 송신기를 회피하도록 인접위치의 광학 네트워크에서 사용될 수 있다. 상기 LCOS 기기의 최적 특성은 픽셀 개수 및 실리콘 부위 면에서 계산되며 오늘날의 기술로 실현가능한 것으로 밝혀져 있다. 마지막으로 출력 포트들의 개수 및 광학 효율 면에서의 LCOS의 성능이 평가되며 100 세대가 있는 인접위치에 적합한 것으로 밝혀져 있다.

미래의 광학 네트워크들은 광학 상호접속부들에 훨씬 더 의존하게 된다. 상기 광학 상호접속부들은 링크 고장 후에 네트워크를 복구하고, 대역폭을 동적으로 분산시키며 그리고 사용자들을 원격에서 접속 또는 접속차단하는데 사용될 수 있다. 파이버 투 더 홈(fiber to the home; FTTH)이 훨씬 넓게 설치될 경우에 광학 상호접속부들은 네트워크 내에, 예를 들면 다수의 출력 및 멀티캐스팅이 필요한 비디오 신호 분산에서 높은 대역폭의 사용자들을 추가 또는 제거하는 플렉시블하고 비용이 적게 드는 방법을 제공해준다.

어느 한 홈 사용자의 다운로드 속도는 업로드 속도보다 상당히 크게 된다. 그러므로 상기 네트워크의 변형은 서비스 제공자로부터 사용자로 이루어지게 된다. 텔레비전 시청자는 자신이 즉석 액세스(instant access)를 원하는 몇백 개의 채널들에 쉽게 가입될 수 있다. 이러한 채널들이 1080p로 이루어지며, 아마도 그 일부가 3D 기능을 갖는 경우에, 대역폭 요건들이 중요하다. 그 외에도, 일부 사용자들이 주문형 비디오(video on demand)를 요구하는 경우에, 서비스 제공자로부터 인접위치에 전달되는 비디오 채널들의 총 개수가 일천 개에 이를 수 있다. 개인화된 콘텐츠는 (무선 네트워크와 마찬가지로) 암호화된다. 일천 개의 고화질 채널에서는, 총 대역폭 요건이 Gbps 정도이다. 이러한 비트레이트에서, 광학 신호로부터 전기 신호로의 변환은 값이 비싸며 사용자 측에서 이루어진다. 광학 도메인에서 신호를 경로배정하는 것은 고속 전자 라우터 및 교환시 광학-전기-광학 변환에 대한 필요성을 없앤다.

도 2a에는 스위치가 HDTV 분산 네트워크에서 사용될 수 있는 방식이 도시되어 있다. 고-출력 광학 신호를 생성한 다음에 광학 상호접속부를 사용하여 분산함으로써 각각의 사용자를 위한 전자 또는 광학 송신기의 사용이 회피됨으로써 하드웨어 및 설치 비용들이 줄어들게 된다. 미래에는 (편광이 신중하게 제어되는) 단일의 강력한 레이저가 광학 상호접속부에 의해 분산되는 전력을 10명의 사용자 또는 100명의 사용자에게 제공할 수 있다.

여기서 유념할 점은 막대형 분자 구조로 인한 액정 재료들이 상이한 방식으로 레이저의 각각의 편광에 영향을 준다는 점이다. 이는 레이저 소스가 실질적으로 상기 LCOS 기기에 인접해 있고 레이저 소스의 편광이 액정 분자들과 나란하게 설정되는 경우에 문제가 되지 않는다. 이러한 경우에, 상기 편광 효과들이 제어되며 입사파의 위상 편위가 극대화된다. 일부 작은 편광 변조는 상이한 전압의 픽셀들 사이에서 관찰될 수 있지만 그의 효과는 (차후에 논의되는) 플라이 백(fly back) 효과들보다 상당히 작게 된다.

경쟁 효과들에 비해 홀로그램 상호접속부들의 이점은 상기 홀로그램 상호접속부들이 단지 선택된 포트들에 대하여만 전력을 경로배정할 수 있다는 점이다. 따라서 효율이 잠재적인 사용자들의 수(

)에 의해 영향을 받지 않고 접속된 사용자들의 수(

)에 의해 영향을 받는다. 홀로그래픽 스위치에서 출력 채널에 대한 전력은

로 표기(도 2a 참조)되며 여기서

는 상호접속부의 출력 효율이고

은 상기 스위치 내로 입력되는 출력이다. 이는 잠재적인 사용자들의 수(

)가 많을 경우에 홀로그래픽 스위치들을 이상적이게 하지만 어느 순간에든 인접위치에서의 비디오의 분산과 같이 잠재적인 사용자들 중 단지 일부만이 접속된다. 서비스 제공자들은 잠재적인 고객들(

)로서 모든 세대들을 갖기를 원하지만, 어느 순간에든 모든 세대들의 수(

)만이 접속된다.

다른 기술들은 멀티캐스트 방식으로 이루어지지만 그러한 다른 기술들은 비-접속된 사용자들로부터의 광을 차단함에 있어서의 상기 다른 기술들의 동작을 기반으로 하여 이루어진다. 이는 홀로그래픽 스위치에 대한

와 비교하여 볼 때

미만에 사용자당 전력이 오게 한다. 따라서 홀로그래픽 스위치는 잠재적인 사용자들의 수(

)를 가질 수 있는 유연성(flexibility)을 제공하며 이러한 유연성에 대해 어떠한 전력도 감퇴시키지 않는다.

홀로그래픽 상호접속부의 다른 한 이점은 홀로그래픽 상호접속부가 네트워크에 대한 추가적인 기능들을 수행할 수 있다는 점이다. 홀로그램은 비임의 위상 프로파일을 재기록하여 초점 이탈(defocus), 난시(astigmatism) 또는 오정렬(misalignment)을 보정함으로써, 출력 파이버들 내로의 전력 결합을 개선할 수 있다. 다른 기능들은 채널 등화, 잡음 억압 및 채널들의 모니터링 제공을 포함한다.

이는 홀로그래픽 스위칭 상의 이론과 함께 시스템에 대한 광학 배치를 제공하며; 시스템 효율의 이론적 추정을 제공하는 홀로그래픽 상호접속부에서의 손실 소스들을 제공하고; 홀로그래픽 스위치에서 가능한 출력 포트들의 수에 대한 추정을 제공하며; 그리고 LCOS 기기의 특성을 제시하는 시스템 전반의 표현을 제공한다.

홀로그래픽 상호접속부들

홀로그래픽 광학 상호접속부들이 회절을 사용하여 타깃 출력 파이버들에 광을 경로배정한다. 도 2b에는 홀로그래픽 상호접속부들에서 사용되는 광학 배치가 도시되어 있다. 가우시안과 같은 프로파일을 가지며 입력 파이버로부터 나오는 비임은 확장되고, 그 다음에 상기 비임이 포지티브 렌즈(positive lens)에 의해 시준(視準)된다. 치수들

을 가지는 LCOS 기기는 입사비임의 위상을 변조하여 고주파 성분을 도입시킨다. 반사된 비임은 실제로 비임 프로파일을 푸리에 변환하는 렌즈에 의해 초점이 맞춰진다. 이는 비임 초점이 상기 기기상의 위상 패턴에 의존하여 상이한 위치 또는 위치들 상에서 이동하게 한다.

