DE68908945T2 - Rekonfigurierbare optische Verbindung unter Verwendung eines dynamischen Hologramms. - Google Patents
Rekonfigurierbare optische Verbindung unter Verwendung eines dynamischen Hologramms.Info
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Description
- Die Regierung der Vereinigten Staaten hat gemäß einem von der Defense Advanced Research Projects Agency vergebenen Vertrag Rechte an dieser Erfindung.
- Diese Erfindung betrifft Techniken zum Verarbeiten von Information, die z.B. in einem optischen Nachrichtensystem oder einem optischen Computer optisch übertragen wird.
- Die optischer Übertragung innewohnende Parallelität (d.h., daß ein Lichtstrahl in verschiedenen Bereichen seiner selbst verschiedene Informationen ohne gegenseitige Störung tragen kann) und die breite Bandweite, die optische Systeme für Nachrichtenübertragung darbieten, sind für Echtzeit-Bildverarbeitung, optische Verbindungspläne und Assoziativverarbeitung ideal. Infolgedessen stellt sich optische Verarbeitung als Gebiet zunehmender Bedeutung bei Hochgeschwindigkeits- Informationsverarbeitung dar. Z.B. spielen rekonfigurierbare optische Verbindungen eine Schlüsselrolle in optischen Rechensystemen, wo derartige Verbindungen dazu verwendet werden, Laserarrays mit Detektorarrays zu verbinden. Vom prinzip her kann eine derartige Verbindung unter Verwendung einer optischen Matrixvektormultiplikation erhalten werden, bei der der Eingangsvektor die von einem Laserarray übertragenen Signale, die Matrix das zu realisierende Verbindungsmuster und der Ausgangsvektor die Signale repräsentiert, die von einem Array optischer Detektoren erfaßt werden.
- Wenn eine Lichtdurchlässigkeitsanordnung oder ein Raumlichtmodulator bei optischer Verbindung als Verbindungsmaske verwendet wird, wird ein übermäßig großer Bruchteil des in die Vorrichtung eintretenden Lichts durch die Lichtdurchlässigkeitsanordnung oder den Modulator absorbiert. Wenn die Verbindungsvorrichtung z.B. als Kreuzschienenschalter verwendet wird, weist sie einen Energiewirkungsgrad von nur 1/N auf, wobei N die Dimension des Arrays bezeichnet. Dieser übermäßig große Energieverlust tritt in der Vorrichtung auf, da der Bruchteil (N - 1)/N der Lichtenergie von jedem Element des Eingangsvektors nicht durch die Kreuzschienenmaske hindurchtreten kann. Ferner nimmt dieser Verlust, der manchmal auch als Fan-Out-Energieverlust (Ausbre itungsenergiever lust) bezeichnet wird, zu, wenn die Dimension N des Arrays zunimmt. Bei einem 1000 x 1000 Kreuzschienenschalter kann z.B. bis zu 99,9 % des Eingangssignals durch den Fan-Out verlorengehen. Ein Verlust dieser Größenordnung ist bei Hochgeschwindigkeits-Berechnungsanwendungen nicht hinnehmbar, bei denen Signale öfter als eine Million Mal pro Sekunde durch den Raumlichtmodulator laufen. Diese hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit würde bei einem solchen herkömmlichen optischen Verbindungssystem zu einem riesigen Fan-Out-Energieverlust führen. Zusätzlich zum von Natur aus vorhandenen Fan-Out-Energieverlust, weisen alle Raumlichtmodulatoren einen endlichen Einfügungsverlust aufgrund unvollkommender Übertragungseigenschaften und der Streuung von Licht auf. Wenn auch derartige Einfügungsverluste berücksichtigt werden, wird der Energiewirkungsgrad eines Kreuzschienenschalters auf t/N verringert, wobei t die Durchlässigkeit (t < 1) jedes der optischen Kanäle ist, durch die die Information im Schalter übertragen wird.
