CN1174615A - 利用干涉的频率多路化逻辑,放大和能束控制 - Google Patents

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Abstract

利用各自具有与通道频率匹配的能束组的多个频率多路化输入(10,11)在一单个装置内各单独的通道同时地进行频率多路化逻辑、放大、和能束控制功能的装置和方法。对每一通道一个地同时产生一组干涉图象(12、15),将来自图象的能量加以分离以生成频率多路化的输出(17)。在各单独通道上执行的各个功能为每一通道图象内的相长干涉和相消干涉的结果。

Description

利用干涉的频率多路化逻辑、放大、和能束控制
技术领域
本发明是关于光学计算机和光子晶体管功能，如放大、布尔逻辑、和控制能束信号的频率多路化。
背景技术
美国专利US NO.5093802含有本发明的基础技术。它采用受调制和未受调制的波动型能量的输入能束之间的干涉。这些功能以一条纹成分分离器、如一掩膜中的相长和相消干涉成分区加以定义，此分离器用来由至少一成分区分离能量以提供至少一个输出。干涉在能产生干涉条纹和所述的各种不同输出的相干能量的输入能束之间产生。
该发明提供有数种功能，包括：二输入“或”，“异或”，反相器，和放大器，以及各种不同的双稳装置，它们全都具有叠加在单个频率波上的波形。现有技术所欠缺的是一单个装置中采用多载波频率的多个独立功能的频率多路化或同时操作的任何装置或方法。
在撰写美国专利NO.5093802时已意识到这样的装置不限于一定的波长，如下面的US NO.5093802的纵列11行14中所指出的：
“由于分割干涉条纹的成分区，如本发明所要求的不受所采用的波动型能量的波长的限制，工作波长可由电磁能谱的视觉范围选择。这样，一组多个输入如(104)就能作为直接的可视显示数据。同时或快速连续地利用多个波长，其多个输出就能作为一完全的彩色可视显示的功能。”
当一组装置被设计来在大于一个波长、如为产生一完全彩色显示所需的红、兰和绿的波长运行时虽然要求有“多输出”和因此的多个成分，但为在一单个装置中完成同时的频率多路化操作的概念和机制则还不明显。稍后，在发明了实现频率多路化的装置之后，申请人也认识到频率多路化的优越性。
本发明的说明
本发明为提供频率多路化功能包括逻辑、放大和能束控制的装置和方法。一组公共镜片在一单个装置内的独立频道产生同时发生的独立功能。频率多路化输出的各单独通道包含各单独地在通道上执行的各单独功能的结果。
输入能束包含多频率能量，其中，各单独的频率通道起以本发明中所用的信息独立地调制的独立的载波的功能作用。本发明具有多个这样的频率多路化输入。干涉同时在所有输入之中产生，对各载波频率通道生成分开的干涉图象。因为采用公共的镜片产生干涉，所以在同一通用区中的所有图象均欲相互重叠，虽然会发生某些频率分隔。
虽然重叠图象可被叫做一组合图象，而事实是一单个通道中的调制变化仅在由该特定波长的能量产生的干涉图象中引起变化。由其他通道的能量所产生的其他图象则不受影响。
图象成分分离器，如一掩膜，使得能量可因为它们与各单独图象的关系由一或多个被专门选控的位置传送到输出。由于重叠的结果，同时从这些相同位置上由各单独图象进行输出。利用来自各单独通道的能量执行的功能取决于该通道输入能束的调制特性、该通道的干涉图象的形状，和欲由其取能量的图象中的位置。这些参数依靠适当选择和定向光学元件和依靠各单独通道的调制格式和相位的选择来加工进一特定的装置。
因此，按照它们与所采用的公共镜片的关系的各个通道的各单独参数，本发明可以为一通道提供逻辑“与”，为另一通道提供逻辑“或”，为第三通道提供放大器，等等。
在采用公共镜片时，输出也是作频率多路化的，并且它含有单独地执行本发明中的功能的各通道内的结果，
频率多路化逻辑具有降低为控制许多信号所需的光学部件数量的优点。例如，一完整的频率多路化字的各个比特可由控制一单个装置的输入信号来单个地或成组地接通和断开。
本发明可采用任何产生干涉的波动型能量来实现，包括声波、运动粒子波、和电磁波。但对声波和粒子波进行多路化比采用电磁波困难，因为所涉及的波长以不同的速度作用。不过本发明将利用这些另外的能量型式运行。从而，这些另外型式的能量可被用来提供采用干涉的图象检测和多速电子控制：为了一致性和理解，这里将采用光学术语。
全息图由多个能束或多组能束产生干涉图象。由于全息图，特别是计算机产生的全息图是实现本发明的方便途径，下面将对本发明的输入描述成为多组就象是一单个能束那样被作一齐调制的能束。这样做是因为许多射线、即能束组合以产生全息干涉图象、即条纹。然后多组输入能束一致地动作来产生确定输出的各种不同的干涉图象格式。
全息图还能产生作频率补偿的重叠图象，以使得各单独通道图象的重叠位置能被按照匹配某一定的图象成分分离器所需地定位。计算机产生的全息图还能被用来生成此图象成分分离器。这使得全息图象设计者能对本发明生成复杂的光学设置，它们能产生带有匹配加工的图象成分分离器的被加工的干涉产生镜片以使得此镜片能被加工来提供特定通道上的特定功能。