상기 기기상의 조명 프로파일은 가우시안 프로파일에 의해 근사화될 수 있다. 상기 조명 프로파일의 폭은 또한 가우시안인 근접장(near field)의 푸리에 변환에 의해 제공된다. 2개의 비임 폭은 이하의 수학식 1에 관련되어 있으며,

상기 수학식 1 중에서

는 렌즈의 초점거리이고,

는 광학 파장이며,

는 LCOS 기기상의 비임 폭이고 그리고

는 입력 소스의 입력 폭이다(도 2 참조). 가우시안 프로파일에서는, 강도가 그의 첨두값의

로 떨어지는 원 직경으로서 비임 폭이 정의된다.

상기 출력비임의 크기는 또한 수학식 1에 의해 제공된다. 광학 손실들

를 최소화하도록 하는 경우인, 상기 비임이 그다지 어포다이제이션(apodisation)되지 않다면, 출력비임 폭이 입력 비임 폭

와 동일하다. 상기 입력 파이버가 출력 파이버와 동일한 직경을 지니는 경우에 출력비임이 출력 파이버에 정확히 적응하게 된다. 상기 출력 파이버의 직경을 증가시키는 것은 스폿 크기 및 위치결정에 엄격한 제약조건을 완화하며 결합 효율이 개선되게 한다. 이는 다중-모드 파이버(multi-mode fibre; MMF), 테이퍼 파이버 또는 마이크로 렌즈의 사용에 의해 이루어질 수 있다. 상기 광학 파이버들은 1.3 ㎛, 1.5 ㎛ 또는 850 ㎛에서 동작하며 도 3에 도시된 바와 같이 사각형 격자로 배치될 것으로 예상된다. 상기 입력 파이버는 상기 그리드의 중앙에 배치된다. 상기 LCOS 기기는 상기 입력 파이버 내로 다시 진입하는 원하지 않는 임의의 반사들을 제거하도록 상기 입력 파이버에 관하여 작은 경사(tilt)를 지닐 수 있다. 단일 모드 파이버(single mode fibre; SMF)의 클래딩(cladding)이 125 ㎛ 직경을 지님에 따라, 출력 파이버 코어들 간의 간격(spacing)이 또한 적어도 125 ㎛이다.

효율

상호접속부의 광학 효율은 입력 신호를 통한 출력 신호 전력으로서 정의된다. 각각의 사용자는 소정의 최소 전력을 수신해야 한다. 입력 전력

이 상기 상호접속부에 의해 제어될 수 있다고 가정하면, 효율

가 접속된 사용자들의 최대 수를 결정한다. 따라서 고효율은 더 많은 사용자가 접속될 수 있게 해준다.

허용 효율의 값들은 폭넓게 변화하며 시스템의 애플리케이션 및 다른 기능들에 의존한다. -7 dB보다 양호한 효율들을 갖는 MEMS 교차 접속부들은 256개에 이르기까지의 입력 및 출력을 가지는 것으로 보고되었다. 그러나, 특정 시스템이 멀티캐스트 또는 브로드캐스트 방식으로 이루어질 수 없으므로 상기 특정 시스템은 네트워크에서 상이한 역할을 지닌다. 홀로그래픽 스위치들이 각각의 출력 채널의 출력을 동적으로 제어할 수 있기 때문에, 손실 있는 링크들을 가지고 접속된 출력들이 상당한 전력 분산을 이루도록 부스트(boost)될 수 있으며 이는 훨씬 더 많은 사용자가 접속될 수 있게 한다.

효율이 적합한 LCOS 기기의 선택에 강력하게 의존한다. 대부분의 상용 LCOS 기기들은 픽셀 카운트가 극대화되고 기기 면적이 극소화되는 디스플레이 애플리케이션들에 대해 설계된다. 일부 LCOS 기기들은 특히 Roses와 같은 적외선 동작에 대해 설계되었다. 이러한 연구에서 4개의 주문형 기기가 제안되며 상기 4개의 주문형 기기의 성능이 평가된다. 광학 적외선 전환(Optical Infrared Switching; LOIS)을 대표하여 LCOS로서 언급되는 제1 기기는 능동 부위 면에서 크고 대부분의 상용 기기들에 비하여 적은 픽셀들을 지닌다. 스케일-다운(scale-down)된 LOIS 버전들, 즉 mLOIS, μLOIS 및 nLOIS가 또한 고려된다. 그 외에도 다수의 상용 기기들이 제공되며 이하의 표 1에 제안된 상용 기기들과 함께 나타나 있다.

상호접속부의 홀로그래픽 특성과 직접적으로 연계되어 있지 않은 광학 손실은 본원에 고려되어 있지 않다. 이들은 후방 반사(back reflection)들, 거울 반사율 및 결합 손실들을 포함한다. 여기서 유념할 점은 광학 시스템 및 파이버 어레이가 적절하게 설계되지 않을 경우에 스위치의 효율이 상당히 영향을 받을 수 있다는 점이다.

홀로그램이 일련의 각도들만큼 비임을 편향시킬 수 있지만 푸리에 렌즈는 모든 범위에 대해 굴절이 제한되어야 한다. 그 외에도, 출력 파이버들 내로의 입사각(launch angle)은 삽입 효율(insertion efficiency)을 극대화시키도록 수직이여야 한다. 이러한 특성들을 갖는 비구면(aspheric) 렌즈들은 텔레센트릭 F-세타 렌즈들을 포함한다. 상기 비구면 렌즈들은 비임이 수직 각도로 출력 파이버 어레이 상에 입사되고(텔레센트릭 동작) 초점의 위치가 필드 각도에 비례하는 것(F-세타 동작)을 보장할 수 있다. 그 외에도, 초점면은 만곡되는 대신에 편평하다. 이는 도 4에 그래프로 도시되어 있다. 사선 입사(oblique incidence)의 문제를 제거하는 변형적인 방법은 동일한 양만큼 반대 방향으로 비임을 편향시키는 제2 홀로그램을 사용하는 것이다. 이러한 배치, 라우터-선택기(router-selector) 아키텍처는 스위치를 크로스바(crossbar) 스위치로 변형시키는데 사용된다.

다른 한 과제는 도 3에 도시된 치밀하게 패킹된 어레이의 구성이다. 그러한 어레이는 실현가능하지만 공학 과제일 가능성이 있다. 그럼에도, 도파관 기술이 끊임없이 개선되어 왔다. 5만 개의 파이버를 갖는 도파관들이 상업적으로 이용가능하고(예컨대, Sumitomo Image Guide IGN-20/50) 10 ㎛ 미만의 코어 간격을 갖는 광 파이버 이미지 가이드들에 사용된다. 파이버들, 특히 파이버 어레이들은 자신들의 코어가 약간 잘못 배치되게 하고 이러한 것이 고려되지 않은 경우에 효율이 부가적으로 떨어지게 된다. 상기 문제를 극소화하고 심지어는 상기 문제를 제거하는 몇 가지 방법이 있다. 상기 홀로그램은 경험적 기법들(heuristic techniques)을 사용하여 정확한 파이버 중심을 식별한 다음에 수정된 위치들을 재구성할 수 있다. 이는 파이버로부터의 몇 가지 종류의 피드백을 포함하여야 한다. 이러한 문제를 해결하는 다른 한 방법은 테이퍼 파이버 또는 마이크로 렌즈를 사용하여 SMF의 직경을 증가시키는 것이다. 이러한 기법은 코어의 유효 직경이 증가하고 상기 파이버가 단일 모드로 남아 있는 이점을 지닌다. 마지막으로, MMF는 사용될 수 있지만 동일한 네트워크에서 SMF들 및 MMF들 양자 모두를 사용하는 것이 항상 바람직하지 않다. 그럼에도, 단거리의 경우에 MMF는 하드웨어 면에서 가장 비용효과적인 솔루션일 수 있다.

