CN100346186C - 多模干涉型光学逻辑编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多模干涉型光学逻辑编码器。包括1～4根输入波导、三个矩形多模波导、四根连接波导、四根输出波导。第一个矩形多模波导的一端接1～4根输入波导，第一个矩形多模波导的另一端与第二个矩形多模波导的一端间用四根连接波导连接，第二个矩形多模波导的另一端与第三个矩形多模波导的一端间用四根连接波导连接，第三个矩形多模波导的另一端接四根输出波导，在四根连接的波导间填充聚合物材料，然后在聚合物表面对应各连接波导的区域，共加上三个利用材料的物理效应调制连接波导相位的上下调制电极。本发明根据多模干涉器件的特性，实现了空间密集集成、低误差率的光学逻辑器件，为光学逻辑计算及光网络的高度集成开辟了新的道路。
Description
技术领域
本发明涉及光学逻辑编码器，尤其涉及一种多模干涉型光学逻辑编码器。
背景技术
光学逻辑编码器(Optical Logic Coder)是构成光学信息处理***和光网络的重要器件。在光信息处理等领域大容量数据流、图像处理、人工视觉、神经网络、光学并行逻辑运算、光计算和集成电路芯片的光互连等许多应用领域需要的是二维(甚至是三维)空间的光信息处理。集成光学要适应这些应用领域，就需要发展三维集成光学器件。传统的光学编码器主要由透镜、光栅、液晶、磁光材料等多个光学元件组成，而且外加许多机械设备，需要精密调节，光能利用率低、低信噪比、稳定性差。对于大规模的光学计算，光学元件的个数随信道数急剧增加，因此在提高单个元件的功能的基础上，迫切需要提高集成度。集成光学器件具备集成度高、结构紧凑等特点，可以缓解以上困难。相对于传统的光逻辑编码器件，这种光逻辑编码器充分发挥了集成光学器件的优势，多模干涉器件具备良好的级联重建和组合功能，能保持稳定的输出功率分配和二维分布的空间输出状态，随着加工技术和三维集成光学的发展，由它来构成逻辑器件具有很好的前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模干涉型光学逻辑编码器，是有关基于多模波导的多模干涉来实现空间光逻辑编码器件。
本发明采用的技术方案如下：包括1～4根输入波导、三个矩形多模波导、两组四根连接波导、四根输出波导；第一个矩形多模波导的一端接1～4根输入波导，第一个矩形多模波导的另一端与第二个矩形多模波导的一端间用第一组四根连接波导连接，第二个矩形多模波导的另一端与第三个矩形多模波导的一端间用第二组四根连接波导连接，第三个矩形多模波导的另一端接四根输出波导，在两组四根连接的波导间填充聚合物材料，然后在对应于各组四根连接波导中的任意三根波导的聚合物表面，每组共加上三个利用材料的物理效应调制连接波导相位的上下调制电极。
本发明具有的有益的效果是：利用多模波导的多模干涉产生重叠成像的原理，通过区域相位的调制方法，实现集成光学型二维分布空间光逻辑器件。这种空间光逻辑器件具有结构紧凑，集成度高的特点，在三维空间光互连、光同步、光学相控制雷达、光计算、光信息处理等方面有广泛的应用前景，具有重要的科学研究意义和应用价值。
附图说明
图1是2(2×2)位光逻辑编码器的结构示意图；
图2是利用热光效应进行相位调制区域的C-C截面示意图：
图3是基本二维2×2多模干涉器件单元原理图。
图中：1-输入波导，2-矩形多模波导，3-连接波导，4-输出波导，5A、5B-上下调制电极，6-填充聚合物材料。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括1～4根输入波导1、三个矩形多模波导2、两组四根连接波导3、四根输出波导4。第一个矩形多模波导2.1的一端接1～4根输入波导1，第一个矩形多模波导2.1的另一端与第二个矩形多模波导2.2的一端间用第一组四根连接波导3连接，第二个矩形多模波导2.2的另一端与第三个矩形多模波导2.3的一端间用第二组四根连接波导3连接，第三个矩形多模波导2.3的另一端接四根输出波导4，在两组四根连接的波导
间填充聚合物材料6，然后在对应于各组四根连接波导中的任意三根波导的聚合物表面，每组共加上三个利用材料的物理效应调制连接波导相位的上下调制电极5A、5B。
所述的输入、输出、连接波导是单模或者支持二、三个模式的波导，并位于满足模式数大于10个以上的矩形多模波导2重叠成像条件的位置，当从第一个矩形多模波导2.1的中心输入能缩短器件长度。
所述的上下调制电极5A、5B对连接波导3的相位调制利用材料的多种物理效应，即热光效应、载流子注入效应、或光注入效应。
根据多模波导的自映像原理，如果每个波导输入端(aa，ab，ba，bb)都有光输入，并满足重叠成像的条件下波导位于矩形多模波导的We/3或2We/3位置，We为多模波导的有效宽度，则在输出各端口的输出为所有输入光所成像的相干替加。
假设输入总光强为Itotal＝Iaa+Iab+Iba+Ibb，Jkl为输出端的光强，Rkl和ψkj为输出端口kl的场强和相位，rijkl和iklj分别为为输入端口ij对输出端口kl的场强和相对相位(i、j、k、l＝a或b)，同理可以给出其它输出端口的光强，它们取决于输入像的强度和相位组合。设定两输出端口强度比高于90％∶10％(即大于9.5dB)分别视为“开，1”和“关，0”逻辑态，那么根据强度和相位的不同组合，便可以构成表格中的基本逻辑态。但按照上述原理分析，通过一个矩形多模波导，等强度输入四个像不能在这个矩形多模波导的末端得到三个“1”一个“0”的四种逻辑态，但对于非等强度输入的四个像，通过适当匹配它们之间的输入相位，完全可以达到前述逻辑的要求，如先采用相位调制实现强度比为(1∶1∶1∶5)的四个像，然后再经过第二次相位调制便能近似实现。表格只列了5种基本的逻辑态，其他对应的逻辑态根据对称性可以方便得到，对于四个都为“0”的逻辑态看成是无输入情况。根据以上的原理，输入光经任一波导输入第一个矩形多模波导区分成等强度的四个输出，通过对中间连接波导的相位调制，该四个输出为第二个矩形多模波导区的输入，在其末端获得初步强度分布，再次调节相位后，经第三个矩形多模波导区作用，得到所要求的22×2光逻辑态。例如，一束从端口aa输入波导1输入的光在经过第一个矩形多模波导后，在其末端四连接波导3端口等强度输出；然后通过第一个相位调制区的端口bb进行π/2的相对相位调制，经过第二个矩形多模波导区，在其末端四端口得到0.125∶0.125∶0.125∶0.625的强度分布，再在第二个相位调制区对应的aa和bb
表格.基本逻辑态和强度、相位的组合关系.
