專利名稱：多模干涉型光學邏輯編碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學邏輯編碼器，尤其涉及一種多模干涉型光學邏輯編碼器。
背景技術：
光學邏輯編碼器(Optical Logic Coder)是構成光學信息處理系統(tǒng)和光網絡的重要器件。在光信息處理等領域大容量數據流、圖像處理、人工視覺、神經網絡、光學并行邏輯運算、光計算和集成電路芯片的光互連等許多應用領域需要的是二維(甚至是三維)空間的光信息處理。集成光學要適應這些應用領域，就需要發(fā)展三維集成光學器件。傳統(tǒng)的光學編碼器主要由透鏡、光柵、液晶、磁光材料等多個光學元件組成，而且外加許多機械設備，需要精密調節(jié)，光能利用率低、低信噪比、穩(wěn)定性差。對于大規(guī)模的光學計算，光學元件的個數隨信道數急劇增加，因此在提高單個元件的功能的基礎上，迫切需要提高集成度。集成光學器件具備集成度高、結構緊湊等特點，可以緩解以上困難。相對于傳統(tǒng)的光邏輯編碼器件，這種光邏輯編碼器充分發(fā)揮了集成光學器件的優(yōu)勢，多模干涉器件具備良好的級聯(lián)重建和組合功能，能保持穩(wěn)定的輸出功率分配和二維分布的空間輸出狀態(tài)，隨著加工技術和三維集成光學的發(fā)展，由它來構成邏輯器件具有很好的前景。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種多模干涉型光學邏輯編碼器，是有關基于多模波導的多模干涉來實現空間光邏輯編碼器件。
本發(fā)明采用的技術方案如下包括1～4根輸入波導、三個矩形多模波導、四根連接波導、四根輸出波導。第一個矩形多模波導的一端接1～4根輸入波導，第一個矩形多模波導的另一端與第二個矩形多模波導的一端間用四根連接波導連接，第二個矩形多模波導的另一端與第三個矩形多模波導的一端間用四根連接波導連接，第三個矩形多模波導的另一端接四根輸出波導，在四根連接的波導間填充聚合物材料，然后在聚合物表面對應各連接波導的區(qū)域，共加上三個利用材料的物理效應調制連接波導相位的上下調制電極。
本發(fā)明具有的有益的效果是利用多模波導的多模干涉產生重疊成像的原理，通過區(qū)域相位的調制方法，實現集成光學型二維分布空間光邏輯器件。這種空間光邏輯器件具有結構緊湊，集成度高的特點，在三維空間光互連、光同步、光學相控制雷達、光計算、光信息處理等方面有廣泛的應用前景，具有重要的科學研究意義和應用價值。


圖1是2(2×2)位光邏輯編碼器的結構示意圖；圖2是利用熱光效應進行相位調制區(qū)域的C-C截面示意圖圖3是基本二維2×2多模干涉器件單元原理圖。
圖中1-輸入波導，2-矩形多模波導，3-連接波導，4-輸出波導，5-上下調制電極，6-填充聚合物材料。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括1～4根輸入波導1、三個矩形多模波導2、四根連接波導3、四根輸出波導4。第一個矩形多模波導2的一端接1～4根輸入波導1，第一個矩形多模波導2的另一端與第二個矩形多模波導2的一端間用四根連接波導3連接，第二個矩形多模波導2的另一端與第三個矩形多模波導2的一端間用四根連接波導3連接，第三個矩形多模波導2的另一端接四根輸出波導4，在四根連接的波導3間填充聚合物材料6，然后在聚合物表面對應各連接波導3的區(qū)域，共加上三個利用材料的物理效應調制連接波導相位的上下調制電極5。