여기서 고려된 손실들은 (i) 기기 충진 인자(device fill factor), (ii) 비임 아포다이제이션, (iii) 홀로그램 효율, 및 (iv) 위상 렌더링(phase-rendering)과 연관되어 있다. 이하 4개의 서브섹션에서는 이러한 손실들이 구체적으로 고려된다.

아포다이제이션

아포다이제이션 손실들은 LCOS 기기들에 의한 가우시안 프로파일의 트리밍을 언급한다. 아포다이제이션의 양은 렌즈의 초점거리만큼 결정되는데, 긴 초점거리는 상기 프로파일의 많은 트리밍을 갖는 넓은 가우시안 함수를 만들어내게 된다. 최적의 초점거리를 선택하는데에는 트레이드-오프가 존재한다. 작은

를 지니고 상기 기기상에 더 많은 전력을 집중시킴으로써 손실들을 최소화시키는 것이 바람직하다. 동시에 이러한 것이 출력 포트들의 수를 증가시키기 때문에 이용가능한 픽셀들 모두를 사용하는 것이 또한 바람직하다. 광학 효율에 중요성이 주어지면 손실을 증가시키는 것보다는 오히려 더 넓은 실리콘 부위를 사용하는 것이 적합할 수 있다. 아포다이제이션은 또한 초점들의 크기 및 형상을 변경하여 출력 파이버들 내로의 전력 결합을 줄인다. 제한적 비임 형상은 LCOS 기기를 사용하여 가능하다. 상기 기기의 능동 부위 상에 이르게 되는 에너지의 양

는 이하의 수학식 2에 의해 제공되는데,

상기 수학식 2 중에는

는 초점거리

의 함수이다. 서로 다른 초점거리들에 대한 아포다이제이션 손실은 위의 적분을 사용하여 상기 기기의 사각형 부위에 걸쳐 전력을 적분함으로써 계산되었다. 도 5에는 이러한 변화가 광학 손실을 보여주는 수직축 및 기기 크기와 비교하여 비임 크기를 보여주는 수평축으로 도시되어 있다. 여기서 볼 수 있는 바와 같이 대략

의 비임 폭에 대하여는 상기 아포다이제이션이 매우 작으며 -0.1 dB보다 작다. 이보다도 아포다이제이션 손실이 중요하다. 따라서 비임 폭이 대략

임이 권고된다.

충진 인자( fill factor )

LCOS 기기들은 알루미늄과 같은 반사 금속 층이 실리콘 백플레인 상에 디포지트된 실리콘 기기들이다. 픽셀들은 미러(mirror)들 및 전극들 양자 모두로서 작용함으로써 픽셀들은 픽셀간 갭 또는 유휴 공간(dead-space)으로서 언급되는 비-도전 부위에 의해 분리되어야 한다. 상용 기기들에서는, 이러한 공간은 0.25 ㎛ 정도로 작을 수 있다. 여기서 유념할 점은 유전체 미러들을 갖는 기기들이 제로(zero) 픽셀간 갭을 지니지만 프린징 필드(fringing field)들이 상당히 증가한다는 점이다. 픽셀간 갭은 이하의 수학식 3과 같은 인자

, 충진 인자만큼 상기 기기의 평균 반사율을 감소시키는데,

상기 수학식 3 중에서

는 기기 면상에서

및

방향에 있는 픽셀 피치이며

는 도 6에 도시된 바와 같은 픽셀간 갭이다. 픽셀간 갭 및 픽셀 피치 양자 모두는 양자 모두의 방향에서 동일하다.

능동 부위

및

픽셀들을 갖는 사각형 기기의 경우에 상기 충진인자는 또한 이하의 수학식 4로서 표기될 수 있다.

이러한 수학식 4에서, 픽셀간 갭

는 리도그래피 프로세스에 의해 정해진다. 능동 부위

의 치수들은 상기 기기의 비용에 상당한 영향을 줌으로써 이 또한 제한된다. 단지 픽셀들의 수

만이 시스템의 최적화시 자유 변수(free variable)로서 다루어질 수 있다. 고정된 실리콘 부위에 대해 픽셀들의 개수를 증가시키는 것은 출력 파이버들의 수를 증가시키지만(훨씬 적은 픽셀들 결과적으로는 훨씬 큰 편향각) 충진 인자 손실들을 또한 증가시키게 된다. 따라서 주어진 개수의 출력들의 경우에, 최소의 픽셀들의 수가 사용되어야 한다.

당 큰 실리콘 비용에 불구하고, 상호접속부는 훨씬 큰 실리콘 기기들을 허용하는 가전 제품(consumer appliance)보다 긴 수명 및 높은 가치를 지니게 된다. 크기를 증가시키는 것은 시스템의 전체 효율 및 충진 인자를 개선한다. 여기서 제안된 점은 LOIS가 단지 1024개의 픽셀만을 지니지만 결과적으로는 단지 0.15 dB만의 충진 인자 손실을 갖는 18.4 x 18.4 ㎜의 능동 부위를 지닌다.

홀로그램 효율

여기서 홀로그램 효율은 위상 한정 홀로그램이 타깃 위치들로 전달될 수 있는 이론적 최대 에너지를 언급한다. 상기 홀로그램은 단지 입사비임의 위상만을 변조하지만 입사비임의 크기를 변조하지 않는다. 이는 회절 효율을 감소시키는 고스트 대형(ghost order)들을 도입시킨다. 출력 포트들의 배치에 의존하여 상기 홀로그램의 회절 효율은 (블레이징(blazing)된 격자에 대하여) 0 dB에서부터 -1 dB에 이르기까지 변화될 수 있다(도 7 참조).

어느 임의의 포트 배치에 대하여 정확한 홀로그램 회절 효율을 계산하는 분석법이 아니다. 그러나, 최악의 시나리오는 회절 손실이 분석적으로 계산되고 상기 회절 손실이

또는 0.9 dB(이는 2진 위상 홀로그램의 효율과 동일한 방식으로 구해짐, 위의 설명 참조)과 동일할 경우에 2개의 출력 포트에 대한 것이다. 멀티캐스팅 출력들의 수를 증가시키는 것은 출력 파이버당 전력

를 감소시키지만 전체 효율

를 개선한다. 최선의 시나리오는 단지 하나의 출력만이 존재하는 경우인데, 이 경우에 회절 효율은 1이다.