- Dieses Wirkungsgradproblem wurde im Stand der Technik angesprochen. Es ist z.B. bekannt, ein holographisches optisches System zu verwenden, um eine räumlich freie optische Verbindung herzustellen. Bei diesem System erfährt Licht von jeder Laserquelle innerhalb des Eingangsarrays Bragg-Streuung, und es wird auf einen oder mehrere Detektoren im Ausgangsarray zurückgeführt. Mehrere spezielle Bedingungen, wie Ausrichtung, Beugungswirkungsgrad usw. müssen jedoch für ein holographisches optisches Element erfüllt sein, damit es für Verbindungen bei VLSI(Very Large Scale Integration = Höchstintegration)-Schaltungen verwendet werden kann. Darüber hinaus muß ein neues Hologramm für jedes neue Verbindungsmuster hergestellt werden. Demgemäß besteht das Erfordernis für ein neues optisches Verbindungssystem, das einfach rekonfiguriert werden kann, während es einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
- Das US-Patent Nr. 4,703,992 offenbart eine optische Vorrichtung mit einem Strahlteiler zum Unterteilen eines Strahls kohärenten Lichts in einen Sondenstrahl (der durch Übertragung durch den Strahlteiler über ein feines Loch erzeugt wird) und einen Pumpstrahl. Ein lichtbeugender Kristall wird so angeordnet, daß er den Sondenstrahl und den Pumpstrahl empfängt, wobei die Strahlen so gegeneinander und zum Kristall ausgerichtet sind, daß Mischung zweier Wellen durch Lichtbeugung innerhalb des Kristalls Energie nichtwechselseitig vom Pumpstrahl zum Sondenstrahl überträgt, wodurch der Sondenstrahl verstärkt wird.
- Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, verwendet den nichtwechselseitigen Energietransport des Zweiwellen-Mischprozesses, um einen bisher nicht erreichbaren Wirkungsgrad bei einer rekonfigurierbaren optischen Verbindung zu erzielen. Ein Strahl kohärenten Lichts wird in ein Array von Lichtdetektoren unter Verwendung eines Strahlteilers zum Unterteilen des Strahls in einen Sondenstrahl und einen Pumpstrahl sowie eines Raumlichtmodulators zum Verändern der Intensität des Sondenstrahls in einer ersten Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Strahls eingekoppelt. Ein lichtbeugendes Element wird so angeordnet, daß es den modulierten Sondenstrahl und den Pumpstrahl empfängt, wobei die Strahlen so in bezug auf das lichtbeugende Element und in bezug aufeinander ausgerichtet sind, daß Zweiwellenmischung durch Lichtbeugung innerhalb des lichtbeugenden Elements Energie nichtwechselseitig vom Pumpstrahl zum modulierten Sondenstrahl überträgt, der dann durch das Detektorarray erfaßt wird.
- Bei einem spezielleren Ausführungsbeispiel weist das lichtbeugende Element ferner einen lichtbeugenden Kristall auf, wie z.B. AgGaS&sub2;, AgGaSe&sub2;, β-BaB&sub2;O&sub4;, BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, BGO, GaAs, KTN, KTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; oder SrBaNb&sub2;O&sub6;.
- Darüber hinaus kann ein erstes Linsensystem im Pfad jedes Sondenstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem Raumlichtmodulator angeordnet sein, um den Sondenstrahl in einer ersten Richtung aufzuweiten, während ein zweites Linsensystem im Pfad jedes Pumpstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem lichtbeugenden Element angeordnet sein kann, um jeden Pumpstrahl in der ersten Richtung aufzuweiten.
- Bei einem Ausführungsbeispiel, das dazu dienen soll, ein Array koplanarer, paralleler Strahlen kohärenten Lichts in ein Array von Lichtdetektoren einzukoppeln, unterteilt ein Strahlteiler das Array in ein Array von Sondenstrahlen und ein Array von Pumpstrahlen. Ein zweidimensionaler Raumlichtmodulator verändert die Intensität des Sondenstrahlarrays in einer ersten Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Sondenstrahlarrays, und in einer zweiten Richtung rechtwinklig zur ersten Richtung und rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Sondenstrahlarrays. Das lichtbeugende Element ist so angeordnet, daß es die modulierten Sondenstrahlen und die Pumpstrahlen empfängt, wobei die Strahlen in bezug auf das lichtbeugende Element und in bezug aufeinander in solcher Weise ausgerichtet sind, daß Wellenmischung durch Lichtbeugung innerhalb des lichtbeugenden Elements Energie nichtwechselseitig von jedem Pumpstrahl auf den entsprechenden Sondenstrahl überträgt.
- Zusätzlich zu Verbesserungen ähnlich zu den oben angegebenen, kann dieses Ausführunbsbeispiel ferner ein drittes Linsensystem aufweisen, das im Pfad jedes Sondenstrahls zwischen dem lichtbeugenden Element und dem Detektorarray angeordnet ist, um den modulierten und verstärkten Sondenstrahl in der zweiten Richtung zu verengen.
- Ein Verfahren zum rekonfigurierbaren Koppeln mindestens eines Strahls kohärenten Lichts in ein Array von Lichtdetektoren weist die Schritte auf, daß jeder Strahl in einen Sondenstrahl und einen Pumpstrahl unterteilt wird und die Intensität jedes Sondenstrahls in einer ersten Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Sondenstrahls verändert wird. Jeder Sondenstrahl und jeder Pumpstrahl wird dann auf ein lichtbeugendes Element geleitet, wobei die Strahlen in bezug auf das lichtbeugende Element und in bezug aufeinander so ausgerichtet sind, daß Zweiwellenmischung durch Lichtbeugung innerhalb des lichtbeugenden Elements nicht wechselseitig Energie vom Pumpstrahl auf den entsprechenden modulierten Sondenstrahl überträgt. Schließlich wird jeder modulierte Sondenstrahl auf das Detektorarray geleitet.
- Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine gemäß der Erfindung aufgebaute rekonfigurierbare optische Verbindung zeigt.
- Fig. 2 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Verbindung, die derjenigen des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 ähnlich ist, jedoch eine zweidimensionale optische Verbindung bewirkt.
- Es ist ein hervorstechendes Merkmal dieser Erfindung, daß sie ein dynamisches holographisches Medium, wie einen lichtbeugenden Kristall, als rekonfigurierbare optische Verbindungsvorrichtung verwendet. Diese rekonfigurierbare Verbindung verwendet die nichtwechselseitige Energieübertragung, die bei einem Zweiwellenmischprozeß auftritt, um einen extrem hohen Beugungswirkungsgrad zu erzielen. Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine rekonfigurierbare optische Verbindung veranschaulicht, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Fig. 1 zeigt eine Verbindung für nur eine Dimension, um das Betriebskonzept der Erfindung deutlicher darzubieten. Ein Sondenstrahl 102, der einen kleinen Bruchteil der Intensität eines Eingangslaserstrahls 110 beinhaltet, wird durch einen Strahlteiler 120 aus dem Strahl ausgekoppelt, während der Rest des Strahls sich durch den Strahlteiler fortpflanzt, um als Pumpstrahl 122 zu wirken. Der Pumpstrahl 122 wird durch ein erstes Linsensystem aufgeweitet, das Zylinderlinsen 130 und 132 aufweist, und er wird dann auf einen lichtbeugenden Kristall 134 geleitet, dessen c- Achse so ausgerichtet ist, wie es durch den Pfeil 136 gekennzeichnet ist.
- Der Strahl 102 wird durch einen Spiegel 142 durch ein zweites Linsensystem geleitet, das Zylinderlinsen 138 und 140 aufweist. Die Linsen 138 und 140 sind vorhanden, um den Sondenstrah1 so aufzuweiten, daß getrennte Teile des Strahls durch ein Muster ausgerichtet werden können, das durch einen Raumlichtmodulator 144 gebildet wird. Bei der in Fig. 1 dargestellten besonderen Konfiguration ist der Strahl 110 zu zwei optischen Detektoren 148 und 152 zu leiten, die Teil eines Arrays von Detektoren 146, 148, 150 und 152 sind. Die Verbindung zu den Detektoren 148 und 152 wird durch ein Muster aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen erzielt, das im Modulator 144 aufgebaut wird, der auch die restlichen Bereiche des Strahls abschattet, so daß die Detektoren 146 und 150 kein Signal empfangen.
- Nachdem der modulierte Sondenstrahl durch den Modulator hindurchgelaufen ist, wird er innerhalb des lichtbeugenden Kristalls 134 mit dem aufgeweiteten Pumpstrahl 122 rekombiniert. Der Sonden- und der Pumpstrahl sind in bezug auf den Kristall 134 und in bezug aufeinander in solcher Weise ausgerichtet, daß Zweiwellenmischung aufgrund von Lichtbeugung innerhalb des Kristalls nichtwechselseitig Energie vom Pumpstrahl auf den modulierten Strahl überträgt. Infolgedessen wird fast die gesamte Energie im Pumpstrahl auf den Sondenstrahl übertragen, der das gewünschte Verbindungsmuster trägt. Der modu1ierte und der verstärkte Pumpstrahl werden dann durch die Detektoren 146 - 152 erfaßt. Der Fachmann erkennt, daß der Winkel zwischen dem Sondenstrahl 110 und dem Pumpstrahl 122 so gewählt sein sollte, daß der Zweiwellenmischprozeß innerhalb des besonderen, verwendeten Kristalls optimal ist. Zusätzlich muß sich jeder Bereich des Sondenstrahls innerhalb des Kristalls 134 mit dem entsprechenden Bereich des Pumpstrahls überschneiden, um korrekte Energieübertragung vom Pumpstrahl auf den modulierten Sondenstrahl zu erzielen. Wenn der zu verwendende Kristall kleiner als der Querschnitt der Strahlen ist, ist es auch möglich, den Pump- und den Sondenstrahl innerhalb des Kristalls so zu fokussieren, daß die Bedingungen für Zweiwellenmischung innerhalb eines Kristalls mit verringerter Größe ordnungsgemäß erfüllt werden.
