TWI827896B - 可程式化注入器柵格板及相關方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種可程式化光束阻擋器，其包括：一基於液晶之像素柵格；一或多組像素；或對應於個別光束之複數個像素。通過一個像素施加一電壓可改變液晶材料之相位以防止光通過其透射。

Description

可程式化注入器柵格板及相關方法
光通信使用經調變光束以通過光纖、自由空間或波導傳達資訊。
光電路開關(optical circuit switch：OCS)係全光3D開關矩陣，其可藉由改變一或多個微機電系統(MEMS)鏡面陣列中之鏡面之角度而將光自任何輸入光纖N引導至任何輸出光纖M。該開關經設計成用於寬波長範圍內之低插入損耗，因此每一光纖可攜載許多波長。該OCS亦經設計成用於由MEMS鏡面陣列進行快速、可靠的切換。光效能要求包括插入損耗、回程損耗、動態光串擾及靜態光串擾。
本發明經由使用諸如液晶材料之相變材料來提供一種可程式化且動態之阻擋機構，以動態地防止經識別光束透射至MEMS鏡面陣列上。儘管存在其他方法來防止光束之透射，例如駐停或著墨(parking or inking)，但此等方法有其侷限性。舉例而言，儘管有可能在伺服系統中將鏡面「駐停」在攝影機感測器視場之外，但此過程需要高電壓，此會損壞儀器或過早地使儀器老化以較晚移動經駐停鏡面。此外，在板上進行著墨或在板上使用環氧樹脂以防止光束透射通過經著墨或帶環氧樹脂之部分 係靜態過程，其可在設置OCS期間執行，但不能在使用OCS時執行以阻擋其他光束。可程式化光束阻擋器可由個別像素之柵格組成，其中每一像素係經由一電路被選擇性地啟動或去啟動。當個別像素上之電路完整時，電壓施加至像素中之液晶材料。回應於該電壓，像素中之液晶材料改變相位狀態，且因此自光子可穿過液晶材料的透射狀態移位至擊中像素之光束被阻擋以防透射的非透射狀態。在其他實例中，可程式化光束阻擋器可經組態以包括介於透射狀態與非透射狀態之間的中間狀態的額外「部分」狀態或「灰色」狀態。可對未經阻擋光束進行灰度處理以塑形特定光束之光束剖面。在一些實例中，可使用多個液晶像素來塑形光束。在其他實例中，可為透射光束產生高斯光束剖面。高斯光束剖面或其他光束剖面可係在二維平面中之能量或強度分佈。在一些實例中，光束剖面可係任何任意二維機率分佈或具有變化強度位準或變化能量位準之任何任意形狀。因此，當OCS經由適當電路系統在作用中時，可選擇性地允許個別光束穿過光束阻擋器或由光束阻擋器阻擋。
本發明之一個態樣提供一種可程式化光束注入器，其包括：一光源，諸如一雷射，該光源經調適以產生一光束；一偏振光束分光器，該偏振光束分光器經組態以自該光源接收該光束；及一光束阻擋器，該光束阻擋器接收該偏振光束。該光束阻擋器可包括複數個像素調變器，其中每一像素調變器包括複數個液晶單元，其中每一像素調變器可在一關斷狀態與一開啟狀態之間獨立地操作，在該關斷狀態下該光穿過該偏振光束分光器，在該開啟狀態下該光被阻擋。
本發明之額外態樣提供一種可程式化光束注入器，其包括一資料連接件，該資料連接件經組態為與一光開關電路控制件介接。該可 程式化光束注入器可進一步經組態以自該光開關電路控制件接收關於該可程式化光束注入器之操作之資訊。此資訊可至少基於自一攝影機產生之一影像，該攝影機自該可程式化光束注入器接收到光束。該可程式化光束注入器可包括一光束阻擋器，該光束阻擋器含有一數目對應於一光開關電路中使用之MEMS鏡面之一數目的像素調變器。在一些實例中，像素調變器之該數目或矽上液晶(LCOS)像素之數目可大於MEMS鏡面之該數目。每一注入器光束光斑可覆蓋一較大數目個像素調變器或LCOS像素。LCOS像素可被分組成感興趣區域(ROI)，且ROI之柵格可對應於MEMS鏡面柵格以及MEMS鏡面之數目。每一ROI將在該像素調變器或該LCOS像素內含有數個像素。該可程式化光束注入器可包括為一二極體雷射之一光源。該可程式化光束注入器可經由相位調變或經由振幅調變或經由相位調變與振幅調變之一組合來阻擋該等光束。
本發明之額外態樣提供一種光開關電路，其包括：一微機電系統(MEMS)鏡面，該微機電系統(MEMS)鏡面經組態以接收一光束；一攝影機，該攝影機經組態以捕捉該光束；一光纖準直器；及一可程式化光束注入器，該可程式化光束注入器可進一步包括：一光源，諸如一雷射，該光源經調適以產生一光束；一偏振光束分光器，該偏振光束分光器經組態以自該光源接收該光束；及一光束阻擋器，該光束阻擋器接收該偏振光束。該光開關電路之該可程式化光束注入器可進一步包括一資料連接件並與一光開關電路控制器進行資料通信。可基於利用來自至少該攝影機及MEMS鏡面控制器之資訊作為輸入之演算法將指令發送至該可程式化光束注入器。
本發明之額外態樣提供一種在一光開關電路中選擇性地阻 擋由一光源產生之一光束之方法。該方法可包括：將複數個像素調變器中之一第一像素調變器組態為處於一關斷狀態，其中電壓未被施加至該第一像素調變器；將該複數個像素調變器中之一第二像素調變器組態為處於一開啟狀態，其中一電壓被施加至該第二像素調變器；在該第一像素調變器處接收一第一光束；使該所接收光束透射通過該第一像素調變器；在該第二像素調變器處接收一第二光束；及由該第二像素調變器阻擋該第二光束。
