專利名稱：主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)成像和集成技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，特別適用于三維立體顯示與攝影，高質(zhì)量衍射極限成像，遠(yuǎn)距離和高能激光精確聚焦。同時(shí)還涉及一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置和基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)，特別適用于計(jì)算機(jī)人機(jī)交換，機(jī)器人視覺(jué)，集成電路光刻，體信息存儲(chǔ)，軍事，能源，生物與光通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)利用光學(xué)透鏡對(duì)波前的變換功能，實(shí)現(xiàn)光波會(huì)聚，發(fā)散，和成像，但它有一系列缺陷，例如存在包括球差、色差、場(chǎng)曲等在內(nèi)的各種各樣的像差，焦距單一固定，既使采用機(jī)械方式變焦也速度緩慢，另外大口徑鏡頭加工困難，航空攝影容易受大氣湍流影響，在大功率激光情況下，光學(xué)鏡頭容易發(fā)生熱變形，降低成像質(zhì)量等。
目前有各種各樣的方法來(lái)克服傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)各方面的不足，例如自適應(yīng)光學(xué)，它采用一系列小鏡片來(lái)代替整塊大鏡片，然后通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整這些小鏡片來(lái)改善光學(xué)成像質(zhì)量，可顯著降低大氣湍流的影響。但每個(gè)小鏡片一般尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，難于集成，系統(tǒng)復(fù)雜，且調(diào)整速度有限。
再如二元光學(xué)，它采用大規(guī)模集成電路工藝進(jìn)行制作，可以在一塊元件上集成多種功能，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的單片集成，大幅度地降低了光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量，從根本上改變了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的形式和加工方法等，但對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量沒(méi)有根本改善，二元光學(xué)元件一旦加工完成，其功能和性能就是固定的。
再如光學(xué)位相共軛方法，它利用光路可逆性來(lái)消除波前傳播過(guò)程中產(chǎn)生的畸變。光路可逆性原理是光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)基本原理，但是除了平行光束這樣非常簡(jiǎn)單的情況，采用傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)光路逆轉(zhuǎn)，特別是對(duì)嚴(yán)重變形的波前和動(dòng)態(tài)變化的光場(chǎng)，是非常困難的。但是如果被光學(xué)位相共軛反射，一束光在傳播過(guò)程中無(wú)論經(jīng)過(guò)多少變形，都會(huì)通過(guò)逆變形，回到起點(diǎn)并恢復(fù)原始波前。但目前光學(xué)位相共軛的實(shí)現(xiàn)都依賴某種非線形光學(xué)效應(yīng)，如受激布里淵散射(SBS)、四波混頻等，無(wú)法人為控制光學(xué)位相共軛過(guò)程，我們可以稱之為被動(dòng)光學(xué)位相共軛方法。
盡管目前提出了各種各樣的方法來(lái)克服傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的不足，但一種方法往往只改善了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)某一方面的不足，而不能滿足其他方面問(wèn)題，特別是高速、高質(zhì)量、大尺寸立體顯示與攝像、遠(yuǎn)距離與大功率精確聚焦等一些極限條件下的成像問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于克服基于非線形光學(xué)效應(yīng)的被動(dòng)光學(xué)位相共軛方法的不足，提供一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，實(shí)現(xiàn)不依靠精密光學(xué)鏡頭的三維高質(zhì)量成像，特別是解決一些用現(xiàn)有光學(xué)成像方法很難解決的一些極限條件下的成像問(wèn)題，如大尺寸立體顯示與攝像、遠(yuǎn)距離與大功率激光聚焦等。
本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，它可以實(shí)現(xiàn)衍射極限超高分辨率，三維空間多點(diǎn)同時(shí)成像，納秒量級(jí)甚至更高速度的超快速變焦，同時(shí)它的關(guān)鍵部件可以采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)批量制造。
本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)，它可以實(shí)現(xiàn)波分解復(fù)用與大型光開(kāi)光陣列在單塊光集成芯片(PIC)上的集成，實(shí)現(xiàn)全光交換與路由，同時(shí)它可以采用大規(guī)模集成電路技術(shù)和光集成技術(shù)技術(shù)批量制造。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，當(dāng)進(jìn)行共軛發(fā)射時(shí)它包括如下步驟A、把相干照明光波輸入具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生只存在基模的光場(chǎng)；B、把假想目標(biāo)分解為三維空間光點(diǎn)的線性集合，按照同一線性集合關(guān)系把每個(gè)三維空間光點(diǎn)經(jīng)過(guò)A步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的基模光場(chǎng)進(jìn)行疊加，在每根光波導(dǎo)中獲得一個(gè)總光場(chǎng)；C、對(duì)A步驟中獲得的彼此隔離的光波導(dǎo)中的基模光場(chǎng)進(jìn)行位相和振幅調(diào)整，使得它們正比于B步驟中獲得的同一光波導(dǎo)中的總光場(chǎng)的光學(xué)位相共軛；D、對(duì)C步驟中獲得的彼此獨(dú)立的光波導(dǎo)中的光場(chǎng)一一進(jìn)行反射，使得它們逆向通過(guò)A和B步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
當(dāng)進(jìn)行共軛反射時(shí)它包括如下步驟E、僅讓參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)一個(gè)半透半反鏡和光學(xué)透鏡，其中半透半反鏡位于光學(xué)透鏡的焦距內(nèi)且與光學(xué)透鏡的光軸成45度角，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光軸與光學(xué)透鏡的光軸平行，在像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；F、在垂直于光軸的光學(xué)透鏡的物方焦面上引入一個(gè)相干點(diǎn)光源，利用半透半反鏡，在光學(xué)透鏡的像方產(chǎn)生與光軸平行的均勻平面光，在像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)與均勻平面光發(fā)生干涉后的光場(chǎng)的強(qiáng)度以及均勻平面光自身的強(qiáng)度；G、利用步驟E和F測(cè)量結(jié)果計(jì)算出參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的光波的位相，并移走相干點(diǎn)光源，半透半反鏡和光學(xué)透鏡；H、僅讓參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直接測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；I、保留參考相干光，同時(shí)讓三維物體發(fā)出的相干光波經(jīng)過(guò)E步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；J、遮斷參考相干光，僅保留三維物體發(fā)出的相干光波，又一次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；K、根據(jù)光學(xué)相干原理，利用步驟H、I、J三次測(cè)量結(jié)果和步驟E、F、G測(cè)得的參考相干光的位相，計(jì)算出三維物體經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的光波的振幅和位相，然后對(duì)光波的位相進(jìn)行調(diào)整，使得它們等于其自身的光學(xué)位相共軛，并使其反向通過(guò)同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明同時(shí)提出了一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，它由模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由光波導(dǎo)陣列W1-7構(gòu)成，光波導(dǎo)W1-7在橫截面尺寸小的一端為單模光波導(dǎo)，且靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)W1-7的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，控制光波導(dǎo)W1-7的橫截面尺寸和長(zhǎng)度，使得光波導(dǎo)W1-7中只產(chǎn)生基模，光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC由彼此獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7組成，每個(gè)光波導(dǎo)W1-7在互相隔離的一端耦合連接一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7，光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7用于調(diào)節(jié)每根光波導(dǎo)W1-7中的光波的位相和振幅實(shí)現(xiàn)光學(xué)位相共軛。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1和次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2組成，其中初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1由多模光波導(dǎo)WF1-5組成，光波導(dǎo)WF1-5的一端靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WF1-5的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)WF1-5在互相隔離的一端耦合連接一個(gè)次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2，次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2由光波導(dǎo)WS1-3組成，光波導(dǎo)WS1-3在橫截面尺寸小的一端為單模光波導(dǎo)，且靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WS1-3的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，控制光波導(dǎo)WS1-3的橫截面尺寸和長(zhǎng)度，使得光波導(dǎo)WS1-3在互相隔離的一端只產(chǎn)生基模，光波導(dǎo)WS1-3的數(shù)目等于每根光波導(dǎo)WF1-5中導(dǎo)模的數(shù)目，光波導(dǎo)WF1-5的橫截面尺寸固定不變。