- Der bei dieser Vorrichtung verwendete Zweiwellenmischprozeß kann als holographisches Echtzeitphänomen verstanden werden, bei dem die Aufzeichnungs- und Auslesefunktionen gleichzeitig innerhalb des lichtbeugenden Kristalls stattfinden. Mit dem Kristall wirken der Strahlteiler und der Raumlichtmodulator so zusammen, daß ein Volumenhologramm aufgezeichnet wird, das das vom Modulator vorgegebene Verbindungsmuster repräsentiert. Der beim Zweiwellenmischprozeß beteiligte Kopplungsmechanismus gewährleistet, daß der Beugungswirkungsgrad während des Auslesens aus dem Kristall durch den Pumpstrahl beinahe 100 % beträgt. Lichtbeugende Kristalle wie AgGaS&sub2;, AgGaSe&sub2;, β-BaB&sub2;O&sub4;, BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, BGO, GaAs, KTN, KTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; und SrBaNb&sub2;O&sub6; sind mit Abstand die wirksamsten der verschiedenen Typen zur Verfügung stehender holographischer Medien. Der Fachmann erkennt, daß das Erzielen derart hoher Wirkungsgrade es erfordert, daß der Kristall richtig so orientiert ist, daß die Energie des ausgelesenen Strahls stark erschöpft wird. Der hohe Wert des Energiewirkungsgrades wird erreicht, da der größte Anteil der Energie vom ausgelesenen Strahl getragen wird, der nicht durch den Modulator läuft, sondern durch das Hologramm in das Verbindungsmuster gebeugt wird.
- Auf diese Weise wird nur ein kleiner Bruchteil der Energie des ursprünglichen Strahls 110 der vom Modulator 144 herbeigeführten Abschwächung unterworfen. Demgemäß ist der vom Raumlichtmodulator hervorgerufene Energieverlust lediglich auf denjenigen durch den Reflexionseffekt des in der Vorrichtung verwendeten Strahlteilers beschränkt. Darüber hinaus kann der Strahlteiler so konstruiert werden, daß sein Reflexionsvermögen klein ist (z.B. 5 % oder weniger), so daß dieser Energieverlust minimiert ist. Da die nichtwechselseitige Energieübertragung im lichtbeugenden Kristall erzielt wird, wird demgemäß die optische Übertragung von Information vom Ursprungsstrahl auf die Detektoren mit einem hohen Energiewirkungsgrad erzielt.
- Der Energiewirkungsgrad eines solchen Verbindungsmusters kann wie folgt für einen Kreuzschienenschalter abgeschätzt werden. R sei die Reflektivität des Strahlteilers. Es sei angenommen, daß der Strahlteiler praktisch verlustlos ist, und daß die Eintrittsfläche des lichtbeugenden Kristalls antireflexionsbeschichtet ist, so daß der Fresnel-Reflexionsverlust vernachlässigt werden kann. Unter diesen Bedingungen weisen die zwei am lichtbeugenden Kristall ankommenden Strahlen die Energien 1 - R bzw. Rt/N auf. Innerhalb des Kristalls erfahren diese zwei Strahlen Kopplung durch Lichtbeugung. Infolgedessen wird der größte Anteil der Energie (1 - R) des Pumpstrahls auf den Sondenstrahl mit der Energie Rt/N übertragen, der das Verbindungsmuster trägt. Der Energiewirkungsgrad kann leicht hergeleitet werden, und ist der Folgende:
- wobei m das Strahlintensitätsverhältnis ist:
- und L die Wechselwirkungslänge, γ die Kopplungskonstante und α der Volumenabsorptionskoeffizient sind. Für lichtbeugende Kristalle wie AgGaS&sub2;, AgGaSe&sub2;, β-BaB&sub2;O&sub4;, BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, BGO, GaAs, KTN, KTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; und SrBaNb&sub2;O&sub6; ist die Kopplungskonstante sehr groß (d.h. γL » 1 für L = 1 cm). Der Wirkungsgrad kann näherungsweise wie folgt geschrieben werden:
- Es ist zu beachten, daß für große N der höchste Energiewirkungsgrad exp (- L) ist, wie er unter Verwendung eines Strahlteilers mit sehr kleiner Reflektivität R (d.h. R 0) erzielt wird.