本發明之額外態樣提供下列各者之任何組合之一種方法：將複數個像素調變器中之一第一像素調變器組態為處於一關斷狀態，其中電壓未被施加至該第一像素調變器；將該複數個像素調變器中之一第二像素調變器組態為處於一開啟狀態，其中一電壓被施加至該第二像素調變器；在該第一像素調變器處接收一第一光束；使該所接收光束透射通過該第一像素調變器；在該第二像素調變器處接收一第二光束；及由該第二像素調變器阻擋該第二光束；由一攝影機捕捉一影像，其中該影像以暗光斑表示經阻擋光束並以亮光斑表示未經阻擋光束；由一攝影機捕捉一影像，其中該影像以暗光斑表示經阻擋光束、以亮光斑表示未經阻擋光束，且灰度光斑表示具有變化量之能量之光束，該影像表示感興趣區域並反映未經阻擋光束之光束塑形態樣；使用灰度處理對該等未經阻擋光束進行光束塑形；重新程式化該第一像素調變器或該第二像素調變器中之至少一者；重新程式化該第一像素調變器或該第二像素調變器中之該至少一者可包括：改變施加至該像素調變器之一電壓，使得由於該施加電壓改變，該像素調變器轉變至一不同狀態；在一OCS控制器處比較自該所捕捉影像產生之資訊與關於該複數個像素調變器之資訊；當自該所捕捉影像產生之資訊指示 一光束之一參數低於一特定臨限值時，自動地重新程式化對應於該光束之一像素調變器；所量測之一參數係該光束之強度；基於來自一光控制開關控制器之資訊自動地重新程式化一第二像素調變器以透射一先前經阻擋光束；在一OCS控制器處基於自該所捕捉影像產生之資訊、關於該複數個像素調變器之資訊及自MEMS控制器接收之資訊來評估MEMS鏡面陣列或該MEMS控制器中之一故障。
100:光電路開關(OCS)
110:光電路開關(OCS)底架
120:光纖管理區塊
130:光核心
131:微機電系統(MEMS)
132:光學器件
133:其他機構
134:光纖準直器
135:攝影機
136:注入器
150:電子器件
152:高電壓驅動器板
160:光電路開關(OCS)控制系統
161:處理器
162:記憶體
163:指令
164:資料
165:電力供應器
166:風扇模組
240:微機電系統(MEMS)鏡面
241:形心
242:內部部分
243:第一旋轉軸線
244:外部部分
245:第二旋轉軸線
246:內部扭力樑
248:外部扭力樑
470:資料路徑
480:監控路徑
600:注入器
601:柵格板
602:環氧樹脂
603:注入器
620:光束分光器
630:雷射
640:連接器
700:可程式化光束阻擋器
710:單元
711:玻璃板
712:共同電極
713:液晶
714:鏡面
715:矽層/矽晶圓
715-I:入射光束
715-R:反射光束
716:光線
717:光線
720:單元/開關
750:影像
780A:強度標繪圖
780B:強度標繪圖
781A:標繪圖
781B:標繪圖
782A:標繪圖
782B:標繪圖
790A:強度標繪圖
790B:強度標繪圖
791A:標繪圖
791B:標繪圖
792A:標繪圖
792B:標繪圖
805:區塊
810:區塊
815:區塊
820:區塊
825:區塊
830:區塊
835:區塊
840:區塊
845:區塊
隨附圖式不意欲按比例繪製。各圖式中之相同附圖標記及名稱指示相同元件。為了清楚起見，並非每一組件都可標記在每一圖式中。在圖式中：圖1係根據本發明之態樣之實例光電路開關的方塊圖；圖2A係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之雙軸微機電系統(MEMS)鏡面總成的圖解；圖2B係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之雙軸微機電系統(MEMS)鏡面總成的圖解；圖3係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之雙軸微機電系統(MEMS)鏡面總成的圖解；圖4係根據本發明之態樣之光電路開關的圖解；圖5係根據本發明之態樣之鏡面控制迴路中之回饋的圖解；圖6A係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之注入器的圖解；圖6B係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用 之包括可程式化光束阻擋器之注入器的圖解；圖7A係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之可程式化光束阻擋器的圖解；圖7B係根據本發明之態樣的用於在整合式光學總成中使用之可程式化光束阻擋器之像素陣列之橫截面圖的圖解；圖7C係根據本發明之態樣的與可程式化光束阻擋器之像素陣列相關聯之電路的圖解；圖7D係根據本發明之態樣的與可程式化光束阻擋器之像素陣列相關聯之電路的圖解；圖7E係光束阻擋器及對應於光束阻擋器之功能狀態之影像的圖解；圖7F繪示穿過光束阻擋器之光束之屬性及對應於輸入光束之影像，其中光束之部分已被灰度處理；且圖8係根據本發明之態樣之實例方法的流程圖。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2020年2月24日申請之美國臨時專利申請案第62/980,605號之申請日的權益，其揭示內容以引用方式併入本文中。
本發明大體上係關於用於控制光開關電路(OCS)內之光束透射之方法、系統及裝置。詳言之，光束注入器係可程式化的，以選擇性地照明個別光束，同時阻擋其他個別光束。可藉由例如將電壓施加至諸如矽上液晶空間光調變器(LCOS-SLM)之像素調變器上來阻擋個別光束。電壓可使像素調變器轉變至光束被阻擋之狀態，諸如藉由LCOS-SLM中液 晶元件之旋轉來實現。在此方面，可程式化注入器可電子地阻擋光束，就像存在實體柵格板一樣。然而，可重新程式化注入器以阻擋不同光束，而無需改變注入器中之其他實體組件之硬體。
