CN109445751B - 一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，属于光学信息处理领域。本发明设计的空间光场微分器具有能同时工作在多个波长、设计简单、器件厚度为微纳米尺寸、易于大规模制备、可与硅基器件集成等优点。本发明通过激发介质波导层中的波导模式，并使器件的传递函数为线性，从而对输入空间光场进行一阶微分处理。本发明能够同时在多个波长处相应地激发多个不同的波导模式，且能同时在这多个波长实现光场的一阶空间微分运算。本发明可用于超快速、实时、大通量的图像处理例如边缘提取，在医学和卫星图像处理中有重要的技术应用前景。

Description

一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件
技术领域
本发明涉及光学信息处理领域，具体是一种基于衍射光栅的空间光场微分运算器件。
背景技术
随着信息技术的迅猛发展，对信息处理性能的需求正在不断地提高。与传统电子器件的信息处理方式相比，光学信息处理技术凭借其高速、超大带宽、低损耗等优势，已经逐渐发展成为一种重要的信息处理手段。传统傅里叶光学信息处理利用了透镜的傅里叶变换特性，通过两块透镜组成4f系统，在其频谱面上选择合适的空间滤波器，进行光场模拟运算，进而实现图像处理。其中利用空间光场微分运算，可以实现图像边缘提取，从而实时、高速、大通量地进行图像处理，在医学和卫星图像处理、目标识别领域有重要的技术应用前景。
近年来，随着微纳光学相关理论和技术的发展，使得制备微纳米尺度的光子器件实现光场调控成为了可能。用微纳光子器件实现光场模拟运算，其基本原理是设计特定的微纳结构，使得对任意的入射光场，其透射/反射场正比于所需的运算操作的结果，例如空间微分运算。这一过程的原理与传统的4f透镜系统的原理类似；但不同的是，这里用微纳结构代替了传统的宏观尺寸的透镜系统，且光场运算的结果在经过微纳结构透射/反射的过程中直接得到，无需自由空间传播，因此，这一系统的尺寸比传统透镜系统的尺寸要小几个数量级，达到波长量级。进一步地，基于表面等离激元的光子器件由于应用表面等离激元的倏逝场性质，可以将器件尺寸做到亚波长量级。为此，利用微纳光学技术，压缩器件尺寸，设计并制备微型化、易与电子器件集成的光学器件符合市场需求和未来发展趋势。
经对现有微纳尺寸的空间光场微分器的文献检索发现，目前学术界提出的微纳尺寸空间光场微分器的设计原理主要可以分为两类：第一类是基于超材料的空间光场微分器，以A.Pors于2014年在Nano Letters上发表的文章“Analog computing usingreflective plasmonic metasurfaces”(基于反射型等离激元超表面的模拟运算)为代表，其原理类似于传统的4f系统,通过给定各单元的几何结构参数，设计一种特殊的超表面放置在频谱面上作为空间滤波器，其空间滤波特性符合空间微分或积分运算所要求的频谱响应函数，从而经过透镜系统变换和空间滤波后，反射光场等于入射光场的空间微分或积分；第二类是基于共振结构的空间光场微分器，以俄罗斯V.A.Soifer于2014年3月在OpticsLetters上发表的文章“Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating”(基于相移布拉格光栅的空间光束微分器)为代表，其原理是通过给定各介质层的折射率及厚度等参数，设计一种特殊的多层介质平板结构的相移布拉格光栅，使其在光束斜入射时的反射传递函数符合空间微分运算的要求，从而可以在反射过程中直接得到空间光场的一阶微分。然而，所有目前已经提出的空间光场微分器设计均只能工作在特定的单一波长，而不能实现多波长的复用，因此其信息处理的容量受到了很大的限制。
发明内容
