专利名称：主动光学位相共轭方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学成像和集成技术领域，更具体地涉及一种主动光学位相共轭方法，特别适用于三维立体显示与摄影，高质量衍射极限成像，远距离和高能激光精确聚焦。同时还涉及一种基于主动光学位相共轭的成像装置和基于主动光学位相共轭的光开关，特别适用于计算机人机交换，机器人视觉，集成电路光刻，体信息存储，军事，能源，生物与光通讯网络领域。
背景技术：
传统光学系统利用光学透镜对波前的变换功能，实现光波会聚，发散，和成像，但它有一系列缺陷，例如存在包括球差、色差、场曲等在内的各种各样的像差，焦距单一固定，既使采用机械方式变焦也速度缓慢，另外大口径镜头加工困难，航空摄影容易受大气湍流影响，在大功率激光情况下，光学镜头容易发生热变形，降低成像质量等。
目前有各种各样的方法来克服传统光学系统各方面的不足，例如自适应光学，它采用一系列小镜片来代替整块大镜片，然后通过动态调整这些小镜片来改善光学成像质量，可显著降低大气湍流的影响。但每个小镜片一般尺寸远大于波长，难于集成，系统复杂，且调整速度有限。
再如二元光学，它采用大规模集成电路工艺进行制作，可以在一块元件上集成多种功能，实现光学系统的单片集成，大幅度地降低了光学系统的体积和重量，从根本上改变了传统光学系统的形式和加工方法等，但对光学成像质量没有根本改善，二元光学元件一旦加工完成，其功能和性能就是固定的。
再如光学位相共轭方法，它利用光路可逆性来消除波前传播过程中产生的畸变。光路可逆性原理是光学领域的一个基本原理，但是除了平行光束这样非常简单的情况，采用传统光学系统要实现光路逆转，特别是对严重变形的波前和动态变化的光场，是非常困难的。但是如果被光学位相共轭反射，一束光在传播过程中无论经过多少变形，都会通过逆变形，回到起点并恢复原始波前。但目前光学位相共轭的实现都依赖某种非线形光学效应，如受激布里渊散射(SBS)、四波混频等，无法人为控制光学位相共轭过程，我们可以称之为被动光学位相共轭方法。
尽管目前提出了各种各样的方法来克服传统光学系统的不足，但一种方法往往只改善了传统光学系统某一方面的不足，而不能满足其他方面问题，特别是高速、高质量、大尺寸立体显示与摄像、远距离与大功率精确聚焦等一些极限条件下的成像问题一直没有得到很好解决。
发明内容
本发明的第一个目的在于克服基于非线形光学效应的被动光学位相共轭方法的不足，提供一种主动光学位相共轭方法，实现不依靠精密光学镜头的三维高质量成像，特别是解决一些用现有光学成像方法很难解决的一些极限条件下的成像问题，如大尺寸立体显示与摄像、远距离与大功率激光聚焦等。
本发明的第二个目的在于提供一种基于主动光学位相共轭的成像装置，它可以实现衍射极限超高分辨率，三维空间多点同时成像，纳秒量级甚至更高速度的超快速变焦，同时它的关键部件可以采用大规模集成电路技术和微电子机械系统(MEMS)技术批量制造。
本发明的第三个目的在于提供一种基于主动光学位相共轭的光开关，它可以实现波分解复用与大型光开光阵列在单块光集成芯片(PIC)上的集成，实现全光交换与路由，同时它可以采用大规模集成电路技术和光集成技术技术批量制造。
为达到上述目的，本发明提出了一种主动光学位相共轭方法，当进行共轭发射时它包括如下步骤A、把相干照明光波输入具有模式分解和合成作用的光波导结构，在彼此隔离的光波导中产生只存在基模的光场；B、把假想目标分解为三维空间光点的线性集合，按照同一线性集合关系把每个三维空间光点经过A步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构后在彼此隔离的光波导中产生的基模光场进行叠加，在每根光波导中获得一个总光场；C、对A步骤中获得的彼此隔离的光波导中的基模光场进行位相和振幅调整，使得它们正比于B步骤中获得的同一光波导中的总光场的光学位相共轭；D、对C步骤中获得的彼此独立的光波导中的光场一一进行反射，使得它们逆向通过A和B步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。
当进行共轭反射时它包括如下步骤E、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，然后通过一个半透半反镜和光学透镜，其中半透半反镜位于光学透镜的焦距内且与光学透镜的光轴成45度角，光波导结构的光轴与光学透镜的光轴平行，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；F、在垂直于光轴的光学透镜的物方焦面上引入一个相干点光源，利用半透半反镜，在光学透镜的像方产生与光轴平行的均匀平面光，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场与均匀平面光发生干涉后的光场的强度以及均匀平面光自身的强度；G、利用步骤E和F测量结果计算出参