美国专利5093802和作为本申请的继续部分的美国专利申请NO.08/357460(Dec16，1994)中描述各单独的频率通道中发生的基于各单独的干涉的功能，其中前者说明采用单个频率图象(“条纹”)的某种基于干涉的功能，后者说明“特殊干涉”的应用。下面概略地解释这些单独的功能的运行。
干涉由单色(或准单色)能量叠加产生。干涉将来自输入能束重新分配到由发生相消干涉(DI)和相长干涉(CI)的区域构成的干涉图象、即条纹。当此干涉图象的一部分被分离到输出时，其输出波形取决于由之取得输出的图象中的位置，并取决于输入能束的受调波形。在由于一或多个能束的调制而发生输入能束的各种不同的瞬间组合时，来自任一位置的输出幅值为来自干涉输入能束的能量的瞬时向量和。如果输出取自许多位置，则此输出将是取自图象中每一个位置的信号的组合。
当在一指定的输入能束调制格式的状态或关系期间在图象中一定位置发生DI则该位置可被称一“DI位置”，即使同时在该同一位置发生DI、CI的许多组合和其他能量组合。“CI位置”也是这样。这种设计提供受调输入能束的瞬时关系与由来自该特定位置的输出能量得到的输出关系之间的适宜的基准。
当来自DI位置的能量提供输出，输入能束作二进制调制时，输出遵循附加有调相成分的布尔“异或”功能。如果一能束保持运行，即产生“非”功能。如果另一输入能束作模拟调制，输出即具有被反相的波形。如果由一CI位置分离能量且一能束保持运行，则输出即为具有大于受调输入中能量总数的受调能量的被放大的信号。如果二输入均作二进制调制，就产生“或”功能。由图象中其他位置分离能量产生具有各种相位调制特性的输出波形的其他组合。
本发明是对采用杨氏干涉的美国专利NO.5093802的改进，这样就可能在一单个装置中同时完成多个独立的作频率多路化的功能，而不再需要从前那样要求各频率分开的装置。
特殊干涉加以现在能为作频率多路化操作与本发明相结合的大范围的基于干涉的功能。
杨氏干涉包括任何类似于传统的双缝试验的那些产生在其干涉图象成分中的能量关系的干涉类型，而不管哪一种型式的干涉器被用来产生它们。用于杨氏干涉的数学关系在下面特殊干涉基本讨论中加以定义，取自专利中请NO.08/357460。基本运行理论
申请人认定，在采用第一类型特殊干涉的纯粹相长干涉位置上的能量幅度和强度可以利用所用的幅值方法的标准向量和与其他干涉现象的适配来加以计算。
对于强度的基本公式已由余弦定律推导出并只考虑二输入射线。
该公式是：
A＝第一能束的幅值；
B＝第二能束的幅值；
θ(theta)＝二能束间的相位差；
强度＝I＝A2+B2+2ABCOS(θ)
总的幅值Tci＝I的方根，正如A2＝幅度A的强度。
在相长干涉(ci)区的中央，θ＝0，和COS(θ)＝+1。在相消干涉(di)区的中央，θ＝180°，和COS(θ)＝-1。结果，在此二位置的二幅值的向量和也是幅值的代数和。
在ci区中此二射线同相位，故其和具有该同样相位。因而此强度等式为Ici＝A2+B2+2AB＝(A+B)2
在di区中，二射线异相，故向量和为二振幅在最大时的相位时之差。如果它们相等，代数和为零。此di强度等式成为Idi＝A2+B2-2AB＝(A-B)2
这两种情况可被看作为三个不同射线的向量和，分别标为B1、B2和U。在di区，B＝-B1＝B2，故U为A与B间之差，而A＝B+U。
当A自身在运行中时，位置1处的幅值为B1和U的向量和。其强度为(B1+U)2。
在能束B2进入运行时它与最初的二个组合，由于它与B1和U相位差180，幅值和强度的总数如式1所示。
式I，对于所有干涉类型的di位置：
   T1＝Tdi＝B1+U-B2＝U
   I1＝Idi＝(B1+U-B2)2＝U2而由替代得到：
   I1＝Idi＝A2+B2-2AB
      ＝(B+U)2+B2-2B(B+U)
      ＝B2+2BU+U2+B2-2B2-2BU
      ＝U2
这恰恰是所期望的，因为幅度作代数相加，而强度是幅值的平方。
这表明，小于第一能束的异向能束的相加得到具有等于二者差值的能量。如果看作为三个能束之和，其中二个幅度相等但符号相反，第三能束等于在所有三个被相加之后余留在该位置的能量的幅值。
干涉过程在干涉图象内对能量重新定位。由di区消失的能量的相当值出现在ci区。如以上所示，当二不等的能束作相消干涉时，di区中并非全部能量均被重新置于ci区。剩余下的恰恰等于二不相等能束间之差。这一剩余能量未被更换位置，它继续到达di位置。因此，这一剩余能量可被称为“未被转移”能量，因为它未被干涉转移到ci区。
结果，人们就可以将显然由di区消失的能量说成是“被转移”能量。
在杨氏ci区中，在杨氏干涉的情况下，在仅一个能束在运行中时到达第二位置，即ci区的能量的幅值为A。A可被认为是二幅值B1和U之和。
而当能束B2进入运行中时它与首先的二个相组合。因为它与B1和U同相位，B＝B1＝B2，而幅值和强度的总和如等式2中所示。