所述的輸入、輸出、連接波導是單?；蛘咧С侄?、三個模式的波導，并位于滿足模式數大于10個以上的矩形多模波導2重疊成像條件的位置，當從第一個矩形多模波導2的中心輸入能縮短器件長度。
所述的上下調制電極5對連接波導3的相位調制利用材料的多種物理效應，即熱光效應、載流子注入效應、或光注入效應。
根據多模波導的自映像原理，如果每個波導輸入端(aa，ab，ba，bb)都有光輸入，并滿足重疊成像的條件下波導位于矩形多模波導的We/3或2We/3位置，We為多模波導的有效寬度，則在輸出各端口的輸出為所有輸入光所成像的相干疊加。
假設輸入總光強為Itotal＝Iaa+Iab+Iba+Ibb，Jkl為輸出端的光強，Rkl和ψkj為輸出端口kl的場強和相位，rijkl和iklj分別為為輸入端口ij對輸出端口kl的場強和相對相位(i、j、k、l＝a或b)，同理可以給出其它輸出端口的光強，它們取決于輸入像的強度和相位組合。設定兩輸出端口強度比高于90％∶10％(即大于9.5dB)分別視為“開，1”和“關，0”邏輯態(tài)，那么根據強度和相位的不同組合，便可以構成表格中的基本邏輯態(tài)。但按照上述原理分析，通過一個矩形多模波導，等強度輸入四個像不能在這個矩形多模波導的末端得到三個“1”一個“0”的四種邏輯態(tài)，但對于非等強度輸入的四個像，通過適當匹配它們之間的輸入相位，完全可以達到前述邏輯的要求，如先采用相位調制實現強度比為(1∶1∶1∶5)的四個像，然后再經過第二次相位調制便能近似實現。表格只列了5種基本的邏輯態(tài)，其他對應的邏輯態(tài)根據對稱性可以方便得到，對于四個都為“0”的邏輯態(tài)看成是無輸入情況。根據以上的原理，輸入光經任一波導輸入第一個矩形多模波導區(qū)分成等強度的四個輸出，通過對中間連接波導的相位調制，該四個輸出為第二個矩形多模波導區(qū)的輸入，在其末端獲得初步強度分布，再次調節(jié)相位后，經第三個矩形多模波導區(qū)作用，得到所要求的22×2光邏輯態(tài)。例如，一束從端口aa輸入波導1輸入的光在經過第一個矩形多模波導后，在其末端四連接波導3端口等強度輸出；然后通過第一個相位調制區(qū)的端口bb進行π/2的相對相位調制，經過第二個矩形多模波導區(qū)2，在其末端四端口得到0.125:0.125:0.125:0.625的強度分布，再在第二個相位調制區(qū)對應的aa和bb表格.基本邏輯態(tài)和強度、相位的組合關系.
端口進行π，2π/3的相位調制，最終可以獲得四輸出波導端口的強度分布為0.3273∶0.3273∶0.3273∶0.182，因此可以用它來表征三“開”態(tài)的布爾邏輯輸出態(tài) 。除了三“開”態(tài)所包含的 、 、 、 四個態(tài)，實現其它的十二個態(tài)需要對相位調制區(qū)5A的ab，ba，bb分別進行3π/2，3π/2，π獲得在第二個矩形多模波導區(qū)末端四個端口的等強度等相位分布。比如，光通過以上路徑到達第二個矩形多模波導區(qū)末端，然后再對相位調制區(qū)域5B的ab、ba、bb進行調制π/2、π/2、π相位，可以獲得0∶0∶0∶1的分布，用它來表征 態(tài)，其它的都可以依次類推。由于各級輸出僅取決于四個輸入的相對相位差，故只需選取各調制區(qū)域四個波導中的任意三個波導進行調制就行。
根據所采用的材料不同，本發(fā)明的實施方式可以多種途徑，如材料可以采用Si、SiO2、GaAs等半導體，聚合物材料，LiNbO3，玻璃等波導材料來制作。三維波導制作工藝可采用多層平面光波導工藝，離子刻蝕，陰影光刻，灰度光刻，光刻漂白，浮雕，復制技術以及近年來發(fā)展起來的飛秒激光脈沖寫入技術等來制作。相位調制可以利用Si和聚合物材料的熱光效應，半導體材料可以利用載流子注入效應等來實現。下僅以玻璃襯底鍵合硅材料，并用有機聚合物材料旋涂填充以及利用熱光效應進行相位調制和三維波導制作工藝為例，進行原理性的說明。