시스템의 이상적인 회절 효율을 추정하기 위해, 다수의 홀로그램은 출력면 위상 최적화(Output Plane Phase Optimisation; OPPO) 방법 및 직접 이진 탐색(Direct Binary Search; DBS)을 사용하여 연산되었다. 선택된 출력 포트들의 수

는 1에서부터 192에 이르기까지 변화하게 되었다. 각각의

에 대하여 40개의 출력 파이버 조합들이 만들어지며 각각의 조합에 대하여는 홀로그램이 그들에 대하여 광을 경로배정하도록 설계되었다. 출력 파이버들은 15 x 15 사각형 격자 상에 배치되었으며 상기 격자의 중앙 파이버는 도 3에 도시된 바와 같이 입력이다. 각각의 모서리 상의 8개의 파이버가 원형에 더 가까운 배치를 형성하도록 사용되지는 않았다. 따라서 출력 파이버들의 총 개수는 192개이었다. 도 7에서의 실선은 1에서부터 192에 이르기까지의 임의 개수의 스폿들의 평균 회절 효율을 나타낸다. 점선들은 개별 홀로그램들의 회절 효율들을 나타낸다. 여기서 볼 수 있는 점은 광학 손실이 항상 -1 dB을 능가하며 출력 채널들의 수가 증가함에 따라 개선한다는 점이다. 회색선(gray line)은 사용자당 에너지를 나타낸다. 사용자당 전력은 일정하지 않지만 사용자의 수가 감소함에 따라 증가함으로써 이용가능한 전력을 더 양호하게 이용하게 해준다.

여기서 유념할 점은 필요한 경우에 홀로그램 설계가 허용가능한 레벨들 미만으로 상호접속부의 누화를 감소시킬 수 있다는 점이다. 이는 여러 방법으로 수행될 수 있다. 먼저, 모든 예측가능한 시스템의 결함들은 홀로그램 설계 알고리즘에 포함될 수 있으며 상기 모든 예측가능한 시스템의 결함들의 효과가 제거된다. 이들은 위상 양자화, 픽실레이션(pixilation), 픽셀간 갭 및 심지어는 인접 픽셀들 간의 프린징 필드들을 포함한다. 기기의 편평화(flatness), 열 드리프트(thermal drift)들 및 오정렬들과 같은, 비-예측가능한 오차들은 LCOS 기기상에 적합한 제르니케(Zernike) 계수들을 추가함으로써 최소화될 수 있다. 이러한 오차들을 실시간으로 계산하고 상기 오차들을 보상하는 방법이 여러 가지 연구되어 왔다. 최종적으로, 상당한 홀로그램 강도는 대부분의 기기 결함이 푸리에 도메인으로 변환됨으로써, 그들이 제로(zero) 차수로나 고주파 성분의 잡음으로 이르게 할 가능성이 있다는 점에 있다. 현재에는, 일-대-일 광학 스위치들은 상용 시스템들로서 사용되고 누화 면에서 일-대-일 광학 스위치들의 성능은 허용가능하다.

위상 렌더링 손실들

실제 LCOS 기기들은 위상 프로파일을 완전하게 렌더링하지 못함으로써 추가적인 광학 손실들이 도입된다. 기기에는 3가지의 주된 위상 오차 소스, 즉 공간 양자화 또는 픽셀화(pixelation), 위상 양자화 및 전기장 프린징이 존재한다.

공간 양자화

LCOS 기기상의 사각형 픽셀들은 출력면 상에 원거리 필드를 형성하는 애퍼처들로서 작용한다. 모든 픽셀들이 동일한 형상을 지니지만 공간 시프트된다. 홀로그램 면 상에서의 공간 시프트는 출력면에서의 위상 시프트로 변환된다. 그러므로 출력면 상에서 각각의 픽셀의 원거리 필드는 동일한 크기 및 위치를 지니지만 상이한 위상을 지니게 된다. 모든 픽셀들의 효과를 함께 추가하는 것은 단일 픽셀의 원거리 필드와 동일한 형상을 갖는 원거리 필드 크기의 포락선을 형성하게 된다. 사각형 픽셀의 원거리 필드는 2차원의 sinc 함수이며 이는 이하의 수학식 5에 의해 제공되는데,

상기 수학식 5 중에서

는 이하의 수학식 6에 의해 제공되며

및

는 출력면 상에서 정규화된 수평 및 수직 좌표들이다. 출력면의 정규화된 좌표들은 위치

에서나 편향각

에서 1이다.

도 8에는 상기 충진 인자가 1(실선)인 경우에 1차원의 sinc 포락선이 도시되어 있다. 짙은 회색선은 위의 표 1에 보인 상용 기기들에서의 감쇄 범위를 나타내고, 점선은 4개의 LOIS 기기에 대한 것이다. 상기 수평선은 정규화된 평향각을 나타낸다. 홀로그래픽 상호접속부에서의 정규화된 최대 편향각은 주기(period)가 2개의 픽셀일 경우에 ±0.5이다. 그러한 공간 주파수를 넘어서는, 에일리어싱(aliasing)이 생긴다.

2차원에서는 sinc 포락선이 탑-햇(top-hat) 함수를 형성하게 된다. 비임이 중앙에 근접하게 편향될수록 감쇄가 줄어들게 된다. 출력면 상에서 이용가능한 부위가 제한적이므로, 포트들이 많이 배치될수록 제로 차수와는 더 멀어지게 상기 포트들에 의해 감쇄가 더 많이 이루어지게 된다. 이는 도 9의 2차원 윤곽선 맵 상에 도시되어 있다. 이는 충진 인자가 1일 경우에 이상적인 경우에 해당한다. 이는 최대 -0.5dB 손실이 sinc 포락선에 기인하여 허용가능한 경우에 단지 중앙 등고선 부위만이 사용될 수 있다. 이는 전체 출력면 부위의 0.15인 부분에 해당한다. 출력 포트들이 상기 전체 부위 상에 배치될 수 있는 부위의 비율은 매개변수

로 나타나 있다. 높은 손실이 허용가능한 경우에는

가 더 커진다. -3dB의 허용가능한 손실의 경우에,

는 대략 0.6이며 이는 유용한 출력면의 부위 및 출력 포트들의 수를 증가시킨다. 감소된 충진 인자에 기인하여 실제 기기들에 대한 손실은 낮아지게 된다. sinc 포락선에 기인하는 주어진 효율 감소에 대해 이용가능한 부위의 양은 도 10에서 제공된다.

위상 양자화

위상 양자화는 실리콘 백플레인이 제공할 수 있는 제한적 전압 팔레트에 의해 일어난다. 일반적으로는, 디지털-아날로그 변환기(DAC; digital-to-analogue converter)가 액정 셀을 구동하는 아날로그 전압을 제공하게 된다. 위상 레벨들이 증가하게 되면 상기 DAC의 복잡성이 증가하게 됨으로써 DAC의 속도가 감소하게 될 수 있다. 그러므로, 최소 허용 개수의 위상 레벨들을 갖는 칩을 설계하는 것이 중요하다.