圖1繪示實例OCS 100。OCS 100包括支撐數個組件之結構，諸如底架110。在OCS底架110前方的是光纖連接件，諸如光纖管理區塊120。OCS 100可諸如在中間進一步包括光核心130。光核心容納MEMS 131、光纖準直器134、光學器件132、攝影機135，以及注入器136及其他機構133。OCS 100之後部包括電子器件150，諸如用於MEMS之高電壓驅動器板152、一或多個處理器161(諸如CPU板)、儲存可執行軟體之一或多個記憶體162，以及電力供應器165及風扇模組166。底架110與OCS控制系統160介接。雖然展示了數個組件，但應理解，此類組件僅僅係非限制性實例，且另外或替代地可包括其他組件。
可存在連接至OCS底架110之前部之任何數目個輸入光纖及輸出光纖。在底架110內部，此等光纖扇出裝置絞接至光纖準直器134。
光纖準直器134係透鏡光纖陣列。僅作為一個實例，光纖準直器134可包括數十或數百或更多個光纖。此等光纖組裝在匹配MEMS陣列柵格圖案之孔陣列中，藉此形成光纖陣列。孔陣列可由矽或其他材料製成。光纖陣列附接至安裝凸緣。透鏡陣列對準並附接至光纖陣列。光纖及透鏡位置誤差受到非常嚴格的控制。
一或多個處理器161可係任何習知處理器，諸如市售微處理器。替代地，一或多個處理器可係專用器件，諸如特殊應用積體電路(ASIC)或其他基於硬體之處理器。儘管圖1在功能上將處理器、記憶體以 及OCS控制系統160之其他元件繪示為在相同各別區塊內，但一般技術者應理解，處理器或記憶體實際上可包括多個處理器或記憶體，此等處理器或記憶體可或可不儲存在同一實體外殼內。類似地，記憶體可係位於不同於OCS控制系統160之外殼的外殼中之硬碟機或其他儲存媒體。因此，對處理器或計算器件之參考應被理解為包括對可或可不並行地操作之處理器或計算器件或記憶體之集合之參考。
記憶體162可儲存可由處理器161存取之資訊，包括可由處理器161執行之指令163，及資料164。記憶體162可屬於可操作以儲存可由處理器161存取之資訊之記憶體類型，包括非暫時性電腦可讀媒體，或儲存可憑藉電子器件而讀取之資料之其他媒體，諸如硬碟機、記憶體卡、唯讀記憶體(「ROM」)、隨機存取記憶體(「RAM」)、光碟以及其他可寫與唯讀記憶體。本文中所揭示之主題可包括前述各者之不同組合，藉以指令163及資料164之不同部分儲存在不同類型之媒體上。
資料164可由處理器161根據指令163來擷取、儲存或修改。舉例而言，儘管本發明不限於特定資料結構，但資料164可儲存在電腦暫存器中，資料164可作為具有複數個不同欄位及記錄之表、XML文件或平坦檔案儲存在關連式資料庫中。資料164亦可按電腦可讀格式來格式化，諸如但不限於二進位值、ASCII或萬國碼(Unicode)。進一步僅舉例而言，資料164可作為包含像素之點陣圖或用於繪製圖形之電腦指令來儲存，其中該等像素按壓縮或未壓縮之格式或各種影像格式(例如JPEG)、基於向量之格式(例如SVG)儲存。此外，資料164可包含足以識別相關資訊之資訊，諸如數字、描述性文字、專屬碼、指標、對儲存在其他記憶體(包括其他網路位置)中之資料之參考或由函式使用以計算相關資料之資 訊。
指令163可經執行以選擇性地啟動或去啟動光電路開關之注入器內之特定像素調變器。此類啟動或去啟動可影響通過注入器之個別光束之阻擋或透射。應理解，光電路開關900可包括未展示但可用於指令163之執行中之其他組件。
圖2A繪示實例MEMS鏡面240。MEMS鏡面240可具有約1mm之大小並具高反射性。舉例而言，MEMS鏡面240可塗佈有高反射性材料，諸如金。鏡面240包括內部部分242及外部部分244，其中內部部分可圍繞第一軸線旋轉且外部部分可圍繞第二軸線旋轉。舉例而言，內部部分可圍繞由梳狀驅動致動器致動之內部扭力樑246旋轉。外部部分可圍繞由梳狀驅動致動器致動之外部扭力樑248旋轉。梳狀驅動致動器可係使鏡面圍繞扭力樑旋轉之高電壓靜電垂直梳狀驅動裝置。舉例而言，當橫越電極施加範圍在數十伏特至數百伏特之間的電壓時，旋轉可係約+/- 1度至10度。
圖2B繪示MEMS鏡面240之額外態樣。圖2B繪示MEMS鏡面240之形心，即，形心241。形心241可對應於MEMS鏡面240之質量中心。舉例而言，當MEMS鏡面之密度均一時，質量中心及形心241將處於同一位置。圖2B亦繪示第一旋轉軸線243，諸如x軸。類似地，圖2B繪示第二旋轉軸線245，諸如y軸。MEMS鏡面圍繞軸線243或軸線245之旋轉可分別經由使扭力樑246或扭力樑248旋轉來達成。藉由致動附接至MEMS鏡面240之所有扭力樑，有可能在垂直於由兩個旋轉軸線(即，軸線243及軸線245)形成之平面之方向(諸如z軸)上移動MEMS鏡面240。因此，MEMS鏡面可在至少三個獨立方向上移動。MEMS鏡面在此三個獨立 方向上之移動亦可被稱為MEMS鏡面之翻倒、傾斜及活塞致動。MEMS鏡面之移動量可藉由形心241相對於三個獨立軸線(諸如x軸、y軸及z軸)之移動來追蹤。
在一些實例中，可能有必要調整一或多個MEMS鏡面(諸如MEMS鏡面240)之定位。作為實例，MEMS鏡面可被旋轉就位。此會影響入射在經旋轉MEMS鏡面上之注入器光束之反射。此又會影響自MEMS鏡面反射之注入器光束之視圖，此係因為其會造成彼等注入器光束橫越攝影機之視場移動。