先根據自映像效應和重疊成像的條件，設計正方形多模波導區(qū)2的大小，X和Y方向足以支持多個模式傳輸(如10個模以上)，長度滿足重疊成像條件，輸入波導1、輸出波導4和連接的波導3滿足大截面的準單模條件，分別位于的正方形多模波導區(qū)(We/3，We/3)，(2We/3，We/3)，(We/3，2We/3)和(2We/3，2We/3)位置。采用玻璃為襯底材料，并在上面對應位置制作下加熱電極，然后鍵合上硅材料，利用三維波導硅制作工藝制作出圖1的結構，再采用旋涂填充有機聚合物材料，最后在有機聚合物表面制作上加熱電極，電極可以采用Cr-Au金屬電極，利用熱光效應調制相位部分的原理見圖3。
以上原理是用來解釋2(2×2)位光邏輯編碼器，對于2(M×N)位光邏輯編碼器可以利用M×N陣列(其中M，N為自然數，M可以等于N)的連接波導和多節(jié)矩形多模波導級聯(lián)而依次推廣。
上述具體實施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.多模干涉型光學邏輯編碼器，其特征在于包括1～4根輸入波導(1)、三個矩形多模波導(2)、四根連接波導(3)、四根輸出波導(4)；第一個矩形多模波導(2)的一端接1～4根輸入波導(1)，第一個矩形多模波導(2)的另一端與第二個矩形多模波導(2)的一端間用四根連接波導(3)連接，第二個矩形多模波導(2)的另一端與第三個矩形多模波導(2)的一端間用四根連接波導(3)連接，第三個矩形多模波導(2)的另一端接四根輸出波導(4)，在四根連接的波導(3)間填充聚合物材料(6)，然后在聚合物表面對應各連接波導(3)的區(qū)域，共加上三個利用材料的物理效應調制連接波導相位的上下調制電極(5)。
2.根據權利要求1所述的多模干涉型光學邏輯編碼器，其特征在于所述的輸入、輸出、連接波導是單模或者支持二、三個模式的波導，并位于滿足模式數大于10個以上的矩形多模波導(2)重疊成像條件的位置，當從第一個矩形多模波導(2)的中心輸入能縮短器件長度。
3.根據權利要求1所述的多模干涉型光學邏輯編碼器，其特征在于所述的上下調制電極(5)對連接波導(3)的相位調制利用材料的多種物理效應，即熱光效應、載流子注入效應、或光注入效應。
全文摘要
本發(fā)明公開了多模干涉型光學邏輯編碼器。包括1～4根輸入波導、三個矩形多模波導、四根連接波導、四根輸出波導。第一個矩形多模波導的一端接1～4根輸入波導，第一個矩形多模波導的另一端與第二個矩形多模波導的一端間用四根連接波導連接，第二個矩形多模波導的另一端與第三個矩形多模波導的一端間用四根連接波導連接，第三個矩形多模波導的另一端接四根輸出波導，在四根連接的波導間填充聚合物材料，然后在聚合物表面對應各連接波導的區(qū)域，共加上三個利用材料的物理效應調制連接波導相位的上下調制電極。本發(fā)明根據多模干涉器件的特性，實現了空間密集集成、低誤差率的光學邏輯器件，為光學邏輯計算及光網絡的高度集成開辟了新的道路。
文檔編號G02F3/00GK1740833SQ20051006074
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權日2005年9月13日
發(fā)明者江曉清, 周海峰, 楊建義, 郝寅雷, 周強, 李錫華, 唐奕, 王明華 申請人:浙江大學