文档介绍：174 第6章空间光调制器 概述人们已经认识到,光波作为信息载体具有特别显著的优点。其一,是光波的频率高达 10 14Hz 以上, 比现有的信息载波, 如无线电波、微波的频率要高出几个数量级。因此, 它有极大的带宽,或者说具有极大的信息容量。光纤通信正是以此为基础,得到迅猛发展的。其二, 是光波的并行性。光波是独立传播的, 两束甚至于多束光在空间传播时相遇, 可以互不干扰。这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。原有的、以串行输入/ 输出为基础的各种光调制器已经不能满足光互连、光信息处理的大容量和并行性的要求, 能实时的或快速的二维输入、输出的传感器, 以及具有运算功能的二维器件便应运而生。这些器件即为空间光调制器。它们已经成为光互连、光信息处理、光计算、光学神经网络等技术中最基本的功能器件之一。本章将介绍几种主要的空间光调制器的原理、结构和特性。 空间光调制器的基本结构与分类[6-1~6-4] 空间光调制器是由英语的 Spatial light Modulator 直译过来的,常缩写成 SLM 。顾名思义, 它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。空间光调制器能对光波的某种或某些特性( 例如相位、振幅或强度、频率、偏振态等) 的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制。换句话说,其输出光信号是随控制(电的或光的)信号变化的空间和时间的函数。空间光调制器结构的基本特点在于, 它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列,这些独立单元可以是物理上分割的小单元,也可以是无物理边界的、连续的整体,只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限,而形成的一个一个小单元。这些小单元可以独立地接收光学或电学的输入信号, 并利用各种物理效应改变自身的光学特性(相位、振幅、强度、频率或偏振态等) ,从而实现对输入光波的空间调制或变换****惯上, 把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”, 把控制像素的光电信号称为“写入光”, 或“写入(电) 信号”, 把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”, 经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。显然,读出光应该能照明空间光调制器的所有像素,并能接收写入光或写入电信号传递给它的信息,经调制或变换转换成输出光。按读出光工作方式分,可有透射式,如图 (a )和(b) 所示,或反射式,如图 6-1 (c) 和(d) 所示。而写入光或写入电信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为“寻址”(或“编址”) 。如果采用写入光实现这一过程,称为光 175 寻址,采用写入电信号时,称为电寻址。光寻址通常采用一个二维光强分布( 如一幅图像) 作为写入光, 使其成像在空间光调制器的像素平面上, 并使写入光的像素与空间光调制器的像素一一对应, 从而实现寻址。光寻址时, 所有像素的寻址同时完成, 所以它是一种并行寻址。其特点是寻址速度最快, 而且像素的大小, 原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。采用光寻址时, 要防止写入光与读出光之间的串扰。常见的方法是采用反射式空间光调制器, 在调制器内部设置一个光隔离层,使写入光与读出光位于调制器两侧,如图 6-1 (b )和(d) 所示。对于透射式,读出光和写入光可以使用不同的波长, 再利用滤光片除去输出光中的写入光, 从而消除它们之间的串扰。写入光读出光输出光(a )透射式光编址写入光读出光输出光(b) 反射式光编址读出光写入(电)信号输出光(c) 透射式电编址写入(电)信号读出光输出光(d) 反射式电编址图 空间光调制器示意图采用电寻址时,因为电信号是一个时间序列,原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去, 所以电寻址是一种串行寻址方式。实现电寻址有多种形式。例如, 在空间光调制器的表面设置两组正交的栅状电极,用逐行扫描的方法使写入电信号作用到相应的像素上去, 完成寻址。再如, 利用电荷耦合器( CCD ) 和一个附加的电荷转移机构, 把写入电信号转换成调制器上的电压分布来完成寻址的。电寻址与光寻址相比有一些弱点。由于串行方式, 使它的信息处理速度降低; 由于电极几何尺寸和透过率的限制, 其分辨率和填充系数( 像素的有效通光面积与像素的总面积之比) 都有所降低。但目前它是光信息处理与现代电子技术、 176 特别是计算机- 多媒体技术相结合,构成光电混合系统的有效方式,已得到了广泛的应用。目前, 国际上报道的已实用化的空间光调制器大约不下 40 余种, 它们的工作原理不同、结构不同、特性也不尽相同。对这些空间光调制器还没有一个统一的分类方法。除上述按寻址方式和读出方式分类外, 有时也按其工作原理来分。空间光调制器中能用于调制或变换的物理效应很多,例如,普克尔斯效应(即线性电光