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中的光波導(dǎo)W1-7采用光增益材料制作。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中的光波導(dǎo)W1-7在一端靠攏放置，并整體拋光鍍制增透膜，光波導(dǎo)W1-7在另一端也拋光鍍制增透膜。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA8由兩個(gè)微反射鏡M2-3，彈性支柱SP1-2，電極EI1-5和電極EO1-4組成，兩個(gè)微反射鏡M1-2分別由彈性材料SP1-2支撐制作在基片ME2上，微反射鏡M1-2互相平行構(gòu)成一個(gè)F-P干涉器，電極EI1-5制作在基片ME2上，與M2相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，電極EI1-5的面積依次減小，并使得每個(gè)電極EI1-5分別施加同一電壓時(shí)，引起的M2的高度變化依次減半，電極EO1-4制作在基片ME2上，與M3相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，電極EO1-4的面積依次減小，并使得每個(gè)電極EO1-4分別施加同一電壓時(shí)，引起的M3的高度變化依次減半，通過(guò)M3的高度調(diào)整反射光波的位相，通過(guò)M2-3之間介質(zhì)的折射率或間隔調(diào)整反射光波的振幅。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA9由位相控制電極P1-6，位相補(bǔ)償電極CP1-6，振幅控制電極BA1-4，振幅補(bǔ)償電極CBA1-4，布拉格反射器B1-4和單模光波導(dǎo)W9組成，位相控制電極P1-P 6，振幅控制電極BA1-4，布拉格反射器B1-4，位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4沿光波導(dǎo)W9順序制作，且位相控制電極P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，使得調(diào)制前后的光波皆經(jīng)過(guò)位相控制電極P1-6，而位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后，拉格反射器B1-4沿光波導(dǎo)W9放置，使得它們分別依次處于反射狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相等量增加，且每個(gè)布拉格反射器B1-4上制作有相同數(shù)目和尺寸的振幅控制電極BA1-4，按照從長(zhǎng)到短排列，位相控制電極P1-6的長(zhǎng)度依次減半，位相補(bǔ)償電極CP1-6的數(shù)目與位相控制電極P1-6相同，且每個(gè)位相補(bǔ)償電極CP1-6的尺寸分別與P1-6相同，按照從長(zhǎng)到短排列，每個(gè)布拉格反射器上的振幅控制電極BA1-4的長(zhǎng)度依次減半，振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的數(shù)目與振幅控制電極BA1-4相同，且每個(gè)振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的尺寸分別與BA1-4相同。
所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA10由位相控制電極P7-16，振幅控制電極RA1-4，環(huán)形共振器RE1-4，輸入光波導(dǎo)W10和輸出光波導(dǎo)W11-12組成，環(huán)形共振器RE1-4沿輸入光波導(dǎo)W10放置，使得它們分別依次處于共振狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相等量增加，工作波長(zhǎng)相同的環(huán)形共振器RE1-2和RE3-4分別與同一輸出光波導(dǎo)W11和12相耦合，每個(gè)環(huán)形共振器RE1-4上有相同數(shù)目的振幅控制電極RA1-4，按照從長(zhǎng)到短排列，RA1-4的長(zhǎng)度依次減半。
本發(fā)明同時(shí)還提出了一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)，其特征在于它由輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16，模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由單模光波導(dǎo)W17-20構(gòu)成，W17-20的一端以星型耦合器或多模干涉器或多重X結(jié)或重疊方向耦合器的形式耦合連接在一起，W17-20的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)W17-20再耦合連接對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12，輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16直接耦合連接到模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC的前端，模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中光波導(dǎo)W17-20的數(shù)目等于輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16的數(shù)目，所有輸入/輸出光波導(dǎo)為單模光波導(dǎo)。
本說(shuō)明書(shū)中所用術(shù)語(yǔ)說(shuō)明(1)、有效位相平面光波或光波導(dǎo)中的導(dǎo)模，它們的光場(chǎng)分布是空間和時(shí)間的周期性函數(shù)，可以增或減2π的整數(shù)倍，即起作用的位相只是剩余的絕對(duì)值小于2π的部分，在本說(shuō)明書(shū)中我們稱其為有效位相。
本發(fā)明的基本原理是借助特定光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)把任意復(fù)雜的光波進(jìn)行模場(chǎng)分離，并引導(dǎo)到彼此隔離的光波導(dǎo)，然后在這些只存在基模的光波導(dǎo)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈幌嗪驼穹{(diào)整實(shí)現(xiàn)主動(dòng)光學(xué)位相共軛，而不需要借助任何非線性光學(xué)效應(yīng)，然后再經(jīng)過(guò)同一光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)合成出該光波，現(xiàn)證明如下。
考慮圖1所示的二維波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在垂直于紙面的Y方向無(wú)限延伸。它由兩段無(wú)源介質(zhì)組成，我們用I和II表示。在每一段里波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸和折射率分布沿傳播方向Z不發(fā)生任何改變。在每一段里沿正向Z傳播的任意光波都可通過(guò)該段的本征模的疊加來(lái)表示，E(x,z)=Σi=1i=Nfi·E0i(x)·exp(-jβiz)---(1)]]>其中fi是各個(gè)本征模的系數(shù)，E0i(x)是各個(gè)本征模的橫向模場(chǎng)分布，βi是各個(gè)本征模的傳播常數(shù)，而N是計(jì)算中所采用本征模的個(gè)數(shù)。
在第I段和第II段的界面(虛線處)，我們用列矢量F1來(lái)表示從第I段入射的光波的各個(gè)本征模的系數(shù)，同時(shí)用F2表示透射到第II段的光波的各個(gè)本征模的系數(shù)，則根據(jù)模式匹配法有
F2＝T12·F1(2)其中T12是光波從第I段入射到第II段時(shí)的透射矩陣。
如果我們把F2取共軛，并把它從第II段反射到第I段，則類似地可以寫(xiě)出反射回第I段的光波的各個(gè)本征模的系數(shù)，F(xiàn)′1=T21·F2‾---(3)]]>其中T21是光波從第II段入射到第I段時(shí)的透射矩陣。合并(2)和(3)有F′1=T21·T12·F1‾---(4)]]>下面讓我們重點(diǎn)考察F1中的第i個(gè)本征模，即令所有其他本征模的系數(shù)為零，F(xiàn)1＝
T，這里T表示轉(zhuǎn)置。代入(4)式，并利用關(guān)系式T12＝T21T適當(dāng)變換后可以得到F′1的第i個(gè)本征模系數(shù)為fi′=fi‾·Σm=1m=Ntm,i·tm,i‾---(5)]]>其中tm，i是T12的第m行第i列元素。根據(jù)能量守恒原則Σm=1m=Ntm,i·tm,i‾+Σm=1m=Nrm,i·rm,i‾=1,]]>這里 和 分別表示由上述第i個(gè)本征模入射后產(chǎn)生的總的透射和反射光波的能量。如果反射光波的能量非常小，可以忽略不計(jì)，則由(5)式有fi′≈fi‾---(6)]]>把上述分析用于所有其他本征模，應(yīng)用(6)式，可以得到被位相共軛反射回到第I段的光波為E′(x,z)≈Σi=1i=Nfi‾·E0i(x)·exp(jβiz)---(7)]]>在上述(1)和(7)中，歸一化的橫向模場(chǎng)分布E0i(x)＝c1·exp(-jkix)+c2·exp(jkix)，它是兩個(gè)相反方向傳播的光波的疊加。對(duì)導(dǎo)模它是一個(gè)駐波，E0i(x)的位相不隨X變化，這意味著兩個(gè)相向傳播的光波的振幅相等，|c1|＝|c2|，再加上Z向分量后，總的光波仍然僅沿Z向傳播，無(wú)橫向分量，即E0i(x)是一個(gè)實(shí)數(shù)。對(duì)輻射模它離開(kāi)光波導(dǎo)，具有一定的橫向分量，即E0i(x)是一個(gè)虛數(shù)。當(dāng)模的序號(hào)i較小時(shí)，E0i(x)的虛部也較小。隨著i的增加，E0i(x)的虛部逐步增加。另一方面對(duì)輻射模，由于exp(-jβiz)傳播因子的作用，其振幅隨傳播距離的增加而減小。因此如果入射光波只包含導(dǎo)模，比較(1)和(7)，可以發(fā)現(xiàn)E′(x，z)≈E(x，z)(8)(8)式說(shuō)明入射波以其共軛的形式被準(zhǔn)確地恢復(fù)。對(duì)由多段介質(zhì)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，只要在最后一段光波被位相共軛反射，則根據(jù)(8)式，入射波與反射波的位相共軛會(huì)一段一段往前傳遞，直到入射波以其共軛的形式在第一段被準(zhǔn)確地恢復(fù)，當(dāng)然前提是在整個(gè)過(guò)程中只存在導(dǎo)模，如果存在輻射模，它會(huì)在傳播過(guò)程中丟失，引起誤差。
以上理論分析證明了可以不依靠任何非線性光學(xué)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)人工位相共軛，或者說(shuō)主動(dòng)光學(xué)位相共軛，同時(shí)它也告訴我們實(shí)現(xiàn)主動(dòng)位相共軛的方法，其關(guān)鍵在于構(gòu)建一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)把目標(biāo)光波分離引導(dǎo)到一系列彼此隔離的光波導(dǎo)，并在這些彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生單一模式子光波，然后主動(dòng)產(chǎn)生與這些子光波相對(duì)應(yīng)的位相共軛光波，這些主動(dòng)產(chǎn)生的位相共軛光波逆向通過(guò)同一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就可以合成出預(yù)定的目標(biāo)光波。上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用一方面在于對(duì)目標(biāo)光波進(jìn)行模式分離，另一方面在于對(duì)位相共軛子光波進(jìn)行合成，因此我們稱之為模式分離/合成轉(zhuǎn)換器。