端口进行π，2π/3的相位调制，最终可以获得四输出波导端口的强度分布为0.3273∶0.3273∶0.3273∶0.182，因此可以用它来表征三“开”态的布尔逻辑输出态[1110]。除了三“开”态所包含的[1110]、[1011]、[1101]、[0111]四个态，实现其它的十二个态需要对相位调制区5A的ab，ba，bb分别进行3π/2，3π/2，π获得在第二个矩形多模波导区末端四个端口的等强度等相位分布。比如，光通过以上路径到达第二个矩形多模波导区末端，然后再对相位调制区域5B的ab、ba、bb进行调制π/2、π/2、π相位，可以获得0∶0∶0∶1的分布，用它来表征[0001]态，其它的都可以依次类推。由于各级输出仅取决于四个输入的相对相位差，故只需选取各调制区域四个波导中的任意三个波导进行调制就行。
根据所采用的材料不同，本发明的实施方式可以多种途径，如材料可以采用Si、SiO2、GaAs等半导体，聚合物材料，LiNbO3，玻璃等波导材料来制作。三维波导制作工艺可采用多层平面光波导工艺，离子刻蚀，阴影光刻，灰度光刻，光刻漂白，浮雕，复制技术以及近年来发展起来的飞秒激光脉冲写入技术等来制作。相位调制可以利用Si和聚合物材料的热光效应，半导体材料可以利用载流子注入效应等来实现。下仅以玻璃衬底键合硅材料，并用有机聚合物材料旋涂填充以及利用热光效应进行相位调制和三维波导制作工艺为例，进行原理性的说明。
先根据自映像效应和重叠成像的条件，设计正方形多模波导区2的大小，X和Y方向足以支持多个模式传输(如10个模以上)，长度满足重叠成像条件，输入波导1、输出波导4和连接的波导3满足大截面的准单模条件，分别位于的正方形多模波导区(We/3，We/3)，(2We/3，We/3)，(We/3，2We/3)和(2We/3，2We/3)位置。采用玻璃为衬底材料，并在上面对应位置制作下加热电极，然后键合上硅材料，利用三维波导硅制作工艺制作出图1的结构，再采用旋涂填充有机聚合物材料，最后在有机聚合物表面制作上加热电极，电极可以采用Cr-Au金属电极，利用热光效应调制相位部分的原理见图3。
以上原理是用来解释2(2×2)位光逻辑编码器，对于2(M×N)位光逻辑编码器可以利用M×N阵列(其中M，N为自然数，M可以等于N)的连接波导和多节矩形多模波导级联而依次推广。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1、多模干涉型光学逻辑编码器，其特征在于：包括1～4根输入波导(1)、三个矩形多模波导(2)、两组四根连接波导(3)、四根输出波导(4)；第一个矩形多模波导(2.1)的一端接1～4根输入波导(1)，第一个矩形多模波导(2.1)的另一端与第二个矩形多模波导(2.2)的一端间用第一组四根连接波导(3)连接，第二个矩形多模波导(2.2)的另一端与第三个矩形多模波导(2.3)的一端间用第二组四根连接波导(3)连接，第三个矩形多模波导(2.3)的另一端接四根输出波导(4)，在两组四根连接的波导(3)间填充聚合物材料(6)，然后在对应于各组四根连接波导(3)中的任意三根波导的聚合物表面，每组共加上三个利用材料的物理效应调制连接波导相位的上下调制电极(5A，5B)。
2、根据权利要求1所述的多模干涉型光学逻辑编码器，其特征在于：所述的输入、输出、连接波导是单模或者支持二、三个模式的波导，并位于矩形多模波导(2)重叠成像条件的位置，当从第一个矩形多模波导(2.1)的中心输入能缩短器件长度。
3、根据权利要求1所述的多模干涉型光学逻辑编码器，其特征在于：所述的上下调制电极(5A、5B)对连接波导(3)的相位调制利用材料的多种物理效应，即热光效应、载流子注入效应、或光注入效应。
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