- Bei Versuchen zum Untersuchen des Energiewirkungsgrades und der Möglichkeit einer hohen Datenübertragungsrate, wurde ein Laserstrahl von einem bei 514,2 nm betriebenen Argonionenlaser verwendet. Der Laserstrahl wurde unter Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von f = 2 m zu einem Strahl von 2 mm Durchmesser kollimiert. Ein Strahlteiler mit einer Reflektivität von R = 0,05 wurde verwendet, um 5 % der Energie durch den Raumlichtmodulator umzuleiten, und um den Sondenstrahl zu bilden. Der Rest der Energie breitete sich durch den Strahlteiler aus und bildete den Pumpstrahl. Der Raumlichtmodulator wurde zum Simulieren des Fan-Out-Energieverlustes durch ein Filter mit gleichförmiger, jedoch einstellbarer optischer Dichte ersetzt. Die zwei Strahlen überschnitten sich innerhalb eines Bariumtitanatkristalls über eine Wechselwirkungslänge von ungefähr 5 mm. Der Pumpstrahl trat beinahe rechtwinklig mit einer Intensität von 9,1 W/cm² in den Kristall ein. Der Sondenstrahl, der eine Intensität von 0,5 W/cm² aufwies, fiel mit einem Winkel von 400 ein. Der Kristall wurde so ausgerichtet, daß der Sondenstrahl auf Kosten des Pumpstrahls verstärkt wurde. Nach Durchlauf durch den Kristall war der Pumpstrahl praktisch erschöpft, wohingegen die Intensität des Sondenstrahls auf 1,9 W/cm² erhöht war. Derselbe Versuch wurde unter Verwendung von Filtern gleichförmiger Dichte mit Lichtdurchlässigkeiten von 0,1 und 0,001 wiederholt. Die entsprechenden Sondenstrahldichten betrugen 0,05 bzw. 0,005 W/cm². Die Intensität des verstärkten Sondenstrahls verblieb bei 1,9 W/cm². Diese Messungen bezeugen einen Energiewirkungsgrad von etwa 20 %. Anders gesagt, kann, wenn der Fan-Out-Verlust 99 % ist (z.B. bei einem 100 x 100-Kreuzschienenverteiler), der Energiewirkungsgrad dieser Verbindung mindestens zwanzigmal besser sein als bei der direkten Vorgehensweise. Es ist zu beachten, daß bei diesen Versuchen der Kristall nicht antireflexionsbeschichtet war und etwa 18 % der Energie an der Vorderfläche des Kristalls verlorengingen. Volumenabsorption im verwendeten Kristall war für ungefähr 60 % des Energieverlusts verantwortlich.
- Das Verbindungsmuster bei dieser Vorrichtung kann leicht dadurch rekonfiguriert werden, daß einfach Ersatz durch ein anderes Muster im Raumlichtmodulator erfolgt. Bei einer solchen Verbindung kann das Ausgangssignal jedes Eingangsstrahls an eien beliebigen der Detektoren oder an alle ausgegeben werden. Die Zeit zum Rekonfigurieren der Verbindung, wenn ein neues Verbindungsmuster eingeführt wird, wird von der Ausbildungszeit für ein Hologramm innerhalb des lichtbeugenden Kristalls bestimmt, die sehr kurz sein kann, z.B. in der Größenordnung von 1 msec, wenn Licht mit einer Energie von ungefähr 1 W/cm² verwendet wird. Wenn einmal ein Verbindungsmuster innerhalb des als Hologramm wirkenden Kristalls ausgebildet ist, kann diese Vorrichtung die Verbindungsfunktion mit ausreichender Geschwindigkeit bewerkstelligen, um in Systemen mit hoher Datenübertragungsrate betrieben zu werden. Obwohl die Rekonfigurationszeit durch die Lichtbeugungs-Ansprechzeit begrenzt wird und demgemäß bei maßvollen Intensitäten in der Größenordnung von Millisekunden liegt, kann das lichtbeugende Verbindungssystem sehr hohe Datenratensignale verkraften. Um diese Fähigkeit zu demonstrieren, wurde einem Argonlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 514,5 mm eine zeitliche Modulation unter Verwendung einer akustooptischen Vorrichtung aufgeprägt, um ein Signal zu simulieren, das mit irgendeinem Ausgang zu verbinden ist. Das verwendete Signal war ein Impulszug mit einer Frequenz von f&sub0; = 0,833 MHz, wobei jeder Impuls eine Breite von ungefähr 0,2 Mikrosekunden hatte. Diese Rate ist deutlich höher als der Kehrwert der Lichtbeugungs-Ansprechzeit. Der modulierte Laserstrahl wurde dann in zwei Strahlen aufgeteilt und wie oben beschrieben im Kristall gemischt, und der verstärkte Sondenstrahl wurde mit einem Photodetektor überwacht. Die Ergebnisse zeigten ein Gleichgewichts-Ansprechverhalten, gemäß dem der zeitweilig modulierte Pumpstrahl und der Sondenstrahl einfach dadurch wechselwirkten, daß eine Beugung weg vom stationären Brechungsindexgitter erfolgte, das im Kristall nach der Lichtbeugungs-Ansprechzeit erzeugt wurde.