為了實(shí)現(xiàn)上述主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，可以用單模光波導(dǎo)陣列來(lái)組成模式分離/合成轉(zhuǎn)換器，該陣列中的所有光波導(dǎo)在一端融合為一個(gè)互相耦合的整體，然后逐步分開(kāi)，直到在另一端彼此之間的耦合可以忽略。采用單模光波導(dǎo)陣列是因?yàn)橹挥性趩文９獠▽?dǎo)中才能對(duì)唯一的導(dǎo)模進(jìn)行位相和振幅調(diào)整。在多模光波導(dǎo)中，存在多個(gè)模式，無(wú)法單獨(dú)對(duì)某一個(gè)模式進(jìn)行調(diào)整而不影響其他模式。因此如果涉及多模光波導(dǎo)，則它們必須工作在基模狀態(tài)。另外光波導(dǎo)陣列中光波導(dǎo)的數(shù)目應(yīng)該不少于入射光瞳處導(dǎo)模的數(shù)目，否則會(huì)導(dǎo)致一些頻率成分丟失，或者會(huì)激發(fā)輻射模，導(dǎo)致光波損耗。下面是一個(gè)激發(fā)輻射模的例子。假設(shè)在某一界面，左邊存在10個(gè)導(dǎo)模，而右邊僅存在9個(gè)導(dǎo)模。由于第10號(hào)導(dǎo)模有10個(gè)峰，而第9號(hào)導(dǎo)模只有9個(gè)峰，對(duì)第10號(hào)導(dǎo)模，兩邊僅僅依靠導(dǎo)模無(wú)法實(shí)現(xiàn)模式匹配，這樣必然會(huì)在右邊激發(fā)第10號(hào)模，或更高次的模，而這些模都已經(jīng)是輻射模，因此在傳播過(guò)程中它們都會(huì)損耗消失，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)位相共軛反射失效或產(chǎn)生很大誤差。
上述基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的裝置可以用于光學(xué)成像，但它不同于傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡成像系統(tǒng)，不能夠簡(jiǎn)單地用焦距來(lái)進(jìn)行描述，也沒(méi)有簡(jiǎn)單的成像公式，然而一旦它所采用的模式分離/合成轉(zhuǎn)換器的具體結(jié)構(gòu)確定下來(lái)，它的光學(xué)特性也就確定下來(lái)。從上面的理論分析還可發(fā)現(xiàn)主動(dòng)光學(xué)位相共軛是一種線性方法，因此如果我們預(yù)先標(biāo)定出三維空間每一個(gè)光點(diǎn)經(jīng)過(guò)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器后在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的子光波，那么我們可以把真實(shí)三維物體分解為一系列光點(diǎn)的線性集合，這些光點(diǎn)在彼此隔離的每個(gè)光波導(dǎo)中產(chǎn)生的子光波可以通過(guò)預(yù)先標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系確定，把這些光點(diǎn)在每個(gè)光波導(dǎo)中產(chǎn)生的子光波按照同樣的線性關(guān)系進(jìn)行疊加就可確定出該三維物體在每個(gè)光波導(dǎo)中產(chǎn)生的總光波。然后在彼此隔離的每個(gè)光波導(dǎo)中主動(dòng)產(chǎn)生與這些總光波相對(duì)應(yīng)的位相共軛光波，這些位相共軛光波逆向通過(guò)同一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)就可以合成出該三維物體的立體像。為了測(cè)定三維空間某一個(gè)光點(diǎn)經(jīng)過(guò)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器后在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的子光波的振幅和位相，我們可以把一個(gè)相干光源點(diǎn)放置在該點(diǎn)，然后測(cè)定它在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的光波的強(qiáng)度，進(jìn)一步引入一個(gè)相干參考光，利用光學(xué)相干原理，可以測(cè)定出它相對(duì)于參考光的位相。而參考光自身的位相可以通過(guò)它與一個(gè)均勻平面光相干涉產(chǎn)生的光場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。
另外當(dāng)傳輸媒質(zhì)變化不定時(shí)，例如大氣湍流，或目標(biāo)位置快速變化時(shí)，如快速飛行目標(biāo)，這時(shí)上述線性疊加方法受到限制，可以采用逐步優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)精確聚焦與成像，即逐步微調(diào)各個(gè)位相和振幅控制單元的調(diào)整量，并實(shí)時(shí)觀察目標(biāo)像的變化，一步一步地進(jìn)行優(yōu)化，直到在目標(biāo)位置獲得理想的像。
另外主動(dòng)位相共軛還可以采取傅立葉變換形式，因?yàn)槌藢?duì)單模光波導(dǎo)中的光波可以方便進(jìn)行主動(dòng)位相共軛反射以外，對(duì)平面波也可以方便地進(jìn)行主動(dòng)位相共軛反射。任意一個(gè)復(fù)雜的光場(chǎng)都可以分解為其傅立葉角譜，每個(gè)傅立葉角譜對(duì)應(yīng)一個(gè)一定方向的平面波，如果人工主動(dòng)產(chǎn)生一系列與入射光場(chǎng)的傅立葉角譜相對(duì)應(yīng)的具有一定振幅和位相的不同方向的平面波，再利用遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯和費(fèi)衍射或透鏡的傅立葉變換特性進(jìn)行傅立葉逆變換，就可以合成出所需要的入射光場(chǎng)。
通過(guò)頻域分析不難發(fā)現(xiàn)上述基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置的成像分辨率與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)一樣，可以表示為Δx=λ2nSinθ---(9)]]>其中λ為光波波長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率。與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不同的是θ不僅取決于入射孔徑角，還取決于光波導(dǎo)的最大接受角，取兩者中的最小值。
利用主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法除了可以構(gòu)建成像裝置，還可以構(gòu)建適用于密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)陣列。此時(shí)可以通過(guò)某種形式的耦合器，例如星型耦合器，多模干涉器，多重X結(jié)或重疊方向耦合器等構(gòu)造模式分離/合成轉(zhuǎn)換器，輸入/輸出光波導(dǎo)陣列直接耦合連接到該模式分離/合成轉(zhuǎn)換器。因?yàn)橹挥杏邢迶?shù)目的輸入/輸出光波導(dǎo)，這種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)陣列相當(dāng)于一種只有幾個(gè)空間成像光點(diǎn)的特殊形式的成像裝置，其工作原理不變，但工作步驟應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。從某一根輸入光波導(dǎo)輸入的光波會(huì)在模式分離/合成轉(zhuǎn)換器的每根單模光波導(dǎo)中產(chǎn)生一定振幅和位相的子光波，如果把所有這些子光波按照位相共軛關(guān)系反射回去，則它們又會(huì)回到同一根輸入光波導(dǎo)。如果把所有這些光波先進(jìn)行一定位相和振幅調(diào)整，使得它們恰好正比于從另一根輸入光波導(dǎo)輸入的光波所產(chǎn)生的子光波的位相共軛，把這些子光波反射回去它們就不會(huì)回到原來(lái)的輸入光波導(dǎo)，而是回到另一根光波導(dǎo)，由此可以實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)。
為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)位相共軛，需要大量位相和振幅控制單元，一種方式是采用分立元件制作，一種方式是采用集成技術(shù)制作。在分立元件方式，可以把單模光纖纏繞或粘接在壓電陶瓷上，或把壓電材料或磁致伸縮材料直接涂覆在光纖四周，通過(guò)壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)改變光纖的長(zhǎng)度，或通過(guò)機(jī)械拉伸裝置改變光纖的長(zhǎng)度，或通過(guò)可移動(dòng)反射鏡、棱鏡改變反射光路達(dá)到改變位相的目的。同時(shí)可以通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)式光開(kāi)關(guān)或功率放大器或衰減器來(lái)調(diào)節(jié)振幅。集成技術(shù)中又可以采用PIC、MEMS、液晶顯示器、相干線陣激光器和面陣垂直發(fā)射激光器等。在PIC中，可以把分光器和大量單模光波導(dǎo)，以及位相和振幅控制單元集成到一塊芯片上，通過(guò)電光、熱光或等離子色散效應(yīng)改變光波導(dǎo)的折射率，從而達(dá)到改變位相的目的。同時(shí)可以通過(guò)半導(dǎo)體光放大器或光吸收，或通過(guò)M-Z干涉器，或布拉格反射器，或方向耦合器或環(huán)形共振器的光譜特性的變化進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)。目前采用聚合物材料制作的調(diào)制器的調(diào)制速度已經(jīng)達(dá)到一百多GHz，這說(shuō)明位相和振幅調(diào)整速度可以達(dá)到納秒量級(jí)，甚至皮秒量級(jí)。在MEMS中可以通過(guò)微反射鏡，反射/透射式F-P干涉器來(lái)實(shí)現(xiàn)位相和振幅控制，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大型二維面陣，驅(qū)動(dòng)功率低，但經(jīng)常涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)，速度受到一定限制。利用液晶分子的各向異性和液晶顯示器的像素尋址能力也可實(shí)現(xiàn)位相和振幅控制。另外相干線陣激光器和面陣垂直發(fā)射激光器中也可以通過(guò)給每個(gè)激光器加上位相和振幅控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)位相和振幅調(diào)節(jié)。