在其他實例中，MEMS鏡面可經「駐停」以將其自特定光束之光路徑移除。駐停可藉由將電壓施加至能夠移動MEMS鏡面之驅動器元件來達成。然而，駐停MEMS鏡面所需之高電壓會經由電子組件上之較多應力及老化而損壞與MEMS鏡面相關聯之驅動器元件，從而增大未來失效之可能性。下文論述用於防止由非想要的光束造成之干擾的額外方法及裝置。
圖3繪示包括MEMS鏡面240之陣列之實例晶粒。根據一些實例，MEMS晶粒封裝包括MEMS鏡面陣列，但在其他實例中，可包括任何數目個MEMS鏡面。MEMS晶粒可氣密地密封在封裝內部，其中在封裝之蓋中有窗口。並非所有鏡面都同時被需要或使用。舉例而言，可僅選擇MEMS鏡面陣列中之最佳鏡面及光纖陣列中之對應光纖來製造光開關，該光開關可被劃分為數個埠+若干備件。
圖4提供包括在光核心中之資料光路徑及監控光路徑之實例。在資料路徑470上，訊務作為光輸入進入至光纖準直器A。資料路徑470中之所有光學器件可經設計成用於遍及各種波長之非常低的損耗。光 沿著此路徑470行進，並自MEMSA反射，接著自MEMSB反射，然後耦合至輸出光纖準直器B。MEMS A及MEMS B可僅僅係較大陣列之兩個MEMS鏡面，諸如圖3中所繪示及上文所闡釋。藉由使陣列中之鏡面旋轉，來自任何輸入光纖之光可耦合至任何輸出光纖。注入器將小雷射光束照射在MEMS上。攝影機對自MEMS反射之光束進行成像以量測鏡面位置。
監控路徑480不攜載資料，但將關於鏡面位置之資訊提供給鏡面控制系統。此可使用例如注入器及攝影機來進行，其中該注入器將小光束照射在MEMS鏡面中之每一者上，該攝影機檢視自MEMS反射之光束之位置。針對每一MEMS陣列可存在一個攝影機/注入器對。
圖5繪示實例鏡面控制迴路。OCS控制系統160向OCS告知其應呈何種組態。鏡面控制迴路基於監控路徑資料來處置MEMS鏡面控制及移動演算法，且然後告知高電壓驅動器移動鏡面。
圖6A繪示注入器603之簡化側視圖。注入器603可含有或連接至雷射。雷射可含在殼體內。任何合適雷射可用作注入器603之光源以提供光子源。注入器603亦可含有反射性空間光相位調變器以自由地調變光相位，諸如矽上液晶空間光調變器(LCOS-SLM)。注入器603亦可透射地而非反射地操作。藉由穿過相位調變器，可自由地控制雷射光之波前形狀。注入器603亦可含有偏振光束分光器。偏振光束分光器可將一個光源分光成多個光束。舉例而言，其可對來自雷射之光進行分光。分光器可經配置使得可根據特定應用之需要來組態光束之幾何形狀或光之偏振。光束可進一步藉由穿過分光器及一或多個透鏡被準直。此等光束在圖6中被繪示為虛線平行線。LCOS-SLM可係主動單元之矩陣，經由控制電壓， 主動單元之矩陣可對撞擊至特定單元上之光之相位進行差分調變。LCOS-SLM可藉由調變入射波前之部分之相位以使光之相位改變來改變該入射波前之波前。
圖6A進一步繪示柵格板601。可將柵格板601附接在注入器603之一端上以修改或阻擋自注入器603發射之光子。僅作為一個可能實例，柵格板可包括0.5mm外徑之400個個別孔，此等孔被蝕刻在沈積於玻璃板上之鉻中。在其他實例中，柵格板可含有任何整數個個別孔，諸如在100與1000之間，其外徑在0.1mm至1mm之間。熟習此項技術者應瞭解，柵格板中之孔之數目及孔之尺寸可變化。對柵格板601之其他修改係可能的。舉例而言，可基於上文所論述之MEMS鏡面之製造來阻擋特定孔，以防止光束透射通過柵格板並到達特定MEMS鏡面上。此可經由例如在柵格板中之特定孔上使用環氧樹脂來完成，諸如圖6中之環氧樹脂602所繪示。然而，對柵格板(諸如柵格板601)進行實體上修改之實用性在較大光學系統內受限，此係因為必須關閉該系統才能修改柵格板。
圖6B係注入器600之圖解。圖6B繪示注入器之一端處之可程式化光束阻擋器700、光束分光器620、雷射630以及連接器640。連接器640可連接至其他電子及軟體控制件，諸如OCS控制系統160。儘管在圖6B中被繪示為處於注入器600之一端上，但可程式化光束阻擋器700可置放在注入器600之其他位置處或併入在注入器600之其他位置處。可程式化光束阻擋器可整合至OCS中，並控制來自注入器之特定光束之發射。其他透鏡、光學設備或柵格板601亦可包括在注入器600中。因而，可程式化光束阻擋器700可阻擋特定光束，而其他光束穿過透鏡及柵格板601。
如下文參考圖7A至圖7D進一步所闡釋，光束阻擋器700可包括玻璃部分、液晶部分，及反射性或鏡面部分。光束阻擋器700可進一步包括複數個像素調變器，其中每一像素調變器可被個別地啟動。舉例而言，每一光束可被輸入至對應像素調變器，其中像素調變器判定光束是否穿過以照明像素或光束是否被阻擋。當光束到達光束阻擋器700之處於「關斷」狀態之第一像素調變器時，該像素調變器允許光穿過該像素調變器。舉例而言，光將穿過像素調變器，並自鏡面背襯反彈，反向通過光束分光器620，並沿著注入器600之長度行進。當光束到達光束阻擋器之組態為處於「開啟」狀態之第二像素調變器時，該像素調變器可防止光穿過該像素調變器。
在其他實例中，每一光束可係一個以上像素調變器之輸入。換言之，一個光束可足夠寬以成為多個像素調變器之輸入。在此實例中，由光束照明之每一像素調變器可判定其接收之光束之一部分是否穿過該像素調變器。因此，舉例而言，類似於以上描述，當光束之一部分到達光束阻擋器之處於「關斷」狀態之像素調變器處時，該像素調變器允許光穿過該像素調變器。