일반적인 멀티캐스팅 홀로그램의 경우에 위상 양자화에 기인한 효율 감소는 분석적으로 계산될 수 없다. 그러나, 위상 양자화된 블레이징된 격자의 효율

가 계산될 수 있으며 이는 이하의 수학식 7 및 8과 동일한데,

상기 수학식 7 및 8 중에서

는 이용가능한 위상 레벨들의 수이며

는 타깃 스폿의 위상에 대하여 하나의 픽셀에 의해 도입되는 위상 지연에 상응한다. 제1 꺾쇠 괄호(square parenthesis)는 단지

개의 위상 레벨만이 존재하는 경우에 비임의 강도를 제공하며 제2 꺾쇠 괄호는 무한 위상 레벨들이 존재하는 경우에 비임의 강도를 제공한다. 효율은 2의 비율이다.

상이한 양자화 레벨들과 홀로그램들을 비교한 다음에 이들의 성능을 비교함으로써 하나보다 많은 출력을 갖는 홀로그램들에 대한 위상 양자화의 효과가 추정되었다. 이는 1개, 10개 및 100개의 출력 포트를 갖는 홀로그램들에 대해 도 11에 도시되어 있다. 각각의 효율 지점은 1024 x 1024 픽셀들을 갖는 15개의 서로 다른 홀로그램으로부터 계산되었다. 위상 양자화에 기인하는 손실이 32개의 위상 레벨을 넘어서는 무시될 수 있다. 그러므로 최대 32개의 위상 레벨 또는 픽셀당 5-비트를 사용할 것이 제안된다.

프린징 필드들 및 액정 변형

LCOS 기기에서의 위상 변조는 전기장에 의한 원하는 방위(orientation)로 회전되는 액정 재료에서 생긴다. 도 3에는 LCOS 기기상의 액정 층이 횡단면도로 도시되어 있다. 액정 셀의 두께가 증가함에 따라 픽셀들 간의 전기장이 픽셀 및 상부 전극 간의 전기장에 비해 증가한다. 이는 상기 홀로그램 상에서의 큰 위상 전이, 특히 블레이징된 격자의

위상 점프들에 영향을 주는 위상 프로파일에 대한 평활 효과(smoothing effect)를 만들어낸다. 이러한

위상 점프가 대개는 플라이백(flyback)이라고 언급된다.

약 백만 개의 픽셀들을 갖는 큰 홀로그램 상에서의 액정 동작을 계산하는 것은 연산면에서 어렵다. 이는 전체 기기에 대한 연속 이론 수학식들의 솔루션을 필요로 한다. 액정의 동작을 추정하는 연산적으로 효율적인 근사화법이 몇 가지 존재한다. 본원에서는 커널을 가지고 이상적인 프로파일을 콘볼루션함으로써 위상 프로파일이 추정되는 저대역 통과 필터 접근법이 사용된다. 상기 커널의 형상 및 폭은 유한요소법(Finite Elements Method; FEM) 소프트웨어를 사용하여 2개의 인접한 픽셀에 대하여 연속 이론 수학식들을 구함으로써 밝혀지게 된다.

전기 프린징 필드의 효과, 결과적으로는 커널의 폭은 셀의 두께만큼 증가한다. 그래서 가능하면 얇지만

위상 변조를 이루는 셀을 지니는 것이 중요하다. 실제로 큰 위상 편위는 액정의 최대 회전각을 감소시키며 속도를 증가시키는데 사용된다. 최대 위상 편위

에 대한 셀의 두께는 이하의 수학식 9에 의해 제공되는데,

위의 수학식 9 중에서

은 액정의 복굴절(birefringence)이다. 1/2이라는 용어는 상기 기기가 반사 동작함으로써 파가 입력 및 출력으로 변조되기 때문에 나타낸 것이다.

위상 변조의 경우에는 1.55 ㎛ 파장이며 E7 액정을 사용하는 경우에는 셀 두께가 4.8 ㎛이다. 이러한 기기를 시뮬레이션하는 경우에 FEM 소프트웨어에서 연속 이론을 사용하는 것이 저대역 통과 필터의 커널을 제공한다.

이러한 1-차원 커널을 사용하여, 모든 가능한 편향각들을 갖는 블레이징된 격자의 효율이 밝혀지게 되었으며 모든 가능한 편향각들을 갖는 블레이징된 격자의 효율은 도 12에 도시되어 있다. 프린징 필드들은 격자의 굴절 효율에 영향을 주지만 이상적인 sinc 포락선 효율(점선) 간의 차이는 작고 더 이상 -0.5 dB보다 크지 않다. 양자 모두의 치수들이 고려된 경우에, 최대 손실은 -1 dB 이게 된다. 상기 2개의 곡선 간의 최대 차이는 주기가 대략 4개의 픽셀인 경우에 생기는데, 다시 말하면 정규화된 편향각이 0.25이다.

2개의 인자는 도 12가 최악의 시나리오를 보여주게 한다. 먼저, 블레이징된 격자에서는 모든 픽셀들의 전체 부위가 출력 포트에 기여함으로써, 효율이 1이다. 어떠한 차이라도 낮은 효율을 가지고 프로파일을 확실히 만들어낸다. 다른 어떤 홀로그램의 경우에, 각각의 픽셀은 여러 출력 포트에 기여하고 각각의 픽셀의 위상 차이는 출력에 보다 작은 영향을 주게 된다(이는 임의 잡음을 블레이징된 격자 및 멀티캐스팅 홀로그램에 추가함으로써 검증되었고 그 후자의 영향은 덜 받았다). 둘째로, 손실의 일부가 이미 픽셀간 갭에 의해 고려된 경우에 프린징 필드들의 일부가 픽셀 경계상에서 생긴다. 픽셀간 갭의 크기가 액정에 내재하는 전파 거리 및 파장보다 상당히 작기 때문에, 픽셀간 갭의 효과가 쉽게 해명될 수는 없다 (이는 금속 전극들 및 이방성 액정 내에서 맥스웰 방정식을 구함으로써 고려될 수 있다).

프린징 필드들은 도 12로부터 볼 수 있는 바와 같이 출력면 상에서의 sinc 포락선의 형상을 변경한다. 결과적으로,

의 변화는 손실의 함수로서 이루어진다. 오히려 작은 이러한 변경은 이하의 결과들 및 논의에서의 sinc 포락선과 함께 고려된다. 도 13에는 LOIS의 특성들 갖는 기기에 대해 프린징 필드들을 가지고 LOIS의 특성들 갖는 기기에 대해 프린징 필드들을 가지지 않고 블레이징된 격자의 회절 효율이 도시되어 있다.

출력 포트들

홀로그래픽 상호접속부에서 선택된 출력 파이버들의 수는 출력면 상에 액세스가능한 부위 및 파이버들의 직경에 의해 한정된다. 출력 스폿들의 위치결정은 홀로그램에 의해 고정밀도로 이루어지지만 상기 스폿의 점 확산 함수(point spread function; PSF), 다시 말하면 상기 스폿의 크기가 동일 크기이거나 출력 파이버들의 코어(

)보다 작아야 한다. 직경

를 가진, 출력 파이버의 클래딩에 의해 점유되는 부위는 유용한 공간을 취하지만 어떠한 출력 포트들이 여기에 배치될 수 있다. 사각형의 그리드를 가정하면, 각각의 출력 포트는 출력면 상에서

부위를 점유하게 된다(도 3 참조).

전체 출력면의 부위는,

의 원거리 필드 부위를 제공하는 경우에 이하의 수학식 10인 홀로그램의 최대 편향에 의해 제공된다.