比較上述各種位相和振幅控制方法，采用分立元件方式的好處是可以手工裝配制作，對(duì)制造設(shè)備要求低，但效率低，振幅和位相調(diào)整速度低。采用集成技術(shù)的好處是可以把成千上萬(wàn)的位相和振幅控制單元集成在一塊芯片上，效率高，成本低，適合批量大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)還可以把控制電路也集成制作在同一塊芯片上，大大簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)采用集成技術(shù)制作位相和振控制單元陣列時(shí)，由于數(shù)目巨大，需要綜合考慮多種因數(shù)，例如驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)潔性、精確性，單個(gè)控制單元的尺寸和功耗等，只有各方面都達(dá)到要求，才能保證系統(tǒng)整體性能。在簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路和提高控制精度方面，以MEMS集成技術(shù)為例，本發(fā)明提出了一種數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式，它采用兩個(gè)微反射鏡構(gòu)成一個(gè)F-P干涉器，通過(guò)兩個(gè)微反射鏡之間的間隔調(diào)整反射光波的振幅，通過(guò)F-P干涉器的高度調(diào)整反射光波的位相。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化高精度控制，基于靜電力的控制電極被分解成多個(gè)面積依次減小的子電極，并使得施加同一電壓時(shí)，每個(gè)子電極產(chǎn)生的微反射鏡的高度變化依次減半，這樣通過(guò)面積非線性變化電極解決了非線性靜電力的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。如果采用十個(gè)子電極，可以實(shí)現(xiàn)約千分之一的控制精度。在降低功耗方面，以光集成技術(shù)為例，本發(fā)明提出了一種粗調(diào)和細(xì)調(diào)相結(jié)合的兩級(jí)調(diào)整方式。采用硅片制作熱光位相調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)π位相調(diào)制的功耗在0.5瓦左右，如果采用聚合物制作，則功耗可以降低一百倍。采用硅片制作的好處是與傳統(tǒng)集成電路工藝完全兼容，但0.5瓦的功耗會(huì)嚴(yán)重制約集成規(guī)模。本發(fā)明提出的粗調(diào)和細(xì)調(diào)相結(jié)合的調(diào)整方式的工作原理是在單模光波導(dǎo)上集成多個(gè)放置在不同位置的窄帶布拉格反射器或環(huán)型共振器進(jìn)行位相粗調(diào)，承擔(dān)絕大部分位相調(diào)整量，然后通過(guò)位相控制電極利用電光、熱光或等離子色散效應(yīng)改變光波導(dǎo)的折射率，實(shí)現(xiàn)位相細(xì)調(diào)。布拉格反射器或環(huán)型共振器平常處于直通狀態(tài)，可以把它的反射或共振帶寬設(shè)計(jì)得非常窄，使得其所在光波導(dǎo)的折射率變化10-4時(shí)，就從直通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到反射或共振狀態(tài)，這樣功耗非常小。為了對(duì)位相和振幅進(jìn)行精確控制，需要采用精確的模擬控制信號(hào)，而制作大量高速D/A轉(zhuǎn)換器是非常困難的。為了便于數(shù)字控制，同樣可以把位相控制電極和布拉格反射器上的控制電極制作成許多小段，每段長(zhǎng)度依次減少一半。
以上介紹了主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置和光開(kāi)關(guān)，以及相關(guān)的各種位相和振幅方法與裝置。其中基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置可以廣泛用于三維立體顯示、三維立體攝像、體信息存儲(chǔ)、虛擬三維人機(jī)交換、激光武器、激光核聚變等各個(gè)方面，下面就這些應(yīng)用做進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。
基于主動(dòng)位相共軛方法的三維立體顯示目前的立體顯示技術(shù)基本上都是偽立體顯示，它們采用各種各樣的方法把兩幅圖像分別送到左、右眼睛，再通過(guò)大腦合成出三維圖像。本發(fā)明提出的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置直接把立體像成在三維空間，從立體像任一點(diǎn)發(fā)出的光，等效于把物體放置在該點(diǎn)所發(fā)出的光，不同之處僅在于，真實(shí)物體發(fā)出的光屬于漫散射光，即從很大角度都能看到該物體，但由立體像的每一點(diǎn)發(fā)出的光只存在于一個(gè)較小的錐角內(nèi)，觀察者只有直接面對(duì)該立體像時(shí)才能看到它。為了克服觀察視角小的問(wèn)題，可以把基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置放置在觀察者眼睛附近，并把立體虛像成在觀察者前方遠(yuǎn)處，觀察者觀看此立體像就象透過(guò)一個(gè)小窗戶看真實(shí)物體?；蛘邽榱耸沟枚鄠€(gè)觀察者能同時(shí)觀察，可以采用分散放置的多個(gè)反射鏡，或者直接采用多個(gè)分散放置的同步工作的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，使得立體像來(lái)自上下左右各個(gè)方向，并相互吻合重疊。采用多個(gè)反射鏡的好處是成本低，但由于需要分時(shí)或分束，立體像的刷新率或亮度會(huì)成倍降低。在進(jìn)行三維立體顯示時(shí)還需通過(guò)軟件進(jìn)行消隱控制，避免同時(shí)顯示物體的前后表面，否則實(shí)心物體會(huì)變成空心物體。另外可以把立體像投射到充滿散射微粒的透明立方箱中，例如可以把納米顆粒封閉在一個(gè)透明立方箱內(nèi)，并不停地吹動(dòng)使納米顆粒彌散分布在三維空間，通過(guò)納米顆粒的散射增加觀察角，但這種方式的缺點(diǎn)是容易使實(shí)心物體變成空心物體，而且可能存在明顯的投影光束拖尾現(xiàn)象。上述基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置在成像時(shí)可以采用逐點(diǎn)掃描的方式，也可采用一次同時(shí)顯示多個(gè)像點(diǎn)或一幀圖像的方式，前者對(duì)掃描速度高極高，后者的掃描速度只要達(dá)到每秒幾十幀即可。
上述基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置還可用于集成電路光刻。隨著集成電路的發(fā)展，集成電路的線寬越來(lái)越小，對(duì)光刻透鏡的要求也越來(lái)高。利用基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置的接近衍射極限的成像能力，可以直接把圖案成像在基片上進(jìn)行曝光，不需要任何掩模板。在納米精度集成電路曝光中，一方面要求衍射極限分辨率，一方面要求大視場(chǎng)，這樣模式分離/合成轉(zhuǎn)換器中光波導(dǎo)的數(shù)目將極其巨大，使得其制作非常困難，為此可以采用級(jí)連方式的模式分離/合成轉(zhuǎn)換器，這樣在每一級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器中光波導(dǎo)的數(shù)目大大降低，方便制作。
基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的三維立體攝像把基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置再配上一個(gè)普通攝像機(jī)，和一個(gè)幀同步裝置就可以組合成一個(gè)立體攝像機(jī)。所用普通攝像機(jī)鏡頭前裝上窄帶濾光鏡只讓基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置發(fā)出的特定波長(zhǎng)的光通過(guò)，這樣可以避免環(huán)境光的影響，同時(shí)基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置與普通攝像機(jī)通過(guò)幀同步信號(hào)進(jìn)行同步工作。在普通攝像機(jī)每幀曝光時(shí)間內(nèi)，基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置通過(guò)隔點(diǎn)掃描方式，或以二維光點(diǎn)陣列或網(wǎng)格投影方式，照亮一系列平行平面或曲面中的某一個(gè)平面或曲面，普通攝像機(jī)同時(shí)也調(diào)焦對(duì)準(zhǔn)該平面或曲面。當(dāng)照明光斑恰好落在物體表面時(shí)，用普通攝像機(jī)拍攝到的該點(diǎn)的像斑才最亮最小，或者說(shuō)像斑的光強(qiáng)面密度達(dá)到極大值，根據(jù)同步信號(hào)可以推知此時(shí)物體表面的三維坐標(biāo)，這樣結(jié)合普通攝像機(jī)拍攝到的亮度信號(hào)，就同時(shí)記錄下了物體表面的三維坐標(biāo)信息和亮度信息，實(shí)現(xiàn)三維拍攝。在用基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置對(duì)三維空間進(jìn)行掃描時(shí)，掃描點(diǎn)越致密，成像質(zhì)量越好，但對(duì)掃描速度要求越高。如果在沒(méi)有物體的地方大幅度降低掃描密度則可以大大提高拍攝效率，降低對(duì)掃描速度的要求。
上述三維拍攝方法既可以用于遠(yuǎn)場(chǎng)大景物拍攝，也可以用于顯微三維拍攝。在進(jìn)行顯微三維拍攝時(shí)，為了減小來(lái)自離焦物面的光信號(hào)的干擾，同時(shí)減小由于離焦造成像斑光強(qiáng)面密度的降低，普通攝像機(jī)應(yīng)該裝配在一臺(tái)普通顯微鏡上，當(dāng)立體顯示裝置照明某一平面時(shí)，應(yīng)該讓普通顯微鏡同時(shí)調(diào)焦對(duì)準(zhǔn)該平面。如果增加照明光強(qiáng)，上述三維顯微拍攝裝置可以制作成光鉗，即通過(guò)聚焦強(qiáng)光束捕捉和移動(dòng)微小物體。與采用普通顯微鏡的光鉗相比，上述立體顯示裝置具有快得多的掃描速度或多點(diǎn)同時(shí)聚焦功能，這樣它可以同時(shí)對(duì)大量數(shù)目的微粒進(jìn)行操縱，進(jìn)行納米顆粒的人工排列，甚至控制納米顆粒的產(chǎn)生過(guò)程和產(chǎn)生位置。
基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的體信息存儲(chǔ)普通光盤通過(guò)二維表面存儲(chǔ)信息，存儲(chǔ)容量約為1/λ2，如果采用體信息存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量約為1/λ3，相當(dāng)于成千上萬(wàn)張光盤緊密地疊放在一起，存儲(chǔ)容量可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前的體存儲(chǔ)技術(shù)一般采用全息方式進(jìn)行讀寫(xiě)，由于一次讀寫(xiě)一個(gè)頁(yè)面，讀寫(xiě)速度很快，但讀寫(xiě)裝置很復(fù)雜，需要快速組頁(yè)器，快速CCD等裝置。利用主動(dòng)位相共軛成像的單光點(diǎn)快速掃描或多光點(diǎn)同時(shí)掃描能力可以進(jìn)行體信息存儲(chǔ)，并通過(guò)快速讀出多個(gè)軌道的編碼信息來(lái)精確尋軌。這種逐點(diǎn)進(jìn)行信息讀寫(xiě)的原理與普通光盤一致，因此采用上述讀寫(xiě)裝置同樣可以對(duì)普通光盤進(jìn)行信息讀寫(xiě)。另外如果采用光折變材料作為體信息記錄材料，需要采用相襯顯微技術(shù)來(lái)檢測(cè)材料的折射率變化。當(dāng)然利用基于主動(dòng)位相共軛的成像裝置的快速光束掃描偏折能力也可進(jìn)行全息方式的體信息存儲(chǔ)讀寫(xiě)。
虛擬三維人機(jī)交換方法如果利用上述基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的立體顯示和攝像裝置，把計(jì)算機(jī)軟件界面投影成三維形式，即把所有控制按鈕以立體結(jié)構(gòu)繪制顯示在三維空間，同時(shí)通過(guò)工作在紅外波段的立體攝影監(jiān)測(cè)操作員手指的運(yùn)動(dòng)，就可以探測(cè)操作員按動(dòng)了哪個(gè)控制按鈕，實(shí)現(xiàn)虛擬三維人機(jī)交換，而不需要鼠標(biāo)和鍵盤。甚至可以直接拍攝操作員手寫(xiě)文字和手繪圖案的過(guò)程，并把文字和圖案輸入計(jì)算機(jī)，使人機(jī)交換更加自然方便。另外也可以利用上述立體顯示和攝像裝置，自動(dòng)監(jiān)測(cè)桌面、紙張、衣服等的位置，并把它們做為顯示屏，把文字和彩色圖案投影到這些三維曲面上，這意味著可以把任何有一定面積大小和反射率的表面做為顯示屏，徹底擺脫了傳統(tǒng)的笨重的顯示器，使計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)更加小型化，更便于攜帶。