等式2，在放大或饱和状态中的杨氏干涉：
T2＝Tci＝B1+U+B2＝2B+U
I2＝Ici＝(B1+U+B2)2＝(2B+U)2而且在饱和时有：
I2＝Ici＝A2+B2+2AB
     ＝(B+U)2+B2+2B(B+U)
     ＝B2+2BU+U2+B2+2B2+2BU
     ＝4B2+4BU+U2
          ＝(2B+U)2
这也正是所期望的，因为幅值作代数相加，而强度是幅值的平方。
在这种情况下，杨氏干涉在仅有一能束在运行中时使能量被导引至这一ci位置。当第二能束进入运行时，来自di区的能量被转移到ci区。如此上所示，被干涉加到ci区的能量严格等于由di区移走的能量。
因此存在有二相等的部分，B1和B2。一来自能束A和另一个来自能束B。二者之间的差为U。
在ci和di两种情况下，U均保持不变。它被称之为“未被转移”的能量。虽然，即使在ci区它亦维持不受B1与B2间发生的干涉的影响。
如果B升高到等于A，在二位置U都降至零。在di位置所得的干涉图象完全成为黑的，在ci位置的强度成为4A2＝4B2。全部能量均传播到干涉图象。
当A与B不相等时，所形成的图象可被看成是二图象之和。一个图象是由部分B1和B2形成的熟知的干涉条纹型式的干涉图象。另一图象是一始终一致的斑点，部分之间没有对比度变化，其幅度为U，其强度为U2。
因此，二不相等的能束间之差U，可被恰当地称之为“未被转移”的，因为当B1和B2截止时它以同样的形式到达同样的位置。
B1和B2被恰当地称之为“被转移的”能量，因为为了形成干涉图象这种能量被作了重新配置，即被作了转移。在此图象中来自di位置的能量被转移到ci位置，与来自只要不存在干涉总会到达的另一能束的相等的能量相组合。
在特殊干涉中，当仅有一能束在运行中时不对位置2即ci位置有任何传播。这是因为能束与di位置比较很小，并仅被引导向di位置，和不扩展到覆盖最终ci要发生的位置。
di区的功能恰如上述，具有与B异相的来自A的两个同相能束。
ci区在不存在干涉时没有能量。最重要的是它没有”未被转移“的能量(即U＝0)。
当第二能束(B2)进入运行时，发生干涉产生干涉图象，由di位置移走能量(B2-B2)，留下U作为剩余能量。
由di位置移走的能量被转移到ci位置作为B1+B2。它具有强度(B2+B2)2。
经过替代得到：
  I2＝Ici＝A+B+2AB
     ＝(B+U)2+B2+2B(B+U)
     ＝B2+2BU+U2+B2+2B2+2BU
     ＝4B2+4BU+B2
     ＝(2B+U)2
但是，在这一位置U＝0，产生如等式3中所示的重要关系。
等式3，放大或饱和状态中的第一类型干涉：
  T2＝2B
  I2＝(2B+O)2＝4B2
这样即为振幅和强度双方推导得第一类型特殊干涉的等式。
任一应用中的总能量取决于ci面积和di面积，因为它们可能由许多射线、甚至数千或数万射线构成。全部能量可被扩大来覆盖很大的面积，或者聚焦到很小面积。输出特征将是大小、位置和输出面积相对于图象的图象成分分离器的图象面积之比的功用。来自非纯粹ci或di的图象的其他部分的传播能量也传播到发明的整个运行中。
这些等式对放大和限幅过程的重要性不能加以夸大。作为示例，被定向到位置1的基本恒定功率能束A和一控制能束B(小于A)在位置1和2产生干涉图象，di在1，ci在2。
输出强度为4B2，幅值为2B。在镜片损坏或其他将实际改变此设置的其他因素的极限之内A在怎样程度上大于B无关紧要。被转移到输出的能量正比于控制能束B。
当控制能束为幅度调制时，输出也为幅度调制，具有控制能束的幅度的二倍。在输出波形的信息承载部分的能量被加倍。与采用杨氏干涉的现有技术的放大器不同，本发明不生成剩余输出U，不对干涉图象传播的未转移的剩余能量。
只要此受调能束小于此恒定能束，输出就将被放大。输出幅值总是二者中的较小者的双倍。
下面考虑在受调控制能束升高到恒定的功率能束的能级之上时发生的情况。在B＞A时，任何时刻输出均将为二者中较小者的二倍。这与上面等式中更换能束名称相同。因为较小的一个也就是恒定的一个，不管B被作怎样强的调制，输出均将为恒定的2A，仍然要在不破坏或改变光学设施的范围之内。这种情况称为“饱合”。所有可能来自能束A的能量均被转移到输出。
因此，本发明的放大曲线是非线性的。以光速运行的非线性镜片能完成许多否则是不可能的任务。已收调波形在二输入能束相等时将受到限制和箝位。
第二类型物殊干涉也能被看作是具有三个成分的幅值。功率能束(A)被定向于di位置，它不会被导引至ci位置，正如同第一类型特殊干涉那样。
控制能束(B)被定向于二个位置。因而这一类型的干涉将不会在一单个阶段中产生一逻辑“与”，但它构万一理想的放大器。
当控制能束截止时，I2＝0，I1＝B1+U。
当控制能束小于基本恒定的功率能束时，A＝B1+U，B＝B2。位置1的幅值将为B1+U。
等式U，放大中的第二类型干涉；
    幅值＝T2＝B1+B2＝2B