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的位相，并移走相干点光源，半透半反镜和光学透镜；H、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，直接测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；I、保留参考相干光，同时让三维物体发出的相干光波经过E步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构，再次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；J、遮断参考相干光，仅保留三维物体发出的相干光波，又一次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；K、根据光学相干原理，利用步骤H、I、J三次测量结果和步骤E、F、G测得的参考相干光的位相，计算出三维物体经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的振幅和位相，然后对光波的位相进行调整，使得它们等于其自身的光学位相共轭，并使其反向通过同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。
本发明同时提出了一种基于主动光学位相共轭的成像装置，它由模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节器PAC组成，其中模式分离/合成转换器MSC由光波导阵列W1-7构成，光波导W1-7在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导W1-7的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导W1-7的横截面尺寸和长度，使得光波导W1-7中只产生基模，光学位相共轭调节器PAC由彼此独立的光学位相共轭调节单元PA1-7组成，每个光波导W1-7在互相隔离的一端耦合连接一个独立的光学位相共轭调节单元PA1-7，光学位相共轭调节单元PA1-7用于调节每根光波导W1-7中的光波的位相和振幅实现光学位相共轭。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC由初级模式分离/合成转换器MSC1和次级模式分离/合成转换器MSC2组成，其中初级模式分离/合成转换器MSC1由多模光波导WF1-5组成，光波导WF1-5的一端靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WF1-5的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导WF1-5在互相隔离的一端耦合连接一个次级模式分离/合成转换器MSC2，次级模式分离/合成转换器MSC2由光波导WS1-3组成，光波导WS1-3在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WS1-3的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导WS1-3的横截面尺寸和长度，使得光波导WS1-3在互相隔离的一端只产生基模，光波导WS1-3的数目等于每根光波导WF1-5中导模的数目，光波导WF1-5的横截面尺寸固定不变。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC中的光波导W1-7采用光增益材料制作。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC中的光波导W1-7在一端靠拢放置，并整体抛光镀制增透膜，光波导W1-7在另一端也抛光镀制增透膜。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA8由两个微反射镜M2-3，弹性支柱SP1-2，电极EI1-5和电极EO1-4组成，两个微反射镜M1-2分别由弹性材料SP1-2支撑制作在基片ME2上，微反射镜M1-2互相平行构成一个F-P干涉器，电极EI1-5制作在基片ME2上，与M2相对，构成平行平板电容，电极EI1-5的面积依次减小，并使得每个电极EI1-5分别施加同一电压时，引起的M2的高度变化依次减半，电极EO1-4制作在基片ME2上，与M3相对，构成平行平板电容，电极EO1-4的面积依次减小，并使得每个电极EO1-4分别施加同一电压时，引起的M3的高度变化依次减半，通过M3的高度调整反射光波的位相，通过M2-3之间介质的折射率或间隔调整反射光波的振幅。