그러나, 상기 출력면의 유용한 부위는 훨씬 줄어들게 되는데 그 이유는 원거리 필드의 부분들이 sinc 포락선에 의해 고도로 감쇄된다. 단지 원거리 필드 부위의 부분

가 사용되는 경우에, 고도의 감쇄 부위가 사용되지 않기 때문에 효율이 증가하게 된다. 이는 이하의 수학식 11과 동일한 출력 파이버들의 총 개수

를 제공한다.

파장 및 초점거리라는 용어들은 출력 스폿의 크기

가 출력 파이버 코어 크기

보다 작거나 동일하므로 이하의 수학식 12와 같은 관계,

가 성립하고 이하의 수학식 13과 같이

이도록 출력 포트들의 최대 개수를 제공하는 것을 고려함으로써 제거될 수 있다.

위의 수학식 13에는 5개의 인자를 포함한다. 제1 인자

는 출력 포트들의 수

가 시스템의 효율을 감소시킴으로써 증가할 수 있음을 나타낸다. 제2 인자

는 상기 파이버들의 패킹 인자에 의해 결정되며 이는 외접 사각형의 부위에 걸친 파이버의 횡단면 부위의 비율과 동일하다(육각 패킹의 경우에 이러한 관계는

, 다시 말하면 15% 증가이게 된다). 제3 용어는 클래딩에 대한 코어의 상대적 크기에 의해 결정된다. 단일 모드 파이버의 경우에, 이는 약

이다. 제4 용어는 아포다이제이션에 의해 결정된다. 최적의 아포다이제이션이 사용된다고 가정하면, 이는 0.4와 동일하게 된다. 마지막으로, 최종 용어

은 상기 기기상의 총 픽셀 개수이다.

출력 포트들의 수가 파장 또는 초점거리의 함수이지 않다는 점이 흥미롭다. 이는 또한 픽셀들의 수를 증가시킴으로써 임의의 양만큼 증가될 수 있지만 이는 또한

결과적으로는 손실들을 일정하게 하도록 LCOS 능동 부위

의 적합한 증가를 동반해야 한다.

논의

이전의 섹션들에서는 홀로그래픽 상호접속부의 성능에 영향을 주는 매개변수들이 결정되었다. 본 섹션에서는 시스템이 전체로서 고려되고 그의 특성들이 서로 다른 애플리케이션들과 관련하여 논의되어 있다.

부위(면적)

기기의 능동 부위는 아마도 LCOS 기기의 가장 중요한 매개변수인데, 그 이유는 픽셀들의 수, 출력 포트들의 수 및 비용에 직접 영향을 주기 때문이다. 기기의 비용은 큰 기기들이 불균형적으로 값비싸기 때문에 기기의 부위에 직접 연관되어 있다. 참고로, 상용 실리콘 칩들은 처리능력을 높게 유지하도록 충분히 작아야 한다. 예를 들면 인텔 Xeon x7460 프로세서는 503

다이 면적을 지니며 인텔 Xeon x5405는 214

다이 면적을 지닌다. JVC 4k LCOS 기기는 546

의 능동 부위를 지닌다. 제안된 기기들은 340

내지 9

의 능동 부위를 지닌다. 340

면적을 갖는 최대 범위의 LOIS 기기조차도 이는 실리콘 부위 및 비용 면에서 현재 제조 기법들의 범위 내에 있다. 여기서 유념할 점은 광학 상호접속부의 LCOS 기기가 단지 적은 부분의 비용뿐일 것이라는 점이다. 설치, 기반구조 및 다른 장비가 상기 비용들을 좌우한다. 이는 제품 가격이 CPU 및 LCD 각각의 비용에 의해 좌우되는 컴퓨터들 및 프로젝터들과 다른 것이다.

픽셀들의 수

소형 LCOS 기기가 필요한 경우에, 그 부위는 13.6x13.6㎜로 반감될 수 있다. 이러한 기기(mLOIS)는 픽셀 크기 및 픽셀 피치를 동일하게 유지하지만 감소된 픽셀들의 수 때문에 출력 포트들을 반감되게 유지함으로써 동일한 손실들을 갖게 한다. 훨씬 적은 능동 부위가 바람직한 경우에는, 9.1x9.1㎜의 능동 부위가 동일한 손실을 도입시키지만 사용자들의 1/4을 지니게 된다. 고려해야 할 가장 작은 기기는 2.9x2.9㎜의 능동 부위를 지닌다. 이는 여전히 허용가능한 사용자들의 수를 지니면서 낮은 비용을 지니게 된다. 이러한 크기 미만에서는, 어떠한 실질적인 비용 효과도 없으며 광학 설계가 작은 크기 때문에 복잡해진다.

출력 포트들

단일 모드 파이버들이 출력 포트들 용으로 사용되는 경우에, 이들의 출력 직경은

= 125㎛이고 코어 직경은

= 10㎛이다(도 3 참조). 상기 기기상의 비임 폭은

= 0.4 이도록 이루어진다. 제안된 LOIS 칩의 경우에,

= 1024이고,

= 18.4㎜이다.

의 값은 효율 및 출력 포트들의 수 사이에 바람직한 트레이드오프(trade off)가 이루어지도록 선택된다.

= 0.17인 경우에, 이용가능한 출력 포트는 112개이지만

= 0.59인 경우에 출력 포트는 390개이다. 192개의 포트가 존재하는 도 3의 경우에는

= 0.30이다.

포트들의 수가 증가하게 될 수도 있고 LCOS 기기의 능동 부위가 단지 SMF만을 대신하여 SMF 전에 MMF, 테이퍼 파이버 또는 마이크로렌즈를 사용하여 감소하게 될 수도 있다. 작은 인접위치나 파이버들이 단지 수백 미터의 길이만으로 이루어진 대형 빌딩과 같은 단거리 네트워크의 경우에, MMF는 필요한 대역폭을 제공할 수 있지만 낮은 비용을 지니게 된다. MMF를 사용하는 경우에, 코어는 SMF에 비하여 실질적으로 큰데, 10㎛ 대신에 62.5㎛이다. 그러나, 입력 파이버는 작은 코어를 갖는 SMF를 유지하게 된다. MMF와 매칭하는 SMF의 비임인 경우에, 출력면은 광학적으로 확대되어야 하지만, 파이버들의 간격은 동일하게 유지하게 된다. 그 결과로 훨씬 많은 MMF 파이버들이 상기 출력면 상에 배치될 수도 있고 훨씬 작은 기기가 훨씬 적은 픽셀들을 가지고 사용될 수 있다. 비율

이 x6.25 인자만큼 증가하게 되면,

에서 유사한 감소가 이루어질 수 있다. 그러므로 픽셀들의 수는 2.9x2.9㎜으의 능동 부위를 가지면서 24로부터 164로 감소하게 될 수 있으며 포트 계수 및 손실 면에서의 시스템의 능력은 이하의 표 2에 기재된 바와 같다.

상기 표 2에는 2가지의 시니리오, 다시 말하면 총 손실이 -5.2dB(

= 0.59)일 경우 그리고 총 손실이 -3.2dB(

= 0.17)일 경우를 취하는 LOIS 기기에 총 손실들이 기재되어 있다. 포트들의 수는 출력에서 사용된 SMF에 상응하며 MMF들이 사용된 경우에

의 인자만큼 증가한다.