- Fig. 2 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Verbindung, das dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ähnlich ist, jedoch eine zweidimensionale optische Verbindung bewirkt. In Fig. 2 werden kleine Bruchteile 202, 204, 206 und 208 der Intensitäten der Laserstrah1en 210, 212, 214 und 216 im Laserstrahlarray 218 aus jedem Strahl durch einen Strahlteiler 220 ausgekoppelt, wodurch restliche Strahlanteile verbleiben, nämlich die Pumpstrahlen 222, 224, 226 und 228, die sich durch den Strahlteiler fortpflanzen. Die Pumpstrahlen werden durch ein erstes Linsensystem mit Zylinderlinsen 230 und 232 geleitet, um die Pumpstrahlen in vertikaler Richtung aufzuweiten, bevor sie sich in einen lichtbeugenden Kristall 234 fortpflanzen, der so orientiert ist, daß seine c-Achse ausgerichtet ist, wie dies durch den Pfeil 236 gekennzeichnet ist. Die Sondenstrahlen 202 - 208 werden durch einen Spiegel 242 durch ein zweites Linsensystem mit Zylinderlinsen 238 und 240 geleitet.
- Die Linsen 238 und 240 weiten die Sondenstrahlen vertikal auf, wonach die Sondenstrahlen durch einen zweidimensionalen Raumlichtmodulator 244 geleitet werden. Bei der dargestellten 4 x 4-Verbindung ist zum Zweck der Veranschaulichung angenommen, daß es erwünscht ist, die Strahlen 210 - 216 mit einem Array von Detektoren 246, 248, 250 und 252 zu verbinden. Genauer gesagt, ist bei dem durch Fig. 2 veranschaulichten Beispiel der Strahl 210 mit den Detektoren 246 und 250 zu verbinden, der Strahl 212 mit den Detektoren 250 und 252, der Strahl 214 mit den Detektoren 246 und 252 sowie der Strahl 216 mit dem Detektoren 248 und 250. Als Matrixvektormultiplikation kann dieses Verbindungsmuster wie folgt geschrieben werden:
- wobei v&sub1;, v&sub2;, v&sub3; und v&sub4; die jeweiligen von den Strahlen 210 - 216 transportierten Signale sind. Der Modulator 244 erfährt durch geeignete lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Bereiche eine Musterung, um für jedes Signal die geeignete Wegführung zu erzielen. Die modulierten Sondenstrahlen werden dann nach Durchlaufen des Modulators innerhalb des Kristalls 234 mit den aufgeweiteten Pumpstrahlen 222 - 228 rekombiniert.
- Die Sonden- und Puinpstrahlen sind in bezug auf den Kristall 234 und in bezug aufeinander so ausgerichtet, daß Zweifelleninischung durch Lichtbeugung innerhalb des Kristalls Energie nichtwechselseitig von jedem Pumpstrahl in den zugehörigen modulierten Sondenstrahl überträgt. Im Ergebnis wird fast die gesamte Energie in den Pumpstrahlen in die Sondenstrahlen übertragen, die das gewünschte Verbindungsmuster tragen. Die modulierten und verstärkten Pumpstrahlen werden dann von einem zweidimensionalen Strahlarray durch ein drittes Linsensystem 254 in einen Vektor (ein eindimensionales Array) fokussiert. Schließlich werden die Strahlen durch die Detektoren 246 - 252 erfaßt. Der Vorteil dieser Vorrichtung ist der, daß die Strahlen innerhalb des Arrays 218 nicht miteinander in Phase sein müssen, da jeder Strahl innerhalb des lichtbeugenden Kristalls nur mit einem Anteil wechselwirkt, der vom selben Strahl abgespaltet wurde.
- Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden vorstehend veranschaulicht und beschrieben. Unzweifelhaft sind dem Fachmann jedoch Modifizierungen und zusätzliche Ausführungsbeispiele erkennbar. Z.B. könnte optische Phasenkonjugation zusammen mit dem Zweiwellenmischprozeß verwendet werden, um jegliche Phasenaberration zu korrigieren, die durch Unvollkommenheiten im lichtbeugenden Element hervorgerufen sein könnten, wie von Chiou und Yeh, Optics Letters, Bd. 11, Seite 461 (1986) beschrieben. Darüber hinaus kann das Konzept dieser Erfindung leicht erweitert werden und auf eine Verbindung mit einer größeren Anzahl von Eingangsstrahlen und/oder einer größeren Anzahl von Detektoren angewendet werden. Ferner können äquivalente Elemente für die hier veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile oder Verbindungen können umgekehrt oder in anderer Weise vertauscht werden, und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig von anderen Merkmalen verwendet werden. Demgemäß sollen die Ausführungsbeispiele als veranschaulichend statt als ausschließend angesehen werden, während die beigefügten Ansprüche eher den vollen Bereich der Erfindung anzeigen.