本发明针对上述技术只能工作在单一波长的不足，提出了一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件。本发明通过衍射光栅的相位匹配使得某一特定空间频率的入射相干光能够激发波导层中的波导模式，并且衍射光栅的直接衍射场与波导层中波导模式的泄漏场在此空间频率处干涉相消，且器件在此空间频率附近的传递函数(以零级的入射作为输入信号，所述非零级次的衍射作为输出信号)为线性，从而能够在衍射过程中得到输入光场的一阶空间微分运算结果。本发明由于能够同时在多个波长处对应地激发不同的波导模式，且这多个模式能同时满足上述条件，所以能同时在这多个波长实现光场的一阶空间微分运算。本发明由于输出信号是光栅的非零级次衍射场，所以不同波长对应的输出信号能在衍射过程中自动解复用，不需要额外的解复用器件。本方法中的器件厚度为波长量级，以波长为1μm～1.5μm的近红外光为例，器件厚度可以控制在1.5μm，与传统傅里叶方法所需的厘米(cm)量级空间尺寸相比缩小了多个数量级。本发明所提出的空间光场微分运算器件具备结构设计简单、器件尺寸小、可同时工作在多个波长、易与硅基器件集成等优点。
本发明解决问题所采用的技术方案如下：
一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，能够在多个波长处对相干光进行微分运算，包括从上至下依次叠加的空间频率耦合层、波导层、反射层(反射式)/空间频率耦合层(透射式)。
所述空间频率耦合层使用衍射光栅或者棱镜，且器件中至少有一层为衍射光栅；所述波导层支持多个波导模式；所述空间频率耦合层的衍射光栅满足：使得某一特定空间频率的多个工作波长的入射相干光分别能够激发波导层支持的不同的波导模式，且在此空间频率处光栅的某一非零衍射级次的传递函数为零，且在该空间频率附近的传递函数为线性。
进一步地，所述波导层使用介质材料，波导层支持的波导模式的数目可以通过设计波导层介质的厚度实现。
进一步地，所述空间频率耦合层使用衍射光栅，衍射光栅的周期满足：对某一特定的空间频率，在该器件的多个工作波长处的入射相干光分别能够耦合到波导层支持的不同的波导模式。
进一步地，该器件采用反射层时为反射式器件，所述反射层使用完全反射的材料或结构，使光场不能透过介质波导层继续向下传播，从而该器件工作在反射状态；对于反射式器件，所述空间频率耦合层使用衍射光栅。
进一步地，波导模式在传输过程中向光栅的某一非零衍射级次的泄漏场与该级次的直接衍射场完全干涉相消，从而该器件在所述空间频率处该衍射级次传递函数为零,且在该空间频率附近的传递函数为线性，所述非零级次的衍射光场为输入光场的空间一阶微分运算结果。该器件所述空间频率处该衍射级次传递函数为零可以实现的条件，是通过设计空间频率耦合层的衍射光栅的结构和材料参数，使衍射光栅的背景衍射效率接近100％，即不激发波导模式时的直接衍射第零级的入射场基本完全衍射到所述非零级次。
进一步地，基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算直接发生于光场的衍射过程中，能够实现超快速、实时、大通量的空间光场调控。
进一步地，输入的空间光场以相干光为载体，输入光场既可以是单一波长的空间光场，也可以是一组不同波长的空间光场，即波分复用型的空间光场。
进一步地，输出光场在光栅的非零衍射级次，所以不同波长对应的输出光场具有不同的衍射角，能自动解复用，不需要额外的解复用器件。
进一步地，使用基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，能够对一组不同波长的图像进行图像边缘提取，实现超快速、实时、大通量的图像处理。
进一步地，在相干光中载入图像信息可以是相位型或振幅型光场图像，且可以实现两者间的任意切换。