在需要超遠(yuǎn)距離和超高能量精密聚焦時(shí)，例如在激光武器和核聚變應(yīng)用中，可以采用傅立葉變換形式的主動(dòng)光學(xué)共軛方法，即把大量基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置排成二維陣列，形成幾十米甚至幾十公里的大口徑，每個(gè)基于主動(dòng)位相共軛的成像裝置產(chǎn)生一個(gè)一定振幅和位相的平行光，再利用遠(yuǎn)場(chǎng)夫瑯和費(fèi)衍射進(jìn)行傅立葉逆變換，在遠(yuǎn)處合成出一個(gè)高質(zhì)量聚焦光點(diǎn)。另外為了產(chǎn)生高功率，基于主動(dòng)位相共軛的成像裝置中的光波導(dǎo)可以采用光增益介質(zhì)制作，或者在基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置前放置一塊激光介質(zhì)進(jìn)行光功率放大，或再增加一塊反射鏡，直接構(gòu)成激光諧振腔。為了減少損耗和干擾信號(hào)，基于主動(dòng)位相共軛的成像裝置的各個(gè)光學(xué)端面，如入射、出射光瞳、光纖端面等應(yīng)該鍍制增透膜。另外還可增加一塊倍頻晶體。為了保證各個(gè)基于主動(dòng)位相共軛成像裝置之間的相干性，可以把從一個(gè)種子激光器發(fā)出的窄帶激光，通過(guò)光集成芯片或分束器分成成千上萬(wàn)個(gè)相干子光源，每個(gè)子光源具有獨(dú)立的位相和振幅控制單元，再通過(guò)單模光纖傳送給各個(gè)基于主動(dòng)位相共軛方法的成像裝置進(jìn)行功率放大。在上述過(guò)程中應(yīng)該控制傳輸單模光纖的長(zhǎng)度，使得從各個(gè)主動(dòng)光學(xué)共軛成像裝置發(fā)出的光波到達(dá)目標(biāo)靶時(shí)的光程差小于相干長(zhǎng)度，同時(shí)在放大過(guò)程中只激發(fā)基模。所有基于主動(dòng)位相共軛的成像裝置可均勻固定在同一個(gè)平面上或同心環(huán)上或三維球面上，并通過(guò)各自的光學(xué)系統(tǒng)聚焦到目標(biāo)靶上。這里光學(xué)系統(tǒng)只起導(dǎo)向和初步聚焦的作用，精確聚焦通過(guò)精確位相和振幅調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終可以實(shí)現(xiàn)衍射極限聚焦光斑。對(duì)大量基于主動(dòng)位相共軛方法的成像裝置進(jìn)行調(diào)整工作量非常大，但由于可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成，因此仍然非常省時(shí)省力。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明所涉及的主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法和裝置，無(wú)需借助任何非線性光學(xué)效應(yīng)，使得光學(xué)位相共軛的優(yōu)點(diǎn)得到更充分利用和發(fā)揮，與現(xiàn)有技術(shù)相比，它具有如下四大主要優(yōu)點(diǎn)。第一超快速變焦能力和三維空間多點(diǎn)同時(shí)成像能力，變焦速度可以達(dá)到納秒量級(jí)甚至更高，這使得它們可以廣泛應(yīng)用于三維動(dòng)態(tài)成像，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光路的自動(dòng)精確調(diào)節(jié)，大大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；第二，超高分辨率，不依靠精密光學(xué)透鏡，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光波波前的人工構(gòu)造，甚至可以消除不均勻傳輸介質(zhì)的影響，達(dá)到衍射極限分辨率；第三，可擴(kuò)充性，可以通過(guò)擴(kuò)充基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置的數(shù)目或提高單個(gè)基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置的輸出光功率，來(lái)擴(kuò)大視角，或提高聚焦光斑的光功率；第四，可以采用大規(guī)模集成電路技術(shù)批量制造，無(wú)需精密光學(xué)加工。


圖1為二段光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2分別給出了三種不同結(jié)構(gòu)和形式的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置的實(shí)施例示意圖。其中圖2a給出了一個(gè)采用MEMS芯片進(jìn)行振幅和位相調(diào)節(jié)的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置；圖2b給出了采用液晶顯示器進(jìn)行振幅和位相調(diào)節(jié)的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置；圖2c給出了采用光集成芯片制作的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的一維成像裝置。
圖3給出了一個(gè)由初級(jí)和次級(jí)串接組成級(jí)連式模式分離/合成轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例示意圖。
圖4給出了采用MEMS芯片制作的位相和振幅調(diào)節(jié)單元的實(shí)施例示意圖。
圖5給出了采用光集成芯片制作的利用多個(gè)布拉格反射器進(jìn)行位相粗調(diào)的低功耗數(shù)字式位相和振幅調(diào)節(jié)單元的實(shí)施例示意圖。
圖6給出了采用光集成芯片制作的利用多個(gè)環(huán)形共振器進(jìn)行位相粗調(diào)的低功耗數(shù)字式位相和振幅調(diào)節(jié)單元的實(shí)施例示意圖。
圖7給出了分別采用三種不同結(jié)構(gòu)形式的耦合器構(gòu)成基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)的實(shí)施例示意圖。其中在圖7a中采用星型耦合器；在圖7b中采用多重X結(jié)耦合器；而在圖7c中采用多重方向耦合器。
具體實(shí)施例方式
圖2a給出了一個(gè)基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，從圖2a可以看出，它由模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由光波導(dǎo)陣列W1-7構(gòu)成，光波導(dǎo)W1-7在左端橫截面尺寸較小，為單模光波導(dǎo)，且靠攏融合為一個(gè)整體，并拋光鍍制增透膜以避免反射光形成干擾背景噪音。由于光波導(dǎo)W1-7融合為一個(gè)整體，它們之間的光場(chǎng)互相耦合，在最右端光波導(dǎo)W1-7分開(kāi)放置，這樣它們之間的光場(chǎng)互相隔離，同樣光波導(dǎo)W1-7的右端面也拋光鍍制增透膜，每個(gè)光波導(dǎo)W1-7在最右端分別耦合連接一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7，PA1-7制作在MEMS芯片ME1上，用于調(diào)節(jié)每根光波導(dǎo)W1-7中的光波的位相和振幅實(shí)現(xiàn)光學(xué)位相共軛。從左往右，光波導(dǎo)W1-7逐步分開(kāi)，為了避免激發(fā)高階模，它們橫截面尺寸逐步緩慢增大，使得光波導(dǎo)W1-7中只產(chǎn)生基模。圖2a中光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元陣列由微型F-P干涉器組成，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)微型F-P干涉器的反射率可以調(diào)節(jié)反射回到每根光波導(dǎo)W1-7的光波的振幅，通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)微型F-P干涉器的的高度可以調(diào)節(jié)回到每根光波導(dǎo)W1-7的光波的位相。照明相干光λ1通過(guò)分束器BS1從左端耦合進(jìn)入模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC。分束器BS1由一系列周期排列的薄光學(xué)玻璃平片粘合組成，每個(gè)周期包含兩種折射率略有差異的玻璃平片，然后傾斜于薄光學(xué)玻璃平片的粘合界面進(jìn)行切割和光學(xué)拋光，其特點(diǎn)是用多次反射代替一次反射，與半透半反鏡相比，對(duì)照明相干光λ1利用率大大提高，且厚度大大減小，便于進(jìn)行顯微分析和光刻曝光，使得樣品或待曝光基片充分接近入射光瞳，提高分辨率。另外圖2a中相干點(diǎn)光源PS1，半透半反鏡BS2和光學(xué)透鏡LEN1用于測(cè)量光波導(dǎo)W1-7中光波的強(qiáng)度和位相，平時(shí)不用時(shí)可以移走。
下面結(jié)合圖2a給出的裝置介紹主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法的步驟。其中主動(dòng)光學(xué)位相共軛發(fā)射包括如下A-D四個(gè)步驟A、相干照明光波λ1通過(guò)分束器BS1輸入具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC，在彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端產(chǎn)生只存在基模的光場(chǎng)；B、把假想目標(biāo)VS1分解為三維空間光點(diǎn)的線性集合，并按照同一線性集合關(guān)系把每個(gè)三維空間光點(diǎn)經(jīng)過(guò)A步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC后在彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端產(chǎn)生的基模光場(chǎng)進(jìn)行疊加，在每根光波導(dǎo)W1-7中獲得一個(gè)總光場(chǎng)；C、對(duì)A步驟中獲得的彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端的基模光場(chǎng)進(jìn)行位相和振幅調(diào)整，使得它們正比于B步驟中獲得的同一光波導(dǎo)W1-7的最右端的總光場(chǎng)的光學(xué)位相共軛；D、對(duì)C步驟中獲得的彼此獨(dú)立的光波導(dǎo)W1-7的最右端的光場(chǎng)一一進(jìn)行反射，使得它們逆向通過(guò)A和B步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC；通過(guò)上述步驟A-D可以主動(dòng)合成并發(fā)射出假想目標(biāo)VS1的光學(xué)位相共軛像。