每一像素調變器可包括例如複數個液晶單元。每一像素調變器可進一步包括開關，該開關可用於使像素調變器在「關斷」狀態與「開啟」狀態之間轉變，在該「關斷」狀態下像素調變器透射光，在該「開啟」狀態下像素調變器阻擋光。每一像素調變器亦可具有「部分狀態」或「灰度」狀態，其中像素可使透射通過特定像素之光之能量、相位或量變化。LCOS像素之部分狀態(在本文中亦被稱為灰色狀態、灰度狀態或灰色阻擋器)可具有所接收光之指定非零透射。歸因於由穿過灰色阻擋 器之光之部分相變引起的光之強度改變，會出現灰度狀態或灰色阻擋器，此可對應於特定液晶單元在「開啟」與「關斷」狀態之間。在一些實例中，阻擋器之灰色狀態可幾乎係連續的，而在其他實例中，阻擋器之灰色狀態依據施加電壓。像素內之偏振旋轉可用於將相位調變轉換為強度調變，此控制像素之「開啟」、「關斷」及「灰色」狀態。
可藉由經由連接器640發送指令或電信號來控制個別像素之「開啟」及「關斷」狀態或「部分」狀態，其中連接器640與光束阻擋器700電耦合。當像素調變器例如自「關斷」狀態轉變至「開啟」狀態時，像素調變器中之複數個液晶單元可將相位改變為其阻擋光之相位狀態。類似地，當像素調變器轉變為「灰色」狀態時，可控制透射通過該個別像素之光量。
像素調變器可共同地用於光束塑形。光束塑形可用於提供特定光束剖面，使得降低高注量峰值。在一些實例中，可經由使用電子器件來進行光束塑形，以產生可呈現特定形狀之透射剖面。舉例而言，可為透射光束產生高斯光束剖面。高斯光束剖面或其他光束剖面可係在二維平面中之能量或強度分佈。在一些實例中，光束剖面可係任何任意二維機率分佈或具有變化強度位準或能量位準之任何任意形狀。整個光束空間形狀可由像素調變器指定及實施，以確保強度(或灰色)位準、阻擋位置及正被透射之光之形狀符合特定所要分佈。經由使用部分狀態或灰色阻擋器，關於由光波形成之干涉圖案可達成特定優點，諸如參考圖7F所描述之優點。
雷射630可係任何合適功率及波長雷射。圖6B亦繪示表示雷射630處產生之光束所採取之路徑的未標記線。光束可在擊中偏振光束分光器時被偏振。光束之被偏振之一部分將透射至光束阻擋器700。
光束分光器620可係偏振光束分光器，以將自光束阻擋器700反射之光分光成經反射S偏振光及經透射P偏振光。光束分光器620可係例如由薄平坦玻璃板組成之板光束分光器，其中該薄平坦玻璃板已塗佈在一個表面上。
光束阻擋器700可用於透射或反射模式。光束阻擋器700可係完全可程式化的，此係因為其可允許根據需要而開啟及關斷個別細光束，或根據需要而開啟及關斷可小於個別細光束之大小的個別像素單元。光束阻擋器700可因此精細地控制光束之形狀及透射。另外，光束阻擋器700可在資訊上與OCS之其他部分連接。舉例而言，OCS控制器可比較自光束阻擋器接收之資訊與自攝影機接收或自攝影機所捕捉之影像導出之資訊。因此，OCS控制器可檢查光束阻擋器700之功效或其操作中之任何故障。類似地，如上文所描述，OCS控制器可比較由攝影機捕捉之影像與來自光束阻擋器700之資訊，以判定哪些光束將被阻擋。當在注入器內使用時，光束阻擋器700可控制自注入器發射哪些光束，以提供較大精細度及對個別光束之控制。光束阻擋器700可因此與上述系統及裝置結合使用，以防止光束到達指定MEMS鏡面，且消除對駐停指定鏡面之需要。另外，由於光束阻擋器700係完全可程式化的，且可獲得對光束之精細控制，因此光束阻擋器700可實現對OCS開關及個別MEMS鏡面之較快且較佳的校準。另外，由光束阻擋器700執行之阻擋並非永久的，此係因為液晶材料之光學特性可藉由向該材料施加或移除電壓來修改。
由於係完全可程式化的，因此注入器600可促進經由演算法方法導出關於OCS之額外資訊。演算法可使用自注入器600所發射之光束之路徑及特性產生之資訊。注入器600可進一步經由連接器640與光通 信系統控制件進行資料通信。光通信系統控制系統可自光控制系統之部分接收資訊。OCS經由使用鏡面及光束以高效方式傳送非常大量的資料。因此，與諸如MEMS鏡面陣列之系統之功效及組態有關之資訊可有效地操作OCS。因此，如下文進一步所闡釋，根據使用可程式化注入器產生之資訊可用於導出關於OCS之更精細的資訊。作為一個實例，注入器600可藉由阻擋其他光束而將單一光束照射至MEMS陣列中之單一鏡面上，以由OCS控制系統捕捉或產生與該鏡面有關之資訊。可例如為每一鏡面重複此過程。在其他實例中，可產生光束以更精細地測試MEMS鏡面陣列之功效。此資訊可藉由演算法用於自動地將資訊重新路由至回應性更好或條件較佳之鏡面。
圖7A至圖7F大致更詳細地繪示光束阻擋器700之態樣。在圖7A至圖7D中亦繪示笛卡爾座標以繪示光束阻擋器700之各個態樣，如下文更全面地所闡釋。在說明性圖之間使用笛卡爾座標以自各個視角表示光束阻擋器700之各個態樣。
圖7A繪示可程式化光束阻擋器700之前視圖。光束阻擋器700可由單元陣列製成，每一單元包括基於反射性矽上液晶(LCOS)顯示器之空間光調變器(SLM)。光束阻擋器700可由柵格狀圖案之任何數目個單元製成，諸如單元710或單元720。在一實例中，單元之數目可等於經準直光束之數目。在其他實例中，針對每一經準直注入器光束可存在複數個單元。舉例而言，針對每一經準直注入器光束可存在固定數目之多個單元，此等單元之數目又可對應於MEMS鏡面之數目。單元之柵格可經由共同電極電連接，如下文進一步所闡釋。在其他實例中，單元可每像素具有個別陰極及陽極或獨立電路系統。