本发明的有益效果如下：本发明是一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，可以同时实现对多路波长的光信号的空间一阶微分运算，不同波长对应的输出信号能自动解复用，不需要额外的解复用器件。本发明基于微纳光学技术，器件厚度为波长量级，以波长为1μm～1.5μm的近红外光为例，器件厚度可以控制在1.5μm，与传统傅里叶方法所需的厘米(cm)量级空间尺寸相比缩小了多个数量级。本发明所提出的空间光场微分运算器件具备结构设计简单、器件尺寸小、可同时工作在多个波长、易与硅基器件集成等优点，由于同时工作在多个波长，能够大大提高器件的信息处理容量，从而实现超快速、实时、大通量的空间光场信息处理及图像边缘提取。
附图说明
图1(a)为实施例1的反射式多波长空间光场微分运算器件结构示意图；
图1(b)为实施例2的透射式多波长空间光场微分运算器件结构示意图；
图1(c)为实施例3的透射式多波长空间光场微分运算器件结构示意图；
图2为实施例1的器件结构设计图；
图3为实施例1在其工作波长处的传递函数；
图4为实施例1对多波长空间光场信号进行一阶微分运算的结果；
图5为实施例1对一组不同波长的图像进行边缘提取的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1(a)所示，为一种基于衍射光栅的反射式多波长空间光场微分运算器件的实施例，包括从上至下依次叠加的：空间频率耦合层、波导层、反射层。空间频率耦合层使用衍射光栅。输入相干光从空气中由空间频率耦合层一侧输入至多波长空间光场微分器，通过衍射光栅的相位匹配激发介质波导层中的波导模式后，向衍射光栅的某一非零级次衍射输出。输入与输出位于器件的同一侧，是反射式的器件。
如图2所示，该多波长空间光场微分运算器件的空间频率耦层使用衍射光栅，衍射光栅的材料是硅，光栅的周期为1.55μm、高度为140nm、宽度为480nm；波导层的材料是二氧化硅，厚度是1μm；反射层的材料是金，厚度是0.2μm，在此厚度下，光场将会完全被反射，不会向下透射。实际制备时，使用化学气相沉积法，先在金层上沉积上1μm厚的二氧化硅介质波导层，再在介质波导层上沉积上140nm厚的硅，接着使用电子束刻蚀和反应离子刻蚀的方法将硅刻蚀成上述尺寸的衍射光栅。本实施例的多波长空间光场微分器其工作波长为：1136.5nm、1174.8nm、1337.5nm、1396.7nm。本实施例中，输入光信号的入射角为23.6°，对应于上述4个工作波长的输出光信号的衍射角分别是19.5°、21.0°、27.6°、30.1°。
如图2所示，输入相干光从空气中由空间频率耦合层一侧输入至多波长空间光场微分器，通过衍射光栅的相位匹配激发介质波导层中的波导模式后，向输入一侧衍射输出。当器件在此空间频率处的传递函数(以0级的入射作为输入信号，1级的衍射作为输出信号)为0，且在此空间频率附近的传递函数为线性时，输出光场为输入光场的空间一阶微分运算结果。在本实施例中，衍射光栅层的几何结构尺寸经过设计，能够在上述4个工作波长处同时满足上述条件，所以能同时在这4个工作波长处实现光场的一阶空间微分运算。
如图3所示，为此实施例中多波长空间光场微分器件在4个工作波长处的传递函数的仿真结果与理想的一阶微分器的传递函数的对比，可以看到在所述空间频率处的传递函数为零，在此空间频率附近的一段空间频谱范围内，传递函数近似为线性，符合空间一阶微分运算的传递函数。
如图4所示，为此实施例对不同波长的空间光场信号进行一维、一阶微分运算的仿真结果与理想的一阶微分结果的对比。输入信号为横磁偏振(磁场偏振方向垂直于入射面)的高斯光束，其束腰半径是40倍波长，归一化最大振幅为1。可以看到此实施例中多波长空间光场微分器在4个工作波长处都能够实现对入射光信号的一阶空间微分运算。
如图5所示，为此实施例对一组不同波长的输入图像进行边缘提取的仿真结果。输入光场加载了一组不同波长的4幅图像，相应的经本实施例中的空间光场微分器处理后的输出光信号如图5第二行所示，分别对应输入信号的空间微分结果。可以看到，输出图像中均保留了输入图像中变化较大的边缘部分，而消除了变化缓慢的相对均匀部分，即利用空间微分运算实现了对图像的边缘提取处理，从而证明了该器件的效果。
实施例2