    强度＝I2＝(B1+B2)2＝4B2
这与采用第一类型特殊干涉时同样。当设置进入饱和时出现差异。发生这种情况时，等于B-A(因为B较大)的未被转移的能量(U)不来自功率能束。在这种情况下，剩余能量来自被直接定向到输出的控制能束。因而，饱和期间的输出如等式5中所示。
等式5，饱和中的第二类型干涉：
  幅值＝T2＝B1+B2+U
      ＝2B+U
      ＝2A+U
  强度＝I2
      ＝(B1+B2+U)2
      ＝4A2+4AU+U2
因为A为常数所以放大减弱。功率能束的所有可能的能量均转移到输出。B的进一步增大未被加倍的U的大小。在求平方以生成强度时，因子4AU表明存在着与来自干涉图象的其他部分的能量的某种交互作用，但U保持相同。
结果，在B＜A时，这一第二类型特殊干涉象第一类型特殊干涉性能一样。但它在B＞A时性能与杨氏干涉相同。放大仍有某种限制但不被箝位。宽带和窄能设置：
上述过程是与相位相关的，由di位置移走的能量被重新送到ci位置。但如信号在其他相位到达第一位置时会是什么？在这种情况下，ci位置在其他的地点，结果是近似于调相信号的二进制操作。为使ci位置与输出位置相同输入将必须绝对为异相的。
实践中，所用的镜片将必须以波长单位和波长大小加工。大部分光学设置依赖于来自于输入能束的多个交叉点的能量的平均。由这些多个点能量的平均产生熟知的正弦波干涉条纹。
如果放大器被加工成包括大量的这种点以便应用此平均原理，则它将具有宽的带宽并将能具有应用多个输入频率的功能。输出位置的作用就好像一组每一个采用单独射线组的边靠边地排列的控制器。
在这种情况下，输出通路包括大量波长大小的位置。对于稍有不同的相位和稍许不同的频率，每对输入位置中的ci位置将在稍许不同的输出位置。如果这些位置恰都在此通路的区域内，能量就将输出。如果不是则无输出。
近代的镜片能以波长大小运行。波长大小输入能束和波长大小输出通路将产生与多位置平均式的镜片相当不同的操作过程。镜片越精确，为使得ci区命中输出通路相位和频率就必须越精确。
为了使ci区命中波长大小输出通路，波长大小的精确性将使得在第一位置上只有当相位足够地接近180°时调相信号才输出。由模拟调相信号的输出只有在二输入严格地为异相时才为二进输出。
如果采用多频率，将能命中输出通路的仅有频率将是那些符合使ci位置是微输出孔时的波长几何条件的频率。
因此，每一方法和每一装置均必须被加工来产生所需的放大器型式。如果一相位解调器要以模拟输入运行，它就将必须是平均多位置(宽带)式。如果它要在二进制电路中运行，则单个的波长大小位置(窄带)式将十分良好地工作。
借且利用具有一共用的第一位置、但分开的输出位置的多个波长大小控制器，有可能产生相当大数量的组合操作，从而能同时处理各种不同的信号。
由定向到一共用信号的不同位置输入能束能产生一频分多路分配器。每一不同频率将在不同输出位置生成其ci。如果各输出位置在图象在分分离器中具有其自己的输出通路，输入中的一组复杂的频率将被分离成独立的输出。同时它将滤出其当中的任何频率，因为设有用于这些频率的输出通路，和设有提供符合的输入频率。
如果控制输入被导引至一共用位置和采用多个功率输入，各自具有不同的频率和不同的位置，就可将几何结构安排成使ci位置全都符合，以产生一非常准确的频率可选滤波器。所有符合一功率能束的频率均将在公共输出通路有它们的ci。所有其他频率都没有。这种设置与宽带平均设置间的区别是每一个通过滤波器的频率均必须佳精确地符合功率能束的频率和相位。在波长大小，滤波器能提供任何已知手段的最佳选择，特别是在光波频率及以上。
由前述讨论可见，当那些向量组合被一图象成分分离器由一干涉图象的各种不同部分分离时，相干能量的向量和产生大量不同的逻辑、放大和能束控制功能。这些向量组合如何利用任一类型干涉来生成取决于用于产生干涉的镜片和相干输入能束的相位和幅值关系。结果，这里的许多对“相长干涉”和“相消干涉”的基准可应用到一干涉图象内能量的所有可能的向量组合，不管向量和是产生最大、最小或中间的什么值。术语“相长干涉”可包括任何大于或等于简单的强度相加向量结果，而术语“相消干涉”可包括任何小于简单的强度相加的向量结果。不过在讨论相位关系时，这些术语用于存在这样的相位关系时的最大和最小。
专利申请NO.08/357460和专利NO.5093802说明怎样利用单一频率的相干能量来完成能束控制、放大、和逻辑功能。总起来说，这些产生基于干涉的功能的装置和过程被叫做“光子晶体管”，因为它们能利用光子来完成正常由利用电子晶体管完成的任务。
本发明增加频率多路化操作的基本原理来对一单个装置内的各单独的频率多路化通道同时提供所有的独立光子晶体管的基于干涉的功能。结果，单通道装置能被连接到频率多路化装置，而频率多路化装置则能在象单通道装置同样的组织安排中加以相互连接。本发明的优点是，各单独的复合操作能采用单一组镜片按照多通道来运行。