圖7B繪示個別單元710之示意性橫截面。個別單元可包括玻璃板711、對單元柵格係共同的電極(諸如共同電極712)、液晶層或材料(諸如液晶713)、像素鏡面(諸如鏡面714)及矽晶圓或矽層(諸如矽層715)。玻璃板711、電極712、液晶713及鏡面714都可具有與MEMS鏡面或光束寬度相同量級之尺寸。舉例而言，組件可係毫米或微米級。玻璃板711可係任何合適玻璃材料以圍封其他材料。玻璃板711可對所有單元係共同的，或針對每一單元係個別玻璃片。共同電極可係對所有單元係共同的電極，諸如閘極、源極或汲極，或由合適導電材料製成之任何其他電組件。液晶713可基於OCS系統之效能特性及時間回應要求而由已知液晶材料類別中之任何合適液晶材料製成。鏡面714可係任何合適反射性材料以確保鏡面形狀之一致性，同時保持一定的反射率。作為實例，可將高純度之鋁層用作鏡面。矽層715可由任何合適材料製成，且進一步在其上含有或已蝕刻、圖案化、濺鍍或以其他方式層疊合適材料以實現下文所描述之功能性。在一個實例中，矽層715可係互補金屬氧化物半導體層。在其他實例中，半導體層可來自金屬氧化物半導體場效電晶體製造製程。此等層內可存在合適間距及幾何形狀以確保下文所描述之功能性。
如圖7B中所繪示，在共同電極712、鏡面714與矽層715之間可存在空間或間隙。在圖7B中亦表示入射光線(光線716)及反射光線(光線717)。入射光線(光線716)自鏡面714反射以形成反射光線(光線717)。共同電極712、鏡面714與矽晶圓715之間的空間可含有電子器件及電路系統以經由液晶713啟用或停用個別單元，如下文所闡釋。液晶材料可屬於對掌性向列類型，其中相變與液晶之定向改變相關聯。取決於光束阻擋器是否在作用中，光線717可經由改變其相位並又改變其偏振或經由減小其 強度而被阻擋。
圖7C及圖7D繪示光束阻擋器700之額外態樣。儘管圖7C及圖7D繪示光束阻擋器700經由相位調變而操作之一個實例，但可能存在其他實施方案。舉例而言，光束阻擋器700可經組態以調變光束之強度。在又其他實例中，光束阻擋器可經組態以同時調變光束之相位及光束之強度兩者。在其他實例中，光束阻擋器可與濾光片(諸如偏振濾光片)組合，以阻擋已被相位調變之光。舉例而言，可使用偏振濾光片以將相位調變轉換成強度調變。
圖7C係當未將電壓施加至液晶時的光束阻擋器700之個別單元之電路的示意圖。圖7C經繪示為表示沿著x-y平面截取的個別單元之橫截面。以平行虛線繪示液晶材料，諸如液晶713。開關720及相關電路可由任何合適製造技術製成。開關720之實例包括但不限於功率二極體、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、雙極接面電晶體、絕緣閘極雙極電晶體、閘流體。
圖7C中亦繪示開關720以及入射光束715-I及反射光束715-R。在光束阻擋器700使用相位調變之一些實例中，入射光束715-I及反射光束715-R可具有相同相位。在光束阻擋器使用強度調變之其他實例中，入射光束715-I及反射光束715-R可具有相同強度。當未將電壓施加至液晶時，諸如當開關未連接且電路處於關斷位置時，液晶713係以允許光束通過其透射之方式配置。
圖7D係當將電壓施加至液晶時的個別單元之電路的示意圖。以平行虛線繪示液晶材料，諸如液晶713。當液晶材料中存在特定電壓時，在液晶材料中會發生相移。液晶材料在存在電壓的情況下經歷相 移，且因此當開關720閉合且電路完整時具有不同光學屬性。在經受電壓時，液晶之「極性」旋轉，且液晶然後防止光通過其透射。液晶之此旋轉可由電壓施加所誘發之電磁效應引起。個別單元可因此防止光束通過其透射。圖7D中繪示入射光束715-I。在一些實例中，歸因於液晶713之偏振，可能不存在反射光束。在光束阻擋器700使用相位調變之其他實例中，自714反射之任何光可具有與光束715-I之相位不同的相位。經由使用偏振濾光片，此相移可用於阻擋任何光離開單元。在其他實例中，光束阻擋器700可使用強度調變以使沒有光離開單元。
儘管已參考圖7A至圖7E給出液晶材料之實例，但可使用其他材料及製程來構成光束阻擋器700。在其他實例中，可使用其他材料，諸如奈米材料、晶體金屬、熱致液晶、溫度相依材料或記憶材料，來阻擋光子之透射或允許光子之透射。
圖7E繪示光束阻擋器700及由攝影機捕捉之影像750的另一視圖，影像750對應於由光束阻擋器700阻擋之光束。圖7E繪示單元之柵格，其中「變暗」單元對應於經組態以阻擋光束之單元，且亮單元對應於意欲允許光束透射之單元。影像750繪示由攝影機捕捉之影像750。影像750以白色星號繪示由攝影機捕捉之光束。在一些實例中，攝影機可係含有與光束阻擋器中之單元相同的配置之光偵測器的攝影機。舉例而言，若光束阻擋器係10×10柵格，則攝影機亦可含有10×10光偵測器之陣列。在其他實例中，攝影機可經設計或選擇成具有大視場，諸如40mm×40mm。在此實例中，攝影機視場內之任何光線將被成像至攝影機感測器上。由於成像光學器件以及CMOS感測器像素之數目、大小及配置可與LCOS像素大小任意地不同，因此CMOS感測器像素大小不必與LCOS像 素大小匹配。舉例而言，CMOS感測器可含有之像素數目係LCOS像素中含有之像素數目的許多倍，以使能夠捕捉高精度影像，該等高精度影像可反映經由光束阻擋器700透射之光束之形狀、輪廓及其他屬性。舉例而言，參考圖7F可看出此類樣本影像。應理解，攝影機之其他組態亦係可能的。影像750上之白色星號對應於穿過光束阻擋器700之光束，而暗光斑對應於被阻擋之光束。