如图1(b)所示，为一种基于衍射光栅的透射式多波长空间光场微分运算器件的实施例，包括从上至下依次叠加的：输入侧空间频率耦合层、波导层、输出侧空间频率耦合层。输入侧空间频率耦合层使用棱镜，输出侧空间频率耦合层使用衍射光栅。输入相干光从空气中通过棱镜耦合输入至多波长空间光场微分器，通过棱镜的相位匹配激发介质波导层中的波导模式后，向衍射光栅的某一非零级次衍射输出。输入与输出位于器件的不同两侧，是透射式的器件。
实施例3
如图1(c)所示，为一种基于衍射光栅的透射式多波长空间光场微分运算器件的实施例，包括从上至下依次叠加的：输入侧空间频率耦合层、波导层、输出侧空间频率耦合层。输入侧空间频率耦合层和输出侧空间频率耦合层使用不同周期的衍射光栅。输入相干光从空气中通过衍射光栅耦合输入至多波长空间光场微分器，通过衍射光栅的相位匹配激发介质波导层中的波导模式后，向输出侧衍射光栅的某一非零级次衍射输出。输入与输出位于器件的不同两侧，是透射式的器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，能够在多个波长处对相干光进行微分运算，包括从上至下依次叠加的空间频率耦合层、波导层、反射层/空间频率耦合层；所述波导层支持多个波导模式；所述空间频率耦合层使用衍射光栅或者棱镜，且器件中至少有一层为衍射光栅；所述空间频率耦合层的衍射光栅满足：使得某一特定空间频率的多个工作波长的入射相干光分别能够激发波导层支持的不同的波导模式，且在此空间频率处光栅的某一非零衍射级次的传递函数为零，且在该空间频率附近的传递函数为线性。
2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，所述波导层使用介质材料，波导模式的数目可以通过设计波导层介质的厚度实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，所述空间频率耦合层使用衍射光栅，衍射光栅的周期满足：对某一特定的空间频率，在该器件的多个工作波长处的入射相干光分别能够耦合到波导层支持的不同的波导模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，该器件采用反射层时为反射式器件，所述反射层使用完全反射的材料或结构，使光场不能透过波导层继续向下传播，从而该器件工作在反射状态；对于反射式器件，所述空间频率耦合层使用衍射光栅。
5.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，波导模式在传输过程中向光栅的某一非零衍射级次的泄漏场与该级次的直接衍射场完全干涉相消，从而该器件在所述空间频率处该衍射级次传递函数为零,且在该空间频率附近的传递函数为线性，所述非零衍射级次的衍射光场为输入光场的空间一阶微分运算结果。
6.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，该器件所述空间频率处该衍射级次传递函数为零可以实现的条件，是通过设计空间频率耦合层的衍射光栅的结构和材料参数，使衍射光栅的背景衍射效率接近100％，即不激发波导模式时的直接衍射第零级的入射场基本完全衍射到所述非零衍射级次。
7.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，该器件的输入的空间光场以相干光为载体，输入光场既可以是单一波长的空间光场，也可以是一组不同波长的空间光场，即波分复用型的空间光场。
8.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，该器件的输出光场在光栅的非零衍射级次，所以不同波长对应的输出光场具有不同的衍射角，能自动解复用，不需要额外的解复用器件。
9.根据权利要求1所述的一种基于衍射光栅的多波长空间光场微分运算器件，其特征在于，该器件用于对一组不同波长的图像进行图像边缘提取，实现超快速、实时、大通量的图像处理。
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