而主動(dòng)光學(xué)位相共軛反射包括如下E-K七個(gè)步驟E、僅讓參考相干光λ1通過(guò)分束器BS1從左端輸入具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC，然后通過(guò)一個(gè)半透半反鏡BS2和光學(xué)透鏡LEN1，其中半透半反鏡BS2位于光學(xué)透鏡LEN1的焦距內(nèi)且與光學(xué)透鏡LEN1的光軸成45度角，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC的光軸與光學(xué)透鏡LEN1的光軸平行，在LEN1的像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度，記為PAi，i＝1-7；F、在垂直于光軸的光學(xué)透鏡LEN1的物方焦面上引入一個(gè)相干點(diǎn)光源PS1，利用半透半反鏡BS2，在光學(xué)透鏡LEN1的像方產(chǎn)生與光軸平行的均勻平面光，在LEN1的像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端輸出的光場(chǎng)與均勻平面光發(fā)生干涉后的光場(chǎng)的強(qiáng)度，記為PBi，i＝1-7；同時(shí)測(cè)量記錄均勻平面光自身的強(qiáng)度，記為C0；G、根據(jù)光學(xué)相干原理，PBi＝C0*PAi*Sin2(Φ0i)，其中Φ0i就是參考相干光λ1經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC后，在彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7中產(chǎn)生的光波的位相，然后移走相干點(diǎn)光源PS1，半透半反鏡BS2和光學(xué)透鏡LEN1；H、僅讓參考相干光λ1通過(guò)分束器BS1從左端輸入具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC，直接測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度，記為P1i，i＝1-7；I、保持參考相干光λ1，同時(shí)讓三維物體發(fā)出的相干光波經(jīng)過(guò)E步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC，再次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度，記為P2i，i＝1-7；J、遮斷參考相干光，僅保留三維物體發(fā)出的相干光波，第三次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度，記為P3i，i＝1-7；K、根據(jù)光學(xué)相干原理，利用步驟H、I、J三次測(cè)量結(jié)果有，P2i＝P1i*P3i*Sin2(Φi)，i＝1-7；其中 和Φi+Φ0i就是三維物體經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC后，在彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端產(chǎn)生的光波的振幅和位相，根據(jù)Φi+Φ0i對(duì)這些光波的位相進(jìn)行調(diào)整，使得它們等于其自身的光學(xué)位相共軛，并使其反向通過(guò)同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MSC。
在進(jìn)行上述步驟E-J時(shí)，應(yīng)該移走光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC。在進(jìn)行步驟K時(shí)，應(yīng)該還原光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)PAC。通過(guò)上述步驟E-K可以對(duì)三維物體發(fā)出的相干光波進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)位相共軛反射，反復(fù)重復(fù)步驟I-K可以實(shí)時(shí)跟蹤三維物體或傳輸媒質(zhì)的變化。為了保證三維物體發(fā)出的光波與參考相干光λ1的相干性，可以對(duì)參考相干光λ1分束后照明三維物體。另外為了保證參考相干光λ1與相干點(diǎn)光源PS1的相干性，相干點(diǎn)光源PS1也應(yīng)該由參考相干光λ1分束后產(chǎn)生。如果在上述步驟中同時(shí)進(jìn)行光功率放大，可以獲得增強(qiáng)的三維空間物體的立體像。
進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)位相共軛發(fā)射時(shí)需要預(yù)先標(biāo)定位于任意三維空間點(diǎn)的單位強(qiáng)度的光點(diǎn)經(jīng)過(guò)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC后，在彼此隔離的光波導(dǎo)W1-7的最右端產(chǎn)生的光場(chǎng)?？梢园岩粋€(gè)相干點(diǎn)光源放置在待測(cè)定三維空間點(diǎn)，然后按照步驟E-K進(jìn)行測(cè)量。
與圖2a相比，圖2b給出的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置只是采用了不同的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC，同時(shí)照明相干光λ1經(jīng)過(guò)半透半反鏡BS3從光波導(dǎo)W1-7左端輸入模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC。圖2b中光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC由微透鏡陣列LER1，液晶顯示器CR1-2和平面反射鏡M1組成。其中微透鏡陣列LER1用于把從光波導(dǎo)W1-7右端出射的光變換成平行光，液晶顯示器CR1用于調(diào)整位相，液晶顯示器CR2用于調(diào)整振幅。CR1為扭曲向列相型場(chǎng)效應(yīng)液晶顯示器(TN-FE)，由于各向異性液晶分子沿平行長(zhǎng)軸方向和垂直長(zhǎng)軸方向折射率相差較大，當(dāng)不加電壓時(shí)，各向異性液晶分子長(zhǎng)軸平行于液晶顯示器兩端的透明電極，當(dāng)施加電壓時(shí)，各向異性液晶分子長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外電場(chǎng)平行，即與透明電極垂直，這樣施加電壓與不施加電壓時(shí)相比，沿平行光束前進(jìn)方向液晶的折射率變化較大，可以達(dá)到0.2左右，從而可以調(diào)節(jié)平行光束的位相。CR2為賓主型液晶顯示器，其中摻雜有吸收型染料分子(圖中用實(shí)心短棒)，由于染料分子沿長(zhǎng)軸方向和垂直長(zhǎng)軸方向吸收率相差較大，當(dāng)不加電壓時(shí)，染料分子和液晶分子長(zhǎng)軸平行于兩端的透明電極，吸收率較小，當(dāng)施加電壓時(shí)，染料分子和液晶分子長(zhǎng)軸垂直于兩端的透明電極，吸收率較大，從而可以調(diào)節(jié)平行光束的振幅。位相和振幅調(diào)節(jié)量取決于上述兩個(gè)液晶顯示器每個(gè)像素所加電壓大小。反射鏡M1把光波反射回光波導(dǎo)W1-7，并且由于反射光波再次經(jīng)過(guò)CR1和CR2，位相和振幅調(diào)節(jié)量會(huì)增加一倍，進(jìn)一步提高了調(diào)節(jié)效率。
與圖2a相比，圖2c給出的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置有三點(diǎn)不同，第一，整個(gè)裝置制作在光集成芯片PIC1上，單塊光集成芯片PIC1組成一個(gè)一維成像裝置；第二，相干照明光λ1經(jīng)過(guò)多模干涉器C1均分為8束后，從W1-8右端耦合進(jìn)入模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC；第三，采用了不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC。圖2c中每根光波導(dǎo)W1-8右端有一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元，它們由位相控制電極P1和振幅控制電極A1組成。其中A1通過(guò)控制其下方的半導(dǎo)體光放大器的放大倍率，實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)節(jié)，P1通過(guò)控制其下方的單模光波導(dǎo)的折射率實(shí)現(xiàn)位相調(diào)節(jié)。另外在左端所有光波導(dǎo)W1-8融合成一個(gè)整體，寬度為D，它正好具有8個(gè)導(dǎo)模，與光波導(dǎo)的數(shù)目相等，這樣在整個(gè)過(guò)程中不會(huì)激發(fā)輻射模。
對(duì)于圖2a、圖2b和圖2c給出的各種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，還可以附加各種光學(xué)透鏡和反射鏡進(jìn)行三維立體像的縮放和偏折，對(duì)一維成像裝置可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)棱鏡或旋轉(zhuǎn)反射鏡實(shí)現(xiàn)三維掃描。
為了作圖方面，圖2a、圖2b和圖2c中只畫(huà)出了8根光波導(dǎo)W1-8，實(shí)際上模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC可以由成千上萬(wàn)根光波導(dǎo)組成，光波導(dǎo)的數(shù)目越多，視場(chǎng)越大。在下面一些圖中，為了方便也做了同樣或類似的簡(jiǎn)化處理，下面不再一一說(shuō)明。
圖3給出了一個(gè)級(jí)連式模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC，它由初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1和次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2串接組成。其中初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1由多模光波導(dǎo)WF1-5組成，光波導(dǎo)WF1-5的左端靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WF1-5的右端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)WF1-5在互相隔離的右端耦合連接一個(gè)次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2。次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2由光波導(dǎo)WS1-3組成，光波導(dǎo)WS1-3在橫截面尺寸小的左端為單模光波導(dǎo)，且靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WS1-3的右端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，控制光波導(dǎo)WS1-3的橫截面尺寸、長(zhǎng)度使其緩慢逐步增加，從而使得光波導(dǎo)WS1-3在互相隔離的右端只產(chǎn)生基模。光波導(dǎo)WS1-3的數(shù)目等于每根光波導(dǎo)WF1-5中導(dǎo)模的數(shù)目，WF1-5的橫截面尺寸固定不變，其導(dǎo)模的數(shù)目自然也保持不變，這樣WF1-5與WS1-3可以很好地互相耦合而不至于激發(fā)輻射模。采用級(jí)連方式的模式分離/合成轉(zhuǎn)換器主要是為了在實(shí)現(xiàn)衍射分辨率的同時(shí)，保證足夠大的視場(chǎng)，同時(shí)制作相對(duì)簡(jiǎn)單，可以用于納米精度大尺寸集成電路曝光。
圖4給出了一個(gè)采用MEMS技術(shù)制作的位相和振幅調(diào)節(jié)單元PA8，它由兩個(gè)微反射鏡M2-3，彈性支柱SP1-2，電極EI1-5和電極EO1-4組成；兩個(gè)微反射鏡M2-3分別由彈性材料SP1-2支撐制作在基片ME2上，微反射鏡M2-3互相平行構(gòu)成一個(gè)F-P干涉器；電極EI1-5制作在基片ME2上，并與M2相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，通過(guò)靜電作用力控制M2的高度。電極EO1-4制作在基片ME2上，并與M3相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，通過(guò)靜電作用力控制M3的高度。通過(guò)M3的高度可以調(diào)整反射光波的位相，通過(guò)M2-3的間隔，即M2和M3的高度差可以改變F-P干涉器的反射率，從而調(diào)整反射光波的振幅。為了精確控制M2的高度，電極EI1-5被分成五個(gè)面積不等的環(huán)形電極，它們的面積依次減小，并使得分別施加同一電壓時(shí)，每個(gè)電極引起的M2的高度變化依次減半。同樣為了精確控制M3的高度，與它相對(duì)的電極被分割成四個(gè)象限，每個(gè)象限又被分割成四個(gè)面積不等的扇形電極EO1-4，面積相同但分布在不同象限的電極EO1-4串接在一起。EO1-4的面積依次減小，并使得分別施加同一電壓時(shí)，每個(gè)電極引起的M3的的高度變化依次減半。采用面積不等的多個(gè)電極的好處是不需要精密高速A/D轉(zhuǎn)換器就能精確控制反射鏡M2-3的高度，大大簡(jiǎn)化外部驅(qū)動(dòng)電路。電極分割的數(shù)目越多，控制精度越高，采用十個(gè)子電極可以實(shí)現(xiàn)千分之一的控制精度。另外微反射鏡M2也可通過(guò)彈性材料直接支撐制作在微反射鏡M3上。如果在微反射鏡M3的兩側(cè)分別采用電光或壓電材料進(jìn)行振幅和位相調(diào)節(jié)，由于不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可以大幅度提高調(diào)節(jié)速度。
