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)認識到，光波作為信息載體具有特別顯著的優(yōu)點。其一，是光波的頻率高達1014Hz以上，比現(xiàn)有的信息載波，如無線電波、微波的頻率要高出幾個數(shù)量級。因此，它有極大的帶寬，或者說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。光波是獨立傳播的，兩束甚至于多束光在空間傳播時相遇，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，能實時的或快速的二維輸入、輸出的傳感器，以及具有運算功能的二維器件便應(yīng)運而生。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[61~64]空間光調(diào)制器是由英語的SpatiallightModulat直譯過來的，常縮寫成SLM。顧

3、名思義，它是一種能對光波的空間分布進行調(diào)制的器件。空間光調(diào)制器能對光波的某種或某些特性(例如相位、振幅或強度、頻率、偏振態(tài)等)的一維或二維分布進行空間和時間的變換或調(diào)制。換句話說，其輸出光信號是隨控制（電的或光的）信號變化的空間和時間的函數(shù)?？臻g光調(diào)制器結(jié)構(gòu)的基本特點在于它是由許多基本的獨立單元組成的一維線陣或二維陣列，這些獨立單元可以是物理上分割的小單元，也可以是無物理邊界的、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的空間

4、分辨率有限，而形成的一個一個小單元。這些小單元可以獨立地接收光學(xué)或電學(xué)的輸入信號，并利用各種物理效應(yīng)改變自身的光學(xué)特性（相位、振幅、強度、頻率或偏振態(tài)等），從而實現(xiàn)對輸入光波的空間調(diào)制或變換。習(xí)慣上，把這些小獨立單元稱為空間光調(diào)制器的“像素”，把控制像素的光電信號稱為“寫入光”，或“寫入（電）信號”，把照明整個器件并被調(diào)制的輸入光波稱為“讀出光”，經(jīng)過空間光調(diào)制器后出射的光波稱為“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、并能接收寫入光或?qū)懭腚娦盘杺鬟f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)、特別是計算機多媒體技術(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，國際上報道的

6、已實用化的空間光調(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。對這些空間光調(diào)制器還沒有一個統(tǒng)一的分類方法。除上述按尋址方式和讀出方式分類外，有時也按其工作原理來分?？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)用舉例可參見參考文獻[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)中用作變換或運算器件。原則上也可以用于系統(tǒng)輸出端，但這類器件的行為，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)換一個隨時間變化的串行電信號（例如攝像機或計算機輸出的模擬圖像信號），輸入到一個光學(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；二是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。電尋址空間光調(diào)制器可以同時完成這兩種轉(zhuǎn)換。例如