根據一些實例，在無需實體上修改OCS系統組態的情況下，攝影機結合OCS控制可使用所捕捉影像來實現MEMS鏡面陣列之校準、切換被透射或阻擋之光束或測試整個OCS系統。作為實例，若影像750上之預期圖案與光束阻擋器700之已知組態之間存在偏差，則可推斷MEMS鏡面陣列已發生故障。可自攝影機所接收並在影像中捕捉之其他資訊(諸如所捕捉光束之強度、展度、焦點或角度)導出其他演算法及測試。
圖7F繪示接近LCOS拍攝之光束以及攝影機拍攝之光束的態樣。圖7F繪示在光束阻擋器700處或附近拍攝之強度標繪圖780A及790A，以及由攝影機作為影像拍攝之強度標繪圖780B及790B。圖7F亦繪示對應於標繪圖780A的「x」軸上之標繪圖781A及「y」軸上之標繪圖782A。此等標繪圖繪示任何位置處之能量之量，以灰度反映了每一標繪圖在x-y柵格上之各個位置處之光強度，其中「白色」為最高能量強度且黑色為最低能量強度。標繪圖780A繪示在光束阻擋器附近之2mm×2mm柵格上捕捉之光束形狀。780B繪示在對應於標繪圖780A之攝影機處在影像中捕捉之光強度。亦繪示分別繪示x及y能量強度之標繪圖781B及782B。標繪圖780A使用「正方形光束」來形成強度光斑，該等強度光斑引起在標繪圖780B、781B及782B中反映之繞射尖峰。在781B及782B中 發現不規則性及有雜訊信號，其使接收到之光信號降級。此外，781B及782B之中心部分反映由於使用「正方形」或「矩形」信號所引起之繞射。
圖7F亦繪示具有對應標繪圖791A及792A之標繪圖790A，以及具有對應標繪圖791B及792B之標繪圖790B。標繪圖790A繪示在光束阻擋器附近之2mm×2mm柵格上或附近捕捉之光束形狀，其中光束大致為高斯分佈。與780B相比，790B繪示了光束之峰值被更清晰地界定，且歸因於光之較低繞射，接收到之信號之雜訊較少。
圖8繪示可程式化地阻擋光電路開關中之個別光束之實例方法800的流程圖。雖然下文以特定次序描述方法800，但應理解，操作可按不同次序或同時執行。此外，可添加或省略操作。
在區塊805處，可將複數個像素調變器中之第一像素調變器組態為處於關斷狀態。舉例而言，在關斷狀態下，沒有電壓被施加至像素調變器。作為一個實例，在第一像素調變器包括LCOS-SLM的情況下，LCOS-SLM之液晶單元可處於水平定向。然而，液晶可處於任何定向角度範圍以在透射光中產生所要相變或強度改變。在一些實例中，定向可係使第一像素調變器處於關斷狀態之任意定向。
在區塊810處，可將複數個像素調變器中之第二像素調變器組態為處於開啟狀態。舉例而言，可將電壓施加至第二像素調變器以將其啟動。在「開啟」狀態下，在第二像素調變器包括LCOS-SLM的情況下，液晶單元可垂直地定向或處於允許光穿過之另一定向。應理解，在光電路開關中可包括額外像素調變器，其中每一像素調變器可被個別地組態為處於「開啟」狀態或「關斷」狀態。類似地，在此步驟處，像素調變器 亦可被轉至或組態為處於任何灰度狀態，此與「開啟」狀態相比會改變光之相位且僅准許光之一部分穿過並降低光之強度。
在區塊815處，在第一像素調變器處接收第一光束。在區塊820處，使所接收光束透射通過第一像素調變器。
在區塊825處，在第二像素調變器處接收第二光束。在區塊830處，由第二像素調變器阻擋所接收光束。
在區塊835處，可由攝影機捕捉影像。影像可對應於經阻擋及未經阻擋光束。舉例而言，影像可包括至少一個光斑，至少一個光斑對應於在區塊820中透射通過第一像素調變器之光束。影像可進一步包括至少一個暗光斑，至少一個暗光斑對應於區塊830之經阻擋光。由複數個像素調變器透射或阻擋之每一光束可在攝影機影像中被表示為亮光斑或暗光斑，此取決於光束由各別像素調變器透射抑或阻擋。
在區塊840處，可重新程式化第一像素調變器或第二像素調變器中之至少一者。舉例而言，在區塊845處，可改變由第一像素調變器或第二像素調變器中之至少一者施加至像素之電壓。舉例而言，可藉由對第一像素調變器施加電壓而將第一像素調變器切換至「開啟」狀態。作為另一實例，可藉由停止施加電壓而將第二像素調變器切換至「關斷」狀態。
根據一些實例方法，可評估OCS系統之各個態樣。舉例而言，可基於由攝影機捕捉之資訊與關於光束阻擋器之功能性之資訊之間的演算法比較來實現光束阻擋器之功能性。作為另一實例，可藉由至少比較由攝影機接收或自攝影機捕捉之資訊來評估MEMS鏡面或MEMS鏡面控制器之操作。
雖然本說明書含有許多特定實施細節，但此等細節不應被認作對可主張內容之範疇之限制，而是被認作對特定實施方案特有之特徵之描述。本說明書中在單獨實施方案之上下文中描述之特定特徵亦可在單一實施方案中組合地實施。相反地，在單一實施方案之上下文中描述之各種特徵亦可單獨地或以任何合適子組合實施在多個實施方案中。此外，儘管特徵可在上文中被描述為以特定組合起作用且甚至最初如此主張，但在一些情況下，來自所主張組合之一或多個特徵可自該組合刪除，且所主張組合可有關於子組合或子組合之變化。
類似地，雖然在圖式中以特定次序描述操作，但此不應被理解為要求以所展示之特定次序或以循序次序執行此類操作，或要求執行所有所說明操作，以達成期望的結果。在特定情況下，多任務及並行處理可係有利的。此外，在上述實施方案中之各種系統組件之分離不應被理解為在所有實施方案中都需要此類分離，且應理解，所描述之程式組件及系統通常可一起整合在單一軟體產品中或封裝成多個軟體產品。