圖5給出了一個(gè)制作在光集成芯片上的位相和振幅調(diào)節(jié)單元PA9，它由位相控制電極P1-6，布拉格反射器B1-4，位相補(bǔ)償電極CP1-6，振幅補(bǔ)償電極CBA1-4，和單模光波導(dǎo)W9組成；位相控制電極P1-6，布拉格反射器B1-4，位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4沿光波導(dǎo)W9順序制作，相干光λ1和λ2從光波導(dǎo)W9左端輸入，位相控制電極P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，即左側(cè)，使得調(diào)制前后的光波λ1兩次經(jīng)過(guò)位相控制電極P1-6，而位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后。每個(gè)布拉格反射器B1-4上制作有相同數(shù)目和尺寸的振幅控制電極BA1-4，拉格反射器B1-4按照一定間隔沿光波導(dǎo)W9放置，使得它們分別依次處于反射狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相以π/5的步距等量增加，用于進(jìn)行位相粗調(diào)。為了進(jìn)行精細(xì)位相控制，位相控制電極P1-6的長(zhǎng)度依次減半，因此在同樣電壓下每個(gè)電極P1-6所能產(chǎn)生的有效位相調(diào)節(jié)量也依次減半，依次為π/10，π/20，π/40，π/80，π/160，π/320，π/640，進(jìn)一步增加位相控制電極的數(shù)目，位相控制精度還可進(jìn)一步提高。由于P1-6產(chǎn)生的總有效位相在π/5以內(nèi)，這樣其功耗降低數(shù)倍，進(jìn)一步增加拉格反射器的數(shù)目，功耗還可大幅度降低。同樣為了進(jìn)行精確數(shù)字式振幅控制，振幅控制電極BA1-4的長(zhǎng)度也依次減半。位相補(bǔ)償電極CP1-6的數(shù)目與位相控制電極P1-6相同，且每個(gè)位相補(bǔ)償電極CP1-6的尺寸分別與P1-6相同，即補(bǔ)償電極CP1-6與P1-6一一對(duì)應(yīng)，同樣振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的數(shù)目與振幅控制電極BA1-4相同，且每個(gè)振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的尺寸分別與BA1-4相同，即補(bǔ)償電極CBA1-4與BA1-4一一對(duì)應(yīng)。位相或振幅控制電極和與其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電極只有一個(gè)工作，例如P上施加電壓，則CP1上不施加電壓，反之，如果P1上不施加電壓，則CP1上需要施加電壓。增加補(bǔ)償電極的好處是當(dāng)需要對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)，例如圖4中的λ1和λ2，進(jìn)行位相和振幅控制時(shí)，對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)λ1進(jìn)行位相和振幅調(diào)整不會(huì)影響到其他波長(zhǎng)的光波，例如對(duì)圖3b中沒(méi)有被反射的λ2，在它經(jīng)過(guò)上述針對(duì)λ1的位相和振幅控制單元后，它所經(jīng)歷的位相改變是相同的。
圖6給出了一個(gè)制作在光集成芯片上的位相和振幅調(diào)節(jié)單元PA10，它由位相控制電極P7-11和P12-16，環(huán)形共振器RE1-4，振幅控制電極RA1-4，輸入光波導(dǎo)W10和輸出光波導(dǎo)W11-12組成；環(huán)形共振器RE1-4按照一定間隔沿輸入光波導(dǎo)W10制作，使得它們分別依次處于共振狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相以π/3的步距等量增加。環(huán)形共振器RE1-2的工作波長(zhǎng)同為λ1，它們與同一輸出光波導(dǎo)W11相耦合，同樣環(huán)形共振器RE3-4的工作波長(zhǎng)同為λ2，它們與同一輸出光波導(dǎo)W12相耦合。位相控制電極P7-11和位相控制電極P12-16分別制作在輸出光波導(dǎo)W11和W12上。每個(gè)環(huán)形共振器RE1-4上有相同數(shù)目的振幅控制電極RA1-4。同樣為了進(jìn)行精確數(shù)字式控制，位相控制電極P7-11，P12-16和振幅控制電極RA1-4長(zhǎng)度不等，如果按照從長(zhǎng)到短排列，它們各自的長(zhǎng)度依次減半。
圖7a中給出了一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)，從圖7a可以看出，它由輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16，模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由單模光波導(dǎo)W17-20構(gòu)成，W17-20的左端通過(guò)星型耦合器C1耦合連接在一起，W17-20的右端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)W17-20的右端再耦合連接分別對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ1和λ2的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11和PA12。PA11和PA12的結(jié)構(gòu)類似于圖5中的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元。其中PA11由位相控制電極P17-20，布拉格反射器B5，位相補(bǔ)償電極CP17-20組成。如果增加光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12的數(shù)目可以對(duì)更多的波長(zhǎng)進(jìn)行光開(kāi)關(guān)操作。輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16直接耦合連接到模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC的左端。模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中有四根光波導(dǎo)W17-20，其數(shù)目等于輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16的數(shù)目，輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16為單模光波導(dǎo)。當(dāng)然MSC中光波導(dǎo)的數(shù)目可以大于輸入/輸出光波導(dǎo)的數(shù)目，這相當(dāng)于一部分輸入/輸出光波導(dǎo)閑置不用。但如果MSC中光波導(dǎo)的數(shù)目小于輸入/輸出光波導(dǎo)的數(shù)目，則會(huì)激發(fā)輻射模。
圖7a中光開(kāi)關(guān)的工作原理同樣基于主動(dòng)式光學(xué)位相共軛，如圖7a所示，波長(zhǎng)為λ1的光波從左邊最上面的光波導(dǎo)W13輸入，它通過(guò)星型耦合器C1耦合進(jìn)入模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC后，在每根光波導(dǎo)光波導(dǎo)W17-20的右端產(chǎn)生一個(gè)彼此獨(dú)立的位相和振幅分布，我們記為Aliexp(-jΦ1i)，其中i＝1，2，3和4，為了使波長(zhǎng)為λ1的光波從最下面那根光波導(dǎo)W16輸出，我們先假設(shè)它從W16輸入，這樣在每根光波導(dǎo)W17-20的右端也產(chǎn)生一個(gè)位相和振幅分布，我們記為A2iexp(-jΦ2i)，同樣i＝1，2，3和4。如果調(diào)整光波導(dǎo)W17-20右端的光波的位相和振幅Aliexp(-jΦ1i)，使得A′1iexp(-jΦ′1i)=cA2i‾exp(jΦ2i),]]>其中i＝1，2，3和4，c為常數(shù)，即正比于A2iexp(-jΦ2i)的光學(xué)位相共軛，則根據(jù)光學(xué)位相共軛原理，波長(zhǎng)為λ1的光波自然會(huì)從光波導(dǎo)W16輸出。由于c為一常數(shù)，如果沒(méi)有光放大器，c小于1，這時(shí)在選擇耦合器的結(jié)構(gòu)形式時(shí)要慎重，應(yīng)該盡量使得無(wú)論從輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16的哪根光波導(dǎo)輸入，它在每根光波導(dǎo)W17-20右端產(chǎn)生的光波的振幅盡量接近，否則c會(huì)很小，即共軛反射輸出的光波的強(qiáng)度會(huì)很小。圖7b和圖7c給出的基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)與圖7a給出的光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)基本相同，只是在圖7b中采用多重X結(jié)耦合器C2代替圖7a中的C1，而在圖7c中采用重疊方向耦合器C3代替圖7a中的C1。比較這幾種形式的耦合器，在圖7a中的星型藕合器C1能夠在每根光波導(dǎo)W17-20中產(chǎn)生最均勻的位相和振幅分布，特別是星型藕合器采用較大半徑時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，當(dāng)進(jìn)行共軛發(fā)射時(shí)它包括如下步驟A、把相干照明光波輸入具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生只存在基模的光場(chǎng)；B、把假想目標(biāo)分解為三維空間光點(diǎn)的線性集合，按照同一線性集合關(guān)系把每個(gè)三維空間光點(diǎn)經(jīng)過(guò)A步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的基模光場(chǎng)進(jìn)行疊加，在每根光波導(dǎo)中獲得一個(gè)總光場(chǎng)；C、對(duì)A步驟中獲得的彼此隔離的光波導(dǎo)中的基模光場(chǎng)進(jìn)行位相和振幅調(diào)整，使得它們正比于B步驟中獲得的同一光波導(dǎo)中的總光場(chǎng)的光學(xué)位相共軛；對(duì)C步驟中獲得的彼此獨(dú)立的光波導(dǎo)中的光場(chǎng)一一進(jìn)行反射，使得它們逆向通過(guò)A和B步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