频率多路化所赖以依据的基本物理过程的一个重要部分最早是在十九世纪验证的，当时将具有数个谱线的光首先通经一Fabry-Perot标准器，然后再通过一三棱镜。标准器产生一组合的多频率干涉图象。由三棱镜作的随后的频率分离将组合图象每一波长一个条纹地分离成一组各单独的干涉条纹。在将输入缝隙作得非常窄时，三棱镜分离出各条纹的很小部分。
这一过程今天被用来正确地确定数个谱线的相对波长。许多基本镜片文章中有对这一过程的说明，如FrancisA等的“镜片基础”(Copyrights 1976，Mc Graw-Hill)。在该说明和所附照片中，申请人注意到它的一些运行特性，大大超出所讨论主频范围，作者显然未加讨论或理能。就申请人所知，这些特性迄今还没有在任何科学杂志中指出或加以说明过。特别是，尽管由此标准器同时产生了许多干涉条纹，因为存在着其他波长间的干涉，分开的图象没有经受任何畸变。这一点指明，任何可能发生在一个波长的变化，不会影响在其他波长所产生的图象。
申请人还注意到，标准器仅具有一个光输入，这与光子晶体管不同，后者需要二个或更多的输入以便能利用输入信号的各种不同的组合来产生干涉图象的各种不同组合，然后可将它们分离来产生输出中的各种不同功能。
将频率多路化能束的能力组合来产生具有光子晶体管功能的独立的但相重叠的干涉图象已取得本发明的成果，即频率多路化逻辑、放大、和能束控制。
单频率输入依靠相对输出位置限定输入能束来产生放大、能量控制和逻辑。在本发明中，采用多频率通道作为输入。将信息作多路化进各单独通道不限于本发明。采用宽带镜片以便能保证被作多路化的信息的整个频谱频带能在由各单独干涉图象中所选择的特定位置分离后通过进入输出。
尽管在申请人在对原始的光子晶体管专利NO.5093802的工作中，看来还必须设法能设计本发明来接纳多个波长，完成过去所欠缺的基本装置。只有在作相当大努力和研究后才能确定为完成频率多路化操作所需的具体机构。只有做到这一点才能明确对各通道波长产生各单独干涉图象，因为各单独干涉图象的CI和DI区通常并不准确地位于相同位置而需要宽带镜片。
每一通道所用的准确的频率必须被选择得使输入信号混合所产生的中间频率不致串扰进其他通道。一经适当地选择，由各单独频率产生的干涉图象将相互独立地起作用，即使它们被置于具有来自图象成分分离器中的公共输出位置的输出的同一通用场所上。
频率多路化输出的各个通道的性能作用与以上对单频率设置所述相同，除开现在是在同一光学设置中同时发生许多操作。因此，本发明提供频率多路化逻辑、能束控制放大，而无需将信号作多路选择进分开的装置来进行处理。
将来自全息图象的能束概念与有效功能频率多路化相结合，产生一执行频率多路化逻辑、放大和能束控制功能的全面的装置和方法，它包括下列步骤：
1.产生包含有具有以经编码信息调制的至少一个波长的至少一个能束的第一组能束组、和具有以经编码信息调制的至少一另外的波长的至少一个能束的至少一第二组能束组的第一频率多路化输入；
2.产生包含具有以经编码信息调制的所述至少一波长的至少一个第三能束的第三组能束组、和具有以经编码信息调制的所述至少一另外的波长的至少一个能束的至少一第四组能束组的第二频率多路化输入；
3.以所述第一组和第三组能束产生第一干涉图象，以所述第二和第四组能束产生至少一另外的干涉图象；和
4.由所述第一干涉图象内至少一位置和所述至少一另外的干涉图象内至少一位置分离能量以提供具有在所述至少一波长和所述至少一另外波长的能量的至少一个输出。
其中所述功能是以在所述至少一位置的相长和相消干涉为基础的。
本发明申请中所采用的“调制”包括连续运行和连续截止的状态，如有效的二进制逻辑状态的情况那样。
具有相同波长的第一和第三组能束构成一单个通道的二最小输入。在“至少一位置”的图象成分分离器将第一干涉图象加以分离以产生“至少一输出”。
具有另外的波长的第二和第四组能束，组成另外的通道所需的二最小输入。来自此“至少一另外的波长”的至少一另外的干涉图象的能量也被由此“至少一位置”分离进此“最少一输出”，
很显然，许多具有多组能束的多通道可利用这一基本装置和方法由所产生的多图象内的许多位置产生许多输出。事实上，电磁能谱的很宽的部分能被加以通道化来提供含有成千成万的独立的同时的功能的频率多路化功能。这样的设置仅受为组织、定向和产生能够恰当地将许多干涉图象与图象成分分离器的输出位置对准的宽带镜片的加工能力。
放大功能可在一单个通道上利用基本发明如下所述执行：
1.将第一干涉图象布置成能在所述第一干涉图象内在所述至少一位置发生相长干涉；和
2.保持所述第一组能束为一基本恒定的高于零的电平，
由此以产生所述至少一波长的具有来自受调第三组能束和恒定的第一组能束双方的能量的输出，来提供对所述至少一第一波长的放大。
然后就可以恰当地调制对通道的输入信号和由该通道的干涉图象中CI位置分离能束对任一通道进行放大。
所有的逻辑功能均可在一通道上进行，以数字信息调制输入信号然后由适当的干涉图象中的一或多个位置分离输出来完成所希望的逻辑功能。