Claims (22)
1. Rekonfigurierbare optische Verbindung zum Einkoppeln
mindestens eines Strahls kohärenten Lichts in ein Array von
Lichtdetektoren, mit:
- einem Strahlteiler (120) zum Aufteilen jedes Strahls in
einen Sondenstrahl (102) und einen Pumpstrahl (122); und
- einem lichtbeugenden Element (134), das so angeordnet ist,
daß es jeden Sondenstrahl und jeden Pumpstrahl empfängt,
welche Strahlen in bezug auf das lichtbeugende Element und
in bezug aufeinander so ausgerichtet sind, daß
Zweiwellenmischung durch Lichtbeugung innerhalb des lichtbeugenden
Elements Energie nichtwechselseitig von jedem Pumpstrahl auf
den zugehörigen Sondenstrahl überträgt, wodurch jeder
Sondenstrahl verstärkt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verbindung ferner
folgendes aufweist:
- einen Raumlichtmodulator (144) zum Verändern der
Intensität jedes Sondenstrahls in einer ersten Richtung
rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Strahls; und
- ein Array von Detektoren (146 - 152), die hinter dem
lichtbeugenden Element (134) im Strahlpfad jedes
Sondenstrahls angeordnet sind.
2. Optische Verbindung nach Anspruch 1, bei der das
lichtbeugende Element ferner einen lichtbeugenden Kristall (134)
aufweist.
3. Verbindung nach Anspruch 2, bei der der lichtbeugende
Kristall aus der Gruppe mit AgGaS&sub2;, AgGaSe&sub2;, β-BaB&sub2;O&sub4;,
BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, BGO, GaAs, KTN, KTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; und
SrBaNb&sub2;O&sub6; ausgewählt ist.
4. Optische Verbindung nach Anspruch 1, ferner mit einem
ersten Linsensystem (138, 140), das im Pfad jedes
Sondenstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem Raumlichtmodulator
angeordnet ist, um jeden Sondenstrahl in der ersten Richtung
aufzuweiten.
5. Optische Verbindung nach Anspruch 4, ferner mit einem
zweiten Linsensystem (130, 132), das im Pfad jedes
Pumpstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem lichtbeugenden
Element angeordnet ist, um jeden Pumpstrahl in der ersten
Richtung auf zuweiten.
6. Optische Verbindung nach Anspruch 1, ferner mit:
- einem ersten Linsensystem (138, 140), das im Pfad jedes
Sondenstrahls zwischen dem Raumlichtmodulator und dem
lichtbeugenden Element angeordnet ist, um den Sondenstrahl in das
lichtbeugende Element zu fokussieren; und
- einem zweiten Linsensystem (130, 132), das im Pfad jedes
Pumpstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem lichtbeugenden
Element angeordnet ist, um den Pumpstrahl in das
lichtbeugende Element zu fokussieren.
7. Optische Verbindung nach Anspruch 1,
- bei der der mindestens eine Strahl kohärenten Lichts aus
einem Array koplanarer, paralleler Strahlen kohärenten
Lichts (218) in solcher Weise besteht, so daß der
Strahlteiler das Array in ein Array von Sondenstrahlen (202 - 208)
und ein Array von Pumpstrahlen (222 - 228) aufteilt;
- und bei der der Raumlichtmodulator ferner einen
zweidimensionalen Raumlichtmodulator (244) aufweist, um die
Intensität des Sondenstrahlarrays in einer ersten Richtung
rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Sondenstrahlarrays und
in einer zweiten Richtung rechtwinklig zur ersten Richtung
und rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des
Sondenstrahlarrays zu verändern.
8. Verbindung nach Anspruch 7, bei der das lichtbeugende
Element ferner einen lichtbeugenden Kristall (234) aufweist.
9. Verbindung nach Anspruch 8, bei der der lichtbeugende
Kristall aus der Gruppe mit AgGaS&sub2;, AgGaSe&sub2;, β-BaB&sub2;O&sub4;,
BaTiO&sub3;, Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0;, BGO, GaAs, KTN, KTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3; und
SrBaNb&sub2;O&sub6; ausgewählt ist.
10. Optische Verbindung nach Anspruch 7, ferner mit einem
ersten Linsensystem (238, 240), das im Pfad jedes
Sondenstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem Raumlichtmodulator
angeordnet ist, um jeden Sondenstrahl in der ersten Richtung
auf zuweiten.
11. Optische Verbindung nach Anspruch 10, ferner mit einem
zweiten Linsensystem (230, 232), das im Pfad jedes
Pumpstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem lichtbeugenden
Element angeordnet ist, um jeden Pumpstrahl in der ersten
Richtung aufzuweiten.