2.一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法，當(dāng)進(jìn)行共軛反射時(shí)它包括如下步驟E、僅讓參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)一個(gè)半透半反鏡和光學(xué)透鏡，其中半透半反鏡位于光學(xué)透鏡的焦距內(nèi)且與光學(xué)透鏡的光軸成45度角，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光軸與光學(xué)透鏡的光軸平行，在像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；F、在垂直于光軸的光學(xué)透鏡的物方焦面上引入一個(gè)相干點(diǎn)光源，利用半透半反鏡，在光學(xué)透鏡的像方產(chǎn)生與光軸平行的均勻平面光，在像面測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)與均勻平面光發(fā)生干涉后的光場(chǎng)的強(qiáng)度以及均勻平面光自身的強(qiáng)度；G、利用步驟E和F測(cè)量結(jié)果計(jì)算出參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的光波的位相，并移走相干點(diǎn)光源，半透半反鏡和光學(xué)透鏡；H、僅讓參考相干光經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直接測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；I、保留參考相干光，同時(shí)讓三維物體發(fā)出的相干光波經(jīng)過(guò)E步驟中同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，再次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；J、遮斷參考相干光，僅保留三維物體發(fā)出的相干光波，又一次測(cè)量記錄從彼此隔離的光波導(dǎo)中輸出的光場(chǎng)的強(qiáng)度；K、利用步驟H、I、J三次測(cè)量結(jié)果和步驟E、F、G測(cè)得的參考相干光的位相，計(jì)算出三維物體經(jīng)過(guò)具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，在彼此隔離的光波導(dǎo)中產(chǎn)生的光波的振幅和位相，然后對(duì)光波的位相進(jìn)行調(diào)整，使得它們等于其自身的光學(xué)位相共軛，并使其反向通過(guò)同一具有模式分解和合成作用的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于它由模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由光波導(dǎo)陣列W1-7構(gòu)成，光波導(dǎo)W1-7在橫截面尺寸小的一端為單模光波導(dǎo)，且靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)W1-7的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，控制光波導(dǎo)W1-7的橫截面尺寸和長(zhǎng)度，使得光波導(dǎo)W1-7中只產(chǎn)生基模，光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC由彼此獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7組成，每個(gè)光波導(dǎo)W1-7在互相隔離的一端耦合連接一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7，光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA1-7用于調(diào)節(jié)每根光波導(dǎo)W1-7中的光波的位相和振幅實(shí)現(xiàn)光學(xué)位相共軛。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1和次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2組成，其中初級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC1由多模光波導(dǎo)WF1-5組成，光波導(dǎo)WF1-5的一端靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WF1-5的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)WF1-5在互相隔離的一端耦合連接一個(gè)次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2，次級(jí)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC2由光波導(dǎo)WS1-3組成，光波導(dǎo)WS1-3在橫截面尺寸小的一端為單模光波導(dǎo)，且靠攏放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相耦合，光波導(dǎo)WS1-3的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，控制光波導(dǎo)WS1-3的橫截面尺寸和長(zhǎng)度，使得光波導(dǎo)WS1-3在互相隔離的一端只產(chǎn)生基模，光波導(dǎo)WS1-3的數(shù)目等于每根光波導(dǎo)WF1-5中導(dǎo)模的數(shù)目，光波導(dǎo)WF1-5的橫截面尺寸固定不變。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中的光波導(dǎo)W1-7采用光增益材料制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中的光波導(dǎo)W1-7在一端靠攏放置，并整體拋光鍍制增透膜，光波導(dǎo)W1-7在另一端也拋光鍍制增透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA8由兩個(gè)微反射鏡M2-3，彈性支柱SP1-2，電極EI1-5和電極EO1-4組成，兩個(gè)微反射鏡M1-2分別由彈性材料SP1-2支撐制作在基片ME2上，微反射鏡M1-2互相平行構(gòu)成一個(gè)F-P干涉器，電極EI1-5制作在基片ME2上，與M2相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，電極EI1-5的面積依次減小，并使得每個(gè)電極EI1-5分別施加同一電壓時(shí)，引起的M2的高度變化依次減半，電極EO1-4制作在基片ME2上，與M3相對(duì)，構(gòu)成平行平板電容，電極EO1-4的面積依次減小，并使得每個(gè)電極EO1-4分別施加同一電壓時(shí)，引起的M3的高度變化依次減半，通過(guò)M3的高度調(diào)整反射光波的位相，通過(guò)M2-3之間介質(zhì)的折射率或間隔調(diào)整反射光波的振幅。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA9由位相控制電極P1-6，位相補(bǔ)償電極CP1-6，振幅控制電極BA1-4，振幅補(bǔ)償電極CBA1-4，布拉格反射器B1-4和單模光波導(dǎo)W9組成，位相控制電極P1-P6，振幅控制電極BA1-4，布拉格反射器B1-4，位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4沿光波導(dǎo)W9順序制作，且位相控制電極P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，使得調(diào)制前后的光波皆經(jīng)過(guò)位相控制電極P1-6，而位相補(bǔ)償電極CP1-6和振幅補(bǔ)償電極CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后，拉格反射器B1-4沿光波導(dǎo)W9放置，使得它們分別依次處于反射狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相等量增加，且每個(gè)布拉格反射器B1-4上制作有相同數(shù)目和尺寸的振幅控制電極BA1-4，按照從長(zhǎng)到短排列，位相控制電極P1-6的長(zhǎng)度依次減半，位相補(bǔ)償電極CP1-6的數(shù)目與位相控制電極P1-6相同，且每個(gè)位相補(bǔ)償電極CP1-6的尺寸分別與P1-6相同，按照從長(zhǎng)到短排列，每個(gè)布拉格反射器上的振幅控制電極BA1-4的長(zhǎng)度依次減半，振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的數(shù)目與振幅控制電極BA1-4相同，且每個(gè)振幅補(bǔ)償電極CBA1-4的尺寸分別與BA1-4相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置，其特征在于光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)器PAC中的每個(gè)光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA10由位相控制電極P7-16，振幅控制電極RA1-4，環(huán)形共振器RE1-4，輸入光波導(dǎo)W10和輸出光波導(dǎo)W11-12組成，環(huán)形共振器RE1-4沿輸入光波導(dǎo)W10放置，使得它們分別依次處于共振狀態(tài)時(shí)所引起的有效位相等量增加，工作波長(zhǎng)相同的環(huán)形共振器RE1-2和RE3-4分別與同一輸出光波導(dǎo)W11和12相耦合，每個(gè)環(huán)形共振器RE1-4上有相同數(shù)目的振幅控制電極RA1-4，按照從長(zhǎng)到短排列，RA1-4的長(zhǎng)度依次減半。
10.一種基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的光開(kāi)關(guān)，其特征在于它由輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16，模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC和光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12組成，其中模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC由單模光波導(dǎo)W17-20構(gòu)成，W17-20的一端以星型耦合器或多模干涉器或多重X結(jié)或重疊方向耦合器的形式耦合連接在一起，W17-20的另外一端分開(kāi)放置，使得它們之間的光場(chǎng)互相隔離，每根光波導(dǎo)W17-20再耦合連接對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光學(xué)位相共軛調(diào)節(jié)單元PA11-12，輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16直接耦合連接到模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC的前端，模式分離/合成轉(zhuǎn)換器MSC中光波導(dǎo)W17-20的數(shù)目等于輸入/輸出光波導(dǎo)W13-16的數(shù)目，所有輸入/輸出光波導(dǎo)為單模光波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主動(dòng)光學(xué)位相共軛方法及基于主動(dòng)光學(xué)位相共軛的成像裝置和光開(kāi)關(guān)，屬于光學(xué)成像和集成技術(shù)領(lǐng)域。它采用光波導(dǎo)陣列構(gòu)成模式分離/合成轉(zhuǎn)換器，這些光波導(dǎo)在一端靠攏放置，光場(chǎng)互相耦合，在另外一端分開(kāi)放置，彼此隔離。進(jìn)一步通過(guò)模式分離/合成轉(zhuǎn)換器把光波分解并引導(dǎo)到彼此隔離的光波導(dǎo)，然后在這些彼此隔離的光波導(dǎo)中通過(guò)簡(jiǎn)單的位相和振幅調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)光學(xué)位相共軛。它解決了大尺寸高像質(zhì)三維立體顯示、超快速變焦、遠(yuǎn)距離和高能激光精確聚焦等一些極限條件下的成像問(wèn)題。適用于計(jì)算機(jī)人機(jī)交換，機(jī)器人視覺(jué)，集成電路光刻，體信息存儲(chǔ)，軍事，能源，生物與光通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1932565SQ20061012465
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者李志揚(yáng) 申請(qǐng)人:李志揚(yáng)