효율

시스템 손실들 중 일부는 출력 포트들의 수에 의해 영향을 받고 시스템 손실들 중 일부는 출력 포트들의 수에 의해 영향을 받지 않는다. 상기 표 2에는 시스템 효율에 영향을 주는 모든 인자들이 나타나 있다. 아포다이제이션 및 충진 인자는 출력 포트의 수와는 무관한 상호접속부에 대하여 동일한 손실들을 초래한다(섹션 1 및 2 참조). 이와는 달리, 홀로그램 효율(섹션 3 및 도 7 참조)은 출력 포트들의 수와 관련된다. 출력 포트들의 수

는 알려져 있지 않기 때문에 최악의 시나리오가 -0.9인 것으로 고려된다. 픽셀당 5-비트가 사용될 경우의 위상 양자화는 무시될 수 있으며 쉽게 무시될 수 있다(도 11 참조). 마지막으로, sinc 포락선 감쇄 및 프린징 필드 손실들이 함께 고려되어야 한다.

최악의 시나리오는 비임이 최대 각에 대해 편향되는 경우이다.

= 0.59인 경우에 이러한 감쇄는 -3.2dB이고

= 0.17인 경우에 상기 감쇄는 -1.1dB이다. 훨씬 적합할 수 있는 손실의 평균값은 또한 계산되어 상기 표 2에 나타나 있다. 여기서 유념할 점은 높은 손실 파이버들(예컨대, 상호접속부 및 가입자 간의 장거리)이 출력 영역들 상의 손실이 적은 링크들 및 출력면의 중앙을 향해 배치되어야 한다는 점이다. 모든 손실들을 함께 가산해서, 112개의 포트가 존재하는 경우에는 시스템의 전체 평균 효율이 -1.8dB이며 390개의 포트가 존재하는 경우에는 시스템의 전체 평균 효율이 -2.8dB이다. 손실은 또한 사용자들의 수의 감소로서 보일 수 있다. 시스템의 레이저 소스가 모든 출력 포트들에 대하여 단지 충분한 전력만을 갖는 경우에, 효율을 감소시킴으로써 사용자들의 수도 줄인다.

대표적인 시스템

최종 시스템은 네트워크의 요구들에 의존하게 된다. 최대 사용자들의 수

, 비용 및 이용가능한 전력(결과적으로는 효율)은 LCOS 칩의 특성을 결정하게 하는 3가지 매개변수들이다. 일단 사용자들의 수가 결정되면, 손실(

) 및 픽셀들의 수(

) 간의 관계가 결정된다. 사용자들의 수를 유지하면서 픽셀들의 수를 증가시키는 경우에는 마찬가지로 능동 부위

, 결과적으로는 기기의 비용을 증가시킨다. 그와 동시에

가 감소함으로써 손실들도 감소한다.

제1의 제안된 시스템은 LOIS 기기를 사용하게 된다. 그러한 기기는 HDTV 분산 시스템의 백본(backbone) 용으로 사용될 수 있다. 그러한 스위치에 대한 입력은 1.5㎛ 또는 1.3㎛에서 동작하는 레이저에 접속된 SMF이게 된다. 아마도 어느 한 지점에서 단지 10 내지 20개의 출력이 접속됨으로써 출력 파이버들에서의 전력이 고레벨 상태에 있지만 링크 고장의 경우에 어느 한 출력으로 전력을 시프트하는 능력을 유지한다.

제2의 제안된 시스템은 또한 레이저에 접속된 SMF를 입력으로서 지니게 된다. 그러나, 이러한 시스템은 인접위치 내에서 사용되며 출력 포트들이 훨씬 큰 직경(MMF, 테이퍼 파이버 또는 마이크로-렌즈를 갖는 SMF)을 지니게 된다. 850㎚ 레이저가 역시 사용될 수 있다. 인접위치에 대한 사용자들의 수는 100명보다 많게 되며 그들 모두가 접속될 수 있다. 상기 기기의 비용은 훨씬 더 중요한 인자가 되는데, 그 이유는 이들 기기보다 많이 전개됨으로써 보다 작은 LCOS 기기들이 사용되기 때문이다. nLOIS 기기가 -2.8dB 내지 -4.4dB의 손실을 가지고 그리고 약 390개의 포트를 가지고 사용될 수 있다(표 2에서

= 0.59임).

필요한 경우에, VCSEL은 상호접속부에 대한 입력으로서 사용될 수 있다. VCSEL들이 레이저보다 큰 비임 폭을 지님에 따라, SMF와 함께 사용될 경우에 필요한 배율이 x6.25 미만이게 된다. 이는 포트들의 수를 효과적으로 감소시킨다. 출력 포트들이 MMF이고 입력이 VCSEL인 경우에 mLOIS 및 μLOIS과 같은 기기들이 이 경우에 사용될 수 있다. 또한, 파이버 그리드가 125㎛ 대신에 250㎛의 간격을 지니는 경우에, 출력 포트들의 수가 또한 4 인자만큼 감소하게 된다. 250㎛을 갖는 파이버 리본(fibre ribbon)들이 널리 이용가능하다. 다시금 훨씬 많은 픽셀을 가지는 mLOIS 및 μLOIS 기기들은 출력들을 위해 MMF를 사용하는 스위치에 대해 필요한 포트 계수를 제공할 수 있다.

따라서, 멀티캐스팅 광학 상호접속부들을 위한 LCOS 기기들의 사용이 연구되었다. 시스템의 특성들, 즉 효율, 출력 포트들의 수, 픽셀 수 및 기기 부위를 연관시키도록 하는 수학적 공식들이 제시되었다. 이는 광학 엔지니어가 기기의 자원들을 가장 양호하게 이용할 수 있게 한다. 다수의 기기들이 제시되었으며 단지 9

의 능동 부위를 지니는 심지어 매우 작은 기기들이 멀티캐스팅 광학 신호들 용으로 사용될 수 있음이 밝혀지게 되었다. 339

에 이르기까지의 부위들을 가지는 훨씬 큰 기기들이 매우 적은 손실을 가지고 SMF에 신호들을 분산시키기 위해 사용될 수 있다. 출력 포트들의 수, 결과적으로는 스위치당 100개보다 많은 포트를 갖기 때문에 가입자들이 많다. 이는 출력 포트들의 직경을 확대함으로써 부가적으로 증가하게 될 수 있다.

결론하면, LCOS 기기들은 가까운 미래에 가정으로 광학 신호들을 멀티캐스트하는 방식일 수 있다. 상기 LCOS 기기들의 비용 유연성, 신뢰성 및 출력 포트들의 많은 개수는 상기 LCOS 기기들에 이상적인 솔루션을 갖게 한다. 레이저들의 전력이 증가하고 마찬가지로 대역폭 요구들이 증가함에 따라, 광학 도메인에서의 신호 분산을 수행하는 것이 중요하며 LCOS 기기들이 매우 효과적인 방식으로 그를 수행할 수 있음이 명백해질 것이다.

