空間光調(diào)制器

1、174第6章空間光調(diào)制器6.1概述人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，光波作為信息載體具有特別顯著的優(yōu)點(diǎn)。其一，是光波的頻率高達(dá)1014Hz以上，比現(xiàn)有的信息載波，如無(wú)線電波、微波的頻率要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，它有極大的帶寬，或者說(shuō)具有極大的信息容量。光纖通信正是以此為基礎(chǔ)，得到迅猛發(fā)展的。其二，是光波的并行性。光波是獨(dú)立傳播的，兩束甚至于多束光在空間傳播時(shí)相遇，可以互不干擾。這為光信息的多路并行傳輸和處理提供了可能性。原有的、以串行輸入輸出為基礎(chǔ)的各種光

2、調(diào)制器已經(jīng)不能滿足光互連、光信息處理的大容量和并行性的要求，能實(shí)時(shí)的或快速的二維輸入、輸出的傳感器，以及具有運(yùn)算功能的二維器件便應(yīng)運(yùn)而生。這些器件即為空間光調(diào)制器。它們已經(jīng)成為光互連、光信息處理、光計(jì)算、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)中最基本的功能器件之一。本章將介紹幾種主要的空間光調(diào)制器的原理、結(jié)構(gòu)和特性。6.1.1空間光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)與分類(lèi)[61~64]空間光調(diào)制器是由英語(yǔ)的SpatiallightModulat直譯過(guò)來(lái)的，?？s寫(xiě)成SLM。顧

3、名思義，它是一種能對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件?？臻g光調(diào)制器能對(duì)光波的某種或某些特性(例如相位、振幅或強(qiáng)度、頻率、偏振態(tài)等)的一維或二維分布進(jìn)行空間和時(shí)間的變換或調(diào)制。換句話說(shuō)，其輸出光信號(hào)是隨控制（電的或光的）信號(hào)變化的空間和時(shí)間的函數(shù)?？臻g光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)在于它是由許多基本的獨(dú)立單元組成的一維線陣或二維陣列，這些獨(dú)立單元可以是物理上分割的小單元，也可以是無(wú)物理邊界的、連續(xù)的整體，只是由于器件材料的分辨率和輸入圖像或信號(hào)的空間

4、分辨率有限，而形成的一個(gè)一個(gè)小單元。這些小單元可以獨(dú)立地接收光學(xué)或電學(xué)的輸入信號(hào)，并利用各種物理效應(yīng)改變自身的光學(xué)特性（相位、振幅、強(qiáng)度、頻率或偏振態(tài)等），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光波的空間調(diào)制或變換。習(xí)慣上，把這些小獨(dú)立單元稱(chēng)為空間光調(diào)制器的“像素”，把控制像素的光電信號(hào)稱(chēng)為“寫(xiě)入光”，或“寫(xiě)入（電）信號(hào)”，把照明整個(gè)器件并被調(diào)制的輸入光波稱(chēng)為“讀出光”，經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器后出射的光波稱(chēng)為“輸出光”。顯然，讀出光應(yīng)該能照明空間光調(diào)制器的所有像素，

5、并能接收寫(xiě)入光或?qū)懭腚娦盘?hào)傳遞給它的信息，經(jīng)調(diào)制或變換轉(zhuǎn)換成輸出光。按讀出光工作方式分，可有透射式，如圖6.1（a）和(b)所示，或反射式，如圖61(c)和(d)所示。176行方式，使它的信息處理速度降低；由于電極幾何尺寸和透過(guò)率的限制，其分辨率和填充系數(shù)（像素的有效通光面積與像素的總面積之比）都有所降低。但目前它是光信息處理與現(xiàn)代電子技術(shù)、特別是計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成光電混合系統(tǒng)的有效方式，已得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)際上報(bào)道的

6、已實(shí)用化的空間光調(diào)制器大約不下40余種，它們的工作原理不同、結(jié)構(gòu)不同、特性也不盡相同。對(duì)這些空間光調(diào)制器還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類(lèi)方法。除上述按尋址方式和讀出方式分類(lèi)外，有時(shí)也按其工作原理來(lái)分?？臻g光調(diào)制器中能用于調(diào)制或變換的物理效應(yīng)很多，例如，普克爾斯效應(yīng)（即線性電光效應(yīng)）、克爾效應(yīng)（即二次電光效應(yīng)）、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、半導(dǎo)體的自電光效應(yīng)、光折變效應(yīng)等等。能夠利用這些物理效應(yīng)的材料也很多，例如，液晶、各種光電晶體、聲光晶體、磁光材料、鐵電

7、陶瓷等等。本章以所利用的物理效應(yīng)為主線索，選擇一些空間光調(diào)制器作代表，介紹它們的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性。限于篇幅，光折變效應(yīng)空間光調(diào)制器將在第七章光信息存儲(chǔ)技術(shù)中介紹聲光空間光調(diào)制器和其他空間光調(diào)制器及其應(yīng)用舉例可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[61~66]。6.1.2空間光調(diào)制器的功能按空間光調(diào)制器在光學(xué)信息處理或光互連系統(tǒng)中的位置來(lái)區(qū)分，它們可用作系統(tǒng)的輸入器件，也可在系統(tǒng)中用作變換或運(yùn)算器件。原則上也可以用于系統(tǒng)輸出端，但這類(lèi)器件的行為，目前尚未完全

8、研究清楚[61]。一、輸入器件空間光調(diào)制器作為輸入器件，其功能主要是將待處理的信息轉(zhuǎn)換成光學(xué)處理系統(tǒng)所要求的輸入形式。它們主要能實(shí)現(xiàn)以下幾種轉(zhuǎn)換。1電光轉(zhuǎn)換和串行并行轉(zhuǎn)換一個(gè)隨時(shí)間變化的串行電信號(hào)（例如攝像機(jī)或計(jì)算機(jī)輸出的模擬圖像信號(hào)），輸入到一個(gè)光學(xué)處理系統(tǒng)中去，往往需要作兩方面的轉(zhuǎn)換。一是將串行輸入方式轉(zhuǎn)換成并行方式，即轉(zhuǎn)換成在空間上排列成一維或二維陣列的形式；二是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。電尋址空間光調(diào)制器可以同時(shí)完成這兩種轉(zhuǎn)換。例如