在这种情况中，第一和第三组能束以数字信息调制，由此来提供基于所述至少一波长的所述第一干涉图象中的相长和相消干涉的频率多路化数字逻辑。
同样对于其他的通道，第二和第四组能束被以数字信息调制，由此来提供与之同时的但独立于基于所述至少一波长的所述第一干涉图象中的相长和相消干涉的所述频率多路化逻辑的基于所述至少一另外波长的所述至少一另外的干涉图象中的相长和相消干涉的所述频率多路化数字逻辑。
本发明提供应用基于干涉功能的频率多路化能束控制。
本发明还提供应用基于干涉功能的频率多路化放大器。
本发明也提供应用基于干涉功能的频率多路化布尔逻辑。
本发明还提供包含布尔逻辑、放大、和能束控制的频率多路化的基于干涉的功能。
通过对附图、附图说明、执行本发明的最佳方式、和随后的权利要求的研讨，前述本发明的优越性将更为清楚。
对所列附图的简要说明：
图1为表明基本的频率多路化能束控制器如何运行的运行图；
图2为利用向量来说明和分析图1和3的装置的运行的能谱图；和
图3为说明采用全息图镜片的频率多路化能束控制器一实施例的运行的运行图。
请注意，为了便于清楚地理解，(图中的)能束角度、大小和比例均作了夸大。
实施本发明的最佳方式
图1为表示本发明一基本实施例的透视图，来自一第一频率多路化输入(10)的能量被叠加到来自进到图象成分分离器(15)的第二频率多路化输入(11)的能量上。
第一频率多路化输入包括多个包含多个不同波长的通道，各通道具有至少一波长的能量第一组能束。显然，任何附加的通道各自将具有其他的另外波长的载波能束组。
因为多波长也可以相同的信息加以调制，所以说成是第一组能束具有“至少一波长”的能量。
第二频率多路化输入(11)还包括多个不同波长的通道，其中含有具有与上述第一组能束相同波长的能量的第三组能束，和具有与上述第二组能束相同波长的能量的第四组能束。
各频率多路化输入中的每一频率多路化通道被以用于控制基于干涉的功能的信息分开地调制。
输入(10)和(11)间的干涉产生重叠的干涉图象(12)和(13)。第一干涉图象(12)由在图2中标明为(24)和(25)的第一和第三组能束产生，至少一另外干涉图象(13)由图2中标明为(28)和(29)的第二和第四组能束产生。此第一、第二、第三和第四组能束(24)、(25、)(28)和(29)在图2中表示为向量。它们在图1和图3中未被专门地表示作为独立的单元，因为每一个均是以多个单独的能束组成的。
(12)的剖面线表示第一干涉图象的欲被分离进至少一输出(17)的那部分。(13)的剖面线也为该至少一另外图象的欲被分离进至少一输出(17)的那部分。
(16)的剖面线为二图象的二个均要被分离进至少一输出(17)的重叠面积。
在这种情况下，图象成分分离器(15)为一其中带有开孔(14)的掩膜。因为其相对于图象的定位和取向，开孔(14)使得来自图象的所希望的组成部分的能量能传送到输出(17)。
图2表示本发明一更复杂设置的能谱图。能谱(20)、(21)和(22)代表频率多路化输入。能谱(23)为频率多路化输出。沿着各水平线的幅度向量代表各不同频率通道。各不同输入和输出的向量垂直向上。(相位角未加表示)。
例如，向量(24)、(25)、和(26)代表紫色输入。它们组合形成一紫色干涉图象。被分离的紫色输出以向量(27)代表。这构成紫色通道。同样的设置也被表示为兰色通道向量(28)、(29)、(30)和(31)，黄色通道向量(32)、(33)、(34)和(35)，橘红色通道向量(36)、(37)、(38)和(39)，红色通道向量(40)、(41)、(42)和(43)，最后，红外能通向量(44)、(45)、(46)和(47)，显然，如果要采用白色通道化的光线，则会有比一简单的图形说明所能表示的多得多的通道。
结合图1和图2一齐考虑，频率多路化输入(10)具有一通道化的动态输入能谱，对于一给定示例，类似于能谱(20)。对于此同一示例，频率多路化输入(11)象能谱(21)。因为图1是一二输入装置，所以不用能谱(22)。
由向量和(24)的和(25)所代表的各通道均具有由公共的宽带镜片(图中未示出)所产生的自己的干涉图象(12)，并具有它的从该图象分离的输出(17)。每一通道独立运行产生向量化的输出，它是对图象成分分离器(15)的开孔(14)内所有位置的它的向量输入的向量和。
图3表示一采用全息图的更复杂的设置。此图可用于说明数种输入能谱类型。频率多路化输入为(50)、(51)、(52)和(53)。由于一可能的调制组合包括一个其中所有的通道除一个外均截止，所以这些输入也可以是单色的或准单色。准单色输入通常具有数个全都以同样信息调制的相接近的频率线。
实现本发明的最方便的途径之一是采用计算机生成的全息图。全息图(54)、(55)、(56)和(57)可以是各单独的全息图或一较大全息图的子全息图部分。一次跟踪一个通道，可以理解各通道是如何独立地运行的，以及在特定的光学结构上它是如何与其他通道相关连的。首先我们追寻带有输出(27)的紫色通道。