지금까지 설명한 실시예들의 기법들은 또한 원칙적으로 LCOS SLM의 형태를 이루는 경우와는 다른 액정 공간 광 변조기들에 적용될 수 있다. 의심의 여지 없이 다른 여러 효과적인 변형예가 당업자에게 떠오르게 될 것이다. 당업자라면 본 발명이 위에서 설명한 실시예들에 국한되지 않으며 본원에 첨부된 청구항들의 범위에 속하는 당업자에게 자명한 변형예들을 포함한다는 것을 이해할 것이다.

Claims

실리콘 액정(liquid crystal on silicon; LCOS) 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 기기에 있어서, 상기 LCOS 원격통신 기기는,
하나의 광학 입력;
복수 개의 광학 출력들;
키노폼(kinoform)의 디스플레이를 위해 상기 광학 입력 및 상기 광학 출력들 중 하나의 광학 출력 사이에 광학 경로를 이루는 LCOS 공간 광 변조기(spatial light modulator; SLM);
상기 SLM에 연결되어 있으며 상기 SLM 상에 상기 키노폼을 디스플레이하기 위해 키노폼 데이터를 제공하도록 구성된 데이터 프로세서;
를 포함하고,
상기 키노폼 데이터는 상기 광학 입력으로부터 선택된 상기 광학 출력에 비임을 경로배정하는 키노폼을 정의하며,
상기 데이터 프로세서는 상기 선택된 광학 출력을 정의하는 경로배정 데이터를 입력하도록 구성되고 상기 경로배정 데이터에 응답하여 상기 비임을 경로배정하기 위해 상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성되며, 그리고
상기 데이터 프로세서는,
상기 키노폼에 대한 초기 위상 패턴을 결정함으로써,
상기 위상 패턴의 리플레이 필드(replay field)를 계산함으로써,
상기 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하여 상기 비임의 경로배정에 대하여 타깃 리플레이 필드를 나타냄으로써, 상기 리플레이 필드의 위상 성분을 유지하여 업데이트된 리플레이 필드를 제공함으로써,
상기 업데이트된 리플레이 필드 상에서의 공간-주파수 변환을 수행하여 상기 키노폼에 대해 업데이트된 위상 패턴을 결정함으로써,
상기 디스플레이를 위한 키노폼이 결정될 때까지 상기 리플레이 필드의 계산 및 업데이트 및 상기 공간-주파수 변환의 수행을 반복함으로써, 그리고
상기 LCOS SLM 상에 상기 디스플레이를 위한 키노폼 데이터를 출력함으로써,
상기 키노폼 데이터를 계산하도록 구성되는, LCOS 원격통신 기기.
제1항에 있어서,
상기 키노폼의 위상 패턴의 리플레이 필드를 계산하기 전에 상기 실리콘 액정(LCOS) 공간 광 변조기(SLM)의 응답의 모델을 정의하는 데이터에 응답하여 상기 키노폼의 위상 패턴을 수정하는 것을 더 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하는 것은 상기 계산된 리플레이 필드 및 상기 타깃 리플레이 필드 사이의 차이가 문턱값 레벨에 이르게 되기 전에 상기 크기 성분을 조정하여 상기 반복의 반복 횟수를 감소시키는 것을 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리플레이 필드의 크기 성분을 수정하는 것은 상기 크기 성분을 상기 타깃 리플레이 필드의 크기 성분으로 대체하는 것을 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 프로세서는 상기 복수 개의 광학 출력들에 의해 상기 리플레이 필드에서 정의된 주변을 넘어서 상기 타깃 리플레이 필드를 확장함으로써 상기 키노폼을 계산하도록 부가적으로 구성되는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리플레이 필드의 진폭 성분을 수정하는 것은 상기 LCOS SLM의 개별 픽셀의 광 회절 패턴에 기인하는 상기 리플레이 필드에서의 포락선 크기 변화를 보상하는 것을 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 프로세서는 적어도 하나의 상기 광학 출력 상의 광학 신호를 모니터링함으로써, 그리고 상기 모니터링에 응답하여 상기 경로배정된 비임 및 상기 광학 출력 간의 결합을 최적화하도록 상기 타깃 리플레이 필드를 조정함으로써 상기 키노폼을 계산하도록 부가적으로 구성되는, LCOS 원격통신 기기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 편파 다이버시티(polarization diversity)를 채용하며, 상기 LCOS 원격통신 기기는 제2 LCOS SLM, 서로 다른 편파들의 광을, 각각의 SLM이 대응하는 상기 키노폼을 디스플레이하는 서로 다른 대응하는 상기 SLM들에 선택적으로 안내하는 광학 시스템, 및 상기 대응하는 SLM들로부터 서로 다른 편파들의 광을 결합하여 하나 이상의 상기 광학 출력들을 제공하는 광학 시스템을 부가적으로 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제8항에 있어서, 상기 서로 다른 편파들의 광을 결합하는 광학 시스템으로 상기 서로 다른 편파들의 광을 선택적으로 안내하는 광학 시스템은 공통 편파 의존 비임 스플리터/결합기를 포함하는, LCOS 원격통신 기기.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 SLM들은 상기 SLM으로부터 반사된 광 비임의 편파를 실질적으로 변화시키지 않는, LCOS 원격통신 기기.
광학 원격통신에서의 광 비임의 경로배정 방법에 있어서,
상기 광학 원격통신 경로배정 방법은,
LCOS SLM 상에 키노폼을 디스플레이하는 단계;
상기 LCOS SLM에 입력 광 비임을 제공하는 단계; 및
상기 키노폼을 가지고 상기 광 비임을 회절시켜 상기 LCOS SLM으로부터 회절된 출력 비임을 제공하는 단계;
를 포함하며, 상기 광학 원격통신 경로배정 방법은,
핑-퐁(ping-pong) 알고리즘을 사용하여 상기 SLM 상에 디스플레이된 키노폼을 계산하는 단계;
를 부가적으로 포함하는, 광학 원격통신 경로배정 방법.
제11항에 있어서, 상기 핑-퐁 알고리즘은 상기 키노폼에 대한 위상 분포를 초기화하는 동작, 상기 키노폼의 리플레이 필드를 계산하는 동작, 위상 분포를 유지하고 상기 리플레이 필드의 크기 분포를 수정하는 동작, 상기 수정된 리플레이 필드를 업데이트된 상기 키노폼으로 변환하는 동작, 및 상기 계산 및 수정을 반복하여 원하는 타깃 리플레이 필드 상에 수렴하는 동작을 포함하는, 광학 원격통신 경로배정 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 키노폼을 수정하여 상기 LCOS SLM을 구동시키는 데이터를 구동하도록 상기 LCOS SLM의 위상 변형 응답을 보상하는 단계;
를 부가적으로 포함하는, 광학 원격통신 경로배정 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 키노폼을 수정하여 상기 키노폼의 리플레이 필드에서 상기 출력 비임의 원하는 위치로부터 멀리 떨어져 있는 크기 잡음을 재분포하는 단계;
를 부가적으로 포함하는, 광학 원격통신 경로배정 방법.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
제12항에 종속될 때 상기 계산된 리플레이 필드 및 상기 타깃 리플레이 필드 사이의 차이가 문턱값 레벨에 이르게 되기 전에 상기 크기를 조정하여 상기 반복의 반복 횟수를 감소시키는 단계;
를 부가적으로 포함하는, 광학 원격통신 경로배정 방법.