對「或」之參考可被認作包括性的，使得使用「或」描述之任何術語可指示所描述術語中之單一、一個以上及全部中之任一者。標記「第一」、「第二」、「第三」等未必意謂指示排序，且通常僅用於區分類似或相似項目或元素。
對本發明中所描述之實施方案之各種修改可對於熟習此項技術者而言係容易顯而易見的，且本文中所定義之一般原理可應用至其他實施方案，而不脫離本發明之精神或範疇。因此，申請專利範圍不意欲限於本文中所展示之實施方案，而是符合與本文中所揭示之此揭示內容、原理及新穎特徵一致的最寬範疇。
600:注入器
601:柵格板
620:光束分光器
630:雷射
640:連接器
700:可程式化光束阻擋器

Claims (21)

  1. 一種可程式化光束注入器，其包含：一光源，該光源經調適以產生一光束；一光束分光器，該光束分光器經組態以自該光源接收該光束並使該所接收光束偏振；及一光束阻擋器，該光束阻擋器自該光束分光器接收該偏振光束，包含複數個像素調變器，其中每一像素調變器包括複數個包含相變材料之單元，其中每一像素調變器可在一關斷狀態與一開啟狀態之間獨立地操作，在該關斷狀態下該偏振光束穿過，在該開啟狀態下該偏振光束被阻擋。
  2. 如請求項1之可程式化光束注入器，其中該可程式化光束注入器進一步包含一資料連接器，該資料連接器經組態以發送及接收資料或與一光開關電路控制件介接。
  3. 如請求項2之可程式化光束注入器，其中該可程式化光束注入器經組態以至少基於自接收來自該可程式化光束注入器之光束之一攝影機產生之一影像自該光開關電路控制件接收關於該可程式化光束注入器之操作之資訊。
  4. 如請求項1之可程式化光束注入器，其中該光束阻擋器含有一數目對應於一光開關電路中使用之MEMS鏡面之一數目的該複數個像素調變器。
  5. 如請求項1之可程式化光束注入器，其中：該複數個像素調變器之一或多者可在一部分狀態下操作，在該部分狀態下該偏振光束之僅一部分穿過該光束阻擋器；且該光束阻擋器用於塑形該所接收偏振光束以符合一光束剖面。
  6. 如請求項1之可程式化光束注入器，其中該可程式化光束注入器經由對該所接收偏振光束進行相位調變而阻擋光束。
  7. 如請求項1之可程式化光束注入器，其中該可程式化光束注入器經由對該所接收偏振光束進行強度調變而阻擋光束。
  8. 一種光開關電路，其包含：一可程式化光束注入器，該可程式化光束注入器包含：一光源，該光源經調適以產生一光束；一光束分光器，該光束分光器經組態以使來自該光源之該光束偏振；一光束阻擋器，該光束阻擋器包含：複數個像素調變器，其中每一像素調變器包括複數個包含相變材料之單元，其中每一像素調變器可在一關斷狀態與一開啟狀態之間獨立地操作，在該關斷狀態下該偏振光束穿過，在該開啟狀態下該偏振光束被阻擋；一微機電系統(MEMS)鏡面，該MEMS鏡面經組態以接收該偏振光束； 一攝影機，該攝影機經組態以捕捉自該MEMS鏡面反射之該偏振光束；一光纖準直器。
  9. 如請求項8之光開關電路，其中該可程式化光束注入器進一步包含一資料連接器。
  10. 如請求項9之光開關電路，其中該資料連接器經組態為與一光開關電路控制件進行資料通信。
  11. 如請求項9之光開關電路，其中該可程式化光束注入器基於利用來自至少該攝影機及一MEMS鏡面控制器之資訊作為輸入之演算法接收指令。
  12. 如請求項8之光開關電路，其中每一單元進一步包含一偏振濾光片層。
  13. 一種在一光開關電路中選擇性地阻擋由一光源產生之一光束之方法，其包含：將複數個像素調變器中之一第一像素調變器組態為處於一關斷狀態，其中電壓未被施加至該第一像素調變器；將該複數個像素調變器中之一第二像素調變器組態為處於一開啟狀態，其中一電壓被施加至該第二像素調變器；在該第一像素調變器處接收一第一光束； 使該所接收第一光束透射通過該第一像素調變器；在該第二像素調變器處接收一第二光束；及由該第二像素調變器阻擋該第二光束。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含由一攝影機捕捉一影像，其中該影像以暗光斑表示經阻擋光束並以亮光斑表示未經阻擋光束。
  15. 如請求項13之方法，其進一步包含重新程式化該第一像素調變器及該第二像素調變器中之至少一者。
  16. 如請求項15之方法，其中重新程式化該第一像素調變器及該第二像素調變器中之該至少一者包含：改變施加至該第一像素調變器及該第二像素調變器中之該至少一者之一電壓，使得由於施加電壓之該改變，該像素調變器轉變至一不同狀態。
  17. 如請求項14之方法，其進一步包含在一光開關電路控制件處比較自該所捕捉影像產生之資訊與關於該複數個像素調變器之資訊。
  18. 如請求項17之方法，其進一步包含當自該所捕捉影像產生之資訊指示一光束之一參數低於一特定臨限值時，自動地重新程式化對應於該光束之一像素調變器。
  19. 如請求項18之方法，其中所量測之該參數係該光束之一強度。
  20. 如請求項17之方法，其進一步包含基於來自一光開關電路控制件之資訊自動地重新程式化一第二像素調變器以透射一先前經阻擋光束。
  21. 如請求項14之方法，其進一步包含在一光開關電路控制件處基於自該所捕捉影像產生之資訊、關於該複數個像素調變器之資訊及自一MEMS控制器接收之資訊來評估一MEMS鏡面陣列或該MEMS控制器中之一故障。
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