频率多路化输入(50)的能量与能谱(20)匹配，并被导引到全息图(54)。各象素，如(60)、(61)和(62)调整到达该象素的能量的相位、方向和其他性质，就象该位置的全息图是一小组光象元件。这些元件可由计算机程序确定并产生适当的干涉图象。
发自象素(60)、(61)和(62)的箭头构成讨论中的特定通道(波长)的能束组的部分。整个能束组包含它们在发射紫光时来自所有全息图(54)的象素的能量。
全息图(54)被设计来提供象素大小的光学元件的配位，以使得来自输入(50)的能量能被导引向图象成分分离器(72)。在此产生一紫色通道图象，图象(73)。
为完成能量控制、放大、和/或逻辑，至少需要二个输入。与能谱(21)匹配的频率多路化输入(51)，由象素元件和全息图(55)中的(66)、(67)和(68)导引来将它的能量和调制格式传播到图象(73)。来自全息图(55)的紫色能束组是来自全息图(55)的所有发射紫色的象素来的所有能量，每一发射象素提供一能束至能束组。由于频率多路化输入(51)的紫色通道是作整体调制的，所有来自全息图(55)的细小紫色能束也以同样的信息(25)调制。但是，频率多路化输入(50)中的紫色通道以不同的信息(24)调制，这进而使得来自全息图(54)的紫色能束组的全部细微紫色能束均以公共信息调制。
频率多路化输入(52)以信息(22)调制，并由带有示倒象素(69)、(70)和(71)的全息图(56)定向。来自频率多路化输入(50)、(51)和(52)的三个调制格式然后被加以组合来产生动态干涉图象(73)。
图象(73)包括CI和DI成分，它们在对该紫色波长的输入幅值和相位变化时改变位置。结果，该波长的能量即跟随各种不同输入信号的瞬间输入向量(24)、(25)和(26)改变。
所执行的功能还取决于通道图象内由其分离能量的位置。在象素位置(76)和(77)可以采用象素大小的反射器来分离和导引能量至一共同输出(78)。输出(78)将含有到达位置(76)和(77)的能量的向量和，它是来自按全息图(54)、(55)和(56)配置的频率多路化输入(50)、(51)和(52)的图象(73)中能量的向量和。因此，输出(78)就是频率多路化输入的完全能计算的结果。
频率多路化输入(53)是许多其他能被相加的可能的输入之一的举例。同样，它具有一产生干涉的全息图(57)和示例象素单元(63)、(64)和(65)，而且它还具有象其他一样的自己向量化输入通道组。
如果频率多路化输入(50)～(53)的任一个含有紫色通道的能量，则该输入即将向该通道的波长输出(78)传播能量。它将包含所有与由能束组合全息图(54)～(57)所产生的任何复杂成象设置相组合中的向量化结果。这些由复杂的紫色图象选择的组合向量产生在该通道上执行的各种不同基于干涉的单独的功能。对每一个其他通道也是同样。
下面可考虑另一通道，例如，带有瞬时输入向量(28)、(29)和(30)的兰色通道，它在兰色图象(75)内至少一位置产生输出向量(31)。
在这一情况下，有三个具有兰色成分的输入：频率多路化输入(50)、(51)和(52)。导引紫色光线的同样的象素单元可能或者不导引兰色光线。总之，可能的象素单元之一可能是仅允许窄范围的通道通过的窄带滤波器。但是所有这些发射兰色光线的象素如(60)和(61)由频率多路化输入(50)组成兰色能束组。频率多路化输入(51)和(52)也具有它们各自的兰色能束组，如分别以发自象素(66)、(67)和(68)以及(69)、(70)和(71)的象素的箭头所示。
如紫色通道那样，兰色通道以经编码的信息独立地调制，但在各输入能束组中的每一细微象素能束均以同样信息调制。因此，改变兰色干涉图象(75)内的调制格式会改变图象中CI和DI的位置，而图象的形状及其与其他通道图象的关系则由每一象素的光学元件的定位、取向和类型，以及它们与同一全息图内的其它光学元件象素和图象成分分离器相关的方式所控制。
需要考虑输出分隔象素(76)和(77)。如由观察各图象轮部可知，输出象素(77)位于兰色图象(75)之内，而输出象素(76)不在兰色图象之内。因此输出象素(77)对(78)的兰色输出提供能量，而输出象素(76)则不是这样。
图2中向量(40)、(41)和(42)所示的红色通道是频率多路化输入(50)、(51)和(52)上的输入，导致产生红色图象(74)的来自全息图(54)、(55)和(56)的红色能束组。在这一情况下，输出象素(76)供给能量至输出(78)而输出象素(77)则否。
干涉是与波长相关的现象。因此通道图象要作相互间空间上的调整。这就意味着图象的部分重叠，及它们的部分不重叠。能构成图象成分分离器(72)的象素光学元件是静止的，所以任何传播到输出(78)的光线的幅值和相位取决于图象相对输出象素的位置，图象的哪一部分，CI、DI或其中间，出现在这些输出位置，以及输出象素镜片如何处理各能量分隔象素的能量的相位、方向和其他参数。
由对象素镜片陈列所产生的图象进行计算，计算机程序就能确定由各通道中的各种不同调制格式将得到怎样的输出波形，并由此确定为产生一理想的通道图象组该全息图中所需的象素镜片的最佳配置。光学输出象素单元组可以同样的方法计算，产生所希望的频率多路化输出。