12. Optische Verbindung nach Anspruch 11, die ferner ein
drittes Linsensystem (254) aufweist, das im Pfad jedes
Sondenstrahls zwischen dem lichtbeugenden Element und dem
Detektorarray angeordnet ist, um den modulierten und
verstärkten Sondenstrahl in der zweiten Richtung zu verengen.
13. Optische Verbindung nach Anspruch 7, ferner mit:
- einem ersten Linsensystem (238, 240), das im Pfad jedes
Sondenstrahls zwischen dein Raumlichtmodulator und dem
lichtbeugenden Element angeordnet ist, um den Sondenstrahl in das
lichtbeugende Element zu fokussieren; und
- einem zweiten Linsensystein (130, 132), das im Pfad jedes
Pumpstrahls zwischen dem Strahlteiler und dem lichtbeugenden
Element angeordnet ist, um den Pumpstrahl in das
lichtbeugende Element zu fokussieren.
14. Verfahren zum rekonfigurierbaren Koppeln mindestens
eines Strahls kohärenten Lichts (110) in ein Array von
Lichtdetektoren (146 - 152), mit den folgenden Schritten:
- Aufteilen jeden Strahls in einen Sondenstrahl (102) und
einen Pumpstrahl (122);
- Verändern der Intensität jedes Sondenstrahls in einer
ersten Richtung rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des
Sondenstrahls;
- Leiten jedes Sondenstrahls und jedes Pumpstrahls in ein
lichtbeugendes Element (134);
- Ausrichten der Strahlen in bezug auf das lichtbeugende
Element und in bezug aufeinander in solcher Weise, daß
Zweiwellenmischung durch Lichtbeugung innerhalb des
lichtbeugenden Elements Energie nichtwechselseitig von jedem Pumpstrahl
auf den zugehörigen modulierten Sondenstrahl überträgt; und
- Leiten jedes modulierten Sondenstrahls auf das
Detektorarray.
15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner zwischen den
Schritten des Aufteilens jedes Strahls und des Veränderns
der Intensität jedes Sondenstrahls den Schritt des
Aufweitens jedes Sondenstrahls in der ersten Richtung aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner zwischen den
Schritten des Veränderns der Intensität jedes Sondenstrahls
und des Leitens jedes Sondenstrahls und jedes Punktstrahls
in das lichtbeugende Element den Schritt des Aufweitens
jedes Pumpstrahls in der ersten Richtung aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner zwischen den
Schritten des Veränderns der Intensität jedes Sondenstrahls
und des Leitens jedes Sondenstrahls und jedes Pumpstrahls in
das lichtbeugende Element folgende Schritte aufweist:
- Fokussieren jedes Sondenstrahls in das lichtbeugende
Element;
und
- Fokussieren jedes Pumpstrahls in das lichtbeugende
Element.
18. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der mindestens
eine Strahl kohärenten Lichts aus einem Array koplanarer,
paralleler Strahlen kohärenten Lichts (218) besteht,
- wobei der Schritt des Aufteilens des Arrays ferner das
Aufteilen des Arrays in ein Array von Sondenstrahlen
(202 -208) und ein Array von Pumpstrahlen (222 -228) umfaßt; und
- wobei der Schritt des Veränderns der Intensität jedes
Sondenstrahls ferner das Verändern der Intensität jedes
Sondenstrahls in einer ersten Richtung rechtwinklig zur
Ausbreitungsrichtung der Sondenstrahlen und in einer zweiten
Richtung rechtwinklig zur ersten Richtung und rechtwinklig zur
Ausbreitungsrichtung der Sondenstrahlen umfaßt.
19. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner zwischen den
Schritten des Aufteilens jedes Strahls und des Veränderns
der Intensität jedes Sondenstrahls den Schritt des
Aufweitens jedes Sondenstrahls in der ersten Richtung aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, das ferner zwischen den
Schritten des Veränderns der Intensität jedes Sondenstrahls
und des Leitens jedes Sondenstrahls und jedes Pumpstrahls in
das lichtbeugende Element den Schritt des Aufweitens jedes
Pumpstrahls in der ersten Richtung aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner zwischen den
Schritten des Ausrichtens der Strahlarrays und des Leitens
des modulierten Sondenstrahlarrays den Schritt des Verengens
der modulierten und verstärkten Sondenstrahlen in der
zweiten Richtung aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner zwischen den
Schritten des Veränderns der Intensität jedes Sondenstrahls
und des Leitens jedes Sondenstrahls und jedes Pumpstrahls in
das lichtbeugende Element folgende Schritte aufweist:
- Fokussieren jedes Sondenstrahls in das lichtbeugende
Element; und
- Fokussieren jedes Pumpstrahls in das lichtbeugende
Element.
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