另一输出示例由在图象成分分离器(72)中作策略布置的三个开孔(79)、(80)和(81)来说明。这些可以是象素大小的开孔或者每一个取图示多个象素位置的较大的开孔。就象输出象素(76)处的反射镜那样，这些开孔实际上可包含为在输出(82)进行组合时协调分离自各个位置的能量的光学元件。这些光学元件可能包括有透镜、反射镜、移相器、滤光器、或任何其他光学元件(组)，它们均被作为将能量导引至输出(82)的定位和取向。
在实施本发明中，可以采用能束组合镜片的实际限度之内的任何数量的频率多路化输入。在可被列入的通道数量方面的唯一的实际限制是所采用镜片的通带特性。所以，依靠将信息作频率多路化进输入和输入能束可实现大量的能束控制、放大和逻辑功能。因此，本发明可采用公用的镜片组或全息图、包括计算机产生的全息图来设计加工。
虽然本发明的上述说明揭示了实现本发明的特定结构、装置和方法，而由于对于计算光学装置等技术领域的熟知人员来说作特定的改善和修改将是十分显而易见的，所以申请人的目的将不是以任一上述说明来作限制，而仅仅以下面的权利要求加以限定。

Claims (10)

1.一种执行频率多路化逻辑、放大、和能束控制功能的方法，其包括以下步骤：
产生包含具有由信息调制的至少一波长的至少一能束的第一组能束和具有以信息调制的至少一另外波长的至少一能束的至少一第二组能束的第一频率多路化输入；
产生包含具有以信息调制的所述至少一波长的至少一能束的第三组能束和具有以信息调制的所述至少一另外波长的至少一能束的至少一第四组能束的第二频率多路化输入；
以所述第一和第二组能束产生第一干涉图象，以所述第二和第四组能束产生至少一另外干涉图象；和
由所述第一干涉图象内至少一位置和由所述至少一另外干涉图象内至少一位置分离能量以提供具有所述至少一波长和所述至少一另外波长的能量的至少一输出，
其中，所述功能是基于在所述至少一位置的相长和相消干涉。
2.按照权利要求1的发明，其中：
相长干涉发生在所述第一干涉图象内所述至少一位置，和包括有：
保持所述第一组能束在一基本恒定的高于零的能级，
由此得到所述至少一波长的放大。
3.按照权利要求1的发明，其中：
对所述第一和第三能束组进行调制的所述信息为数字信息，
由此提供基于在所述至少一波长的所述第一干涉图象内的相长和相消干涉的频率多路化数字逻辑。
4.按照权利要求3的发明，其中：
对所述第二和第四组能束进行调制的所述信息为数字信息，
由此与基于在所述至少一波长的所述第一干涉图象内的相长和相消干涉的所述频率多路化逻辑同时地并独立地提供基于在所述至少一另外波长的所述至少一另外干涉图象内的相长和相消干涉的所述频率多路化数字逻辑。
5.按照权利要求1的发明，其中：
所述至少一输出取自所述干涉图象内的多个位置；并包括有
在每一个所述多个位置利用至少一光学元件处理被分开的能量以便在其被导引到所述至少一输出时对来自每一个所述多个位置的能量进行配位。
6.用于波动式能量的频率多路化器，其包括：
第一频率多路化输入装置，包括具有以信息调制的至少一波长的至少一能束的第一组能束，和具有以信息调制的至少一另外波长的至少一能束的至少一第二组能束；
第二频率多路化输入装置，包括具有以信息调制的所述至少一波长的至少一个能束的第三组能束，和具有以信息调制的所述至少一另外波长的至少一能束的至少一第四组能束；
引导装置，导引所述第一、第二、第三和第四组能束以便以第一和第三组能束产生第一干涉图象和以所述第二和第四组能束产生至少一另外干涉图象；和
图象成分分离装置，由所述第一干涉图象内的至少一位置和由所述至少一另外干涉图象内的至少一位置分离能量以提供具有在所述至少一波长和所述至少一另外波长的能量的至少一输出。
7.按照权利要求6的发明，其中：
所述引导装置被定位和取向得能在所述第一干涉图象内所述至少一位置发生相长干涉，并包括：
保持所述第一组能束为一基本恒定的高于零能级的装置，
由此提供所述至少一波长的放大。
8.按照权利要求6的发明，其中：
对所述第一和第三组能束进行调制的所述信息为数字信息，
由此来得到基于所述至少一波长的所述第一干涉图象内的相长和相消干涉的频率多路化数字逻辑。
9.按照权利要求8的发明，其中：
对所述第二和第四组能束进行调制的所述信息是数字信息，
由此在与基于所述至少一波长的所述第一干涉图象内的相长和相消干涉的所述频率多路化逻辑同时而独立地提供基于在所述至少一另外波长的所述至少一另外干涉图象内的相长和相消干涉的所述频率多路化数字逻辑。
10.按照权利要求6的发明，其中：
所述至少一输出取自所述干涉图象内的多个位置，并包括有：
处理装置，用来在每一所述多个位置利用至少一光学元件处理被分离的能量以便在其被导引到所述至少一输出时对来自每一所述多个位置的能量进行配位。
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