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA9由位相控制电极P1-6，位相补偿电极CP1-6，振幅控制电极BA1-4，振幅补偿电极CBA1-4，布拉格反射器B1-4和单模光波导W9组成，位相控制电极P1-P 6，振幅控制电极BA1-4，布拉格反射器B1-4，位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4沿光波导W9顺序制作，且位相控制电极P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，使得调制前后的光波皆经过位相控制电极P1-6，而位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后，拉格反射器B1-4沿光波导W9放置，使得它们分别依次处于反射状态时所引起的有效位相等量增加，且每个布拉格反射器B1-4上制作有相同数目和尺寸的振幅控制电极BA1-4，按照从长到短排列，位相控制电极P1-6的长度依次减半，位相补偿电极CP1-6的数目与位相控制电极P1-6相同，且每个位相补偿电极CP1-6的尺寸分别与P1-6相同，按照从长到短排列，每个布拉格反射器上的振幅控制电极BA1-4的长度依次减半，振幅补偿电极CBA1-4的数目与振幅控制电极BA1-4相同，且每个振幅补偿电极CBA1-4的尺寸分别与BA1-4相同。
所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA10由位相控制电极P7-16，振幅控制电极RA1-4，环形共振器RE1-4，输入光波导W10和输出光波导W11-12组成，环形共振器RE1-4沿输入光波导W10放置，使得它们分别依次处于共振状态时所引起的有效位相等量增加，工作波长相同的环形共振器RE1-2和RE3-4分别与同一输出光波导W11和12相耦合，每个环形共振器RE1-4上有相同数目的振幅控制电极RA1-4，按照从长到短排列，RA1-4的长度依次减半。
本发明同时还提出了一种基于主动光学位相共轭的光开关，其特征在于它由输入/输出光波导W13-16，模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节单元PA11-12组成，其中模式分离/合成转换器MSC由单模光波导W17-20构成，W17-20的一端以星型耦合器或多模干涉器或多重X结或重叠方向耦合器的形式耦合连接在一起，W17-20的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导W17-20再耦合连接对应不同波长的光学位相共轭调节单元PA11-12，输入/输出光波导W13-16直接耦合连接到模式分离/合成转换器MSC的前端，模式分离/合成转换器MSC中光波导W17-20的数目等于输入/输出光波导W13-16的数目，所有输入/输出光波导为单模光波导。
本说明书中所用术语说明(1)、有效位相平面光波或光波导中的导模，它们的光场分布是空间和时间的周期性函数，可以增或减2π的整数倍，即起作用的位相只是剩余的绝对值小于2π的部分，在本说明书中我们称其为有效位相。
本发明的基本原理是借助特定光波导结构把任意复杂的光波进行模场分离，并引导到彼此隔离的光波导，然后在这些只存在基模的光波导中进行适当的位相和振幅调整实现主动光学位相共轭，而不需要借助任何非线性光学效应，然后再经过同一光波导结构合成出该光波，现证明如下。
考虑图1所示的二维波导结构，该结构在垂直于纸面的Y方向无限延伸。它由两段无源介质组成，我们用I和II表示。在每一段里波导结构尺寸和折射率分布沿传播方向Z不发生任何改变。在每一段里沿正向Z传播的任意光波都可通过该段的本征模的叠加来表示，E(x,z)=Σi=1i=Nfi·E0i(x)·exp(-jβiz)---(1)]]>其中fi是各个本征模的系数，E0i(x)是各个本征模的横向模场分布，βi是各个本征模的传播常数，而N是计算中所采用本征模的个数。
在第I段和第II段的界面(虚线处)，我们用列矢量F1来表示从第I段入射的光波的各个本征模的系数，同时用F2表示透射到第II段的光波的各个本征模的系数，则根据模式匹配法有
F2＝T12·F1(2)其中T12是光波从第I段入射到第II段时的透射矩阵。
如果我们把F2取共轭，并把它从第II段反射到第I段，则类似地可以写出反射回第I段的光波的各个本征模的系数，F′1=T21·F2‾---(3)]]>其中T21是光波从第II段入射到第I段时的透射矩阵。合并(2)和(3)有F′1=T21·T12·F1‾---(4)]]>下面让我们重点考察F1中的第i个本征模，即令所有其他本征模的系数为零，F1＝
T，这里T表示转置。代入(4)式，并利用关系式T12＝T21T适当变换后可以得到F′1的第i个本征模系数为fi′=fi‾·Σm=1m=Ntm,i·tm,i‾---(5)]]>其中tm，i是T12的第m行第i列元素。根据能量守恒原则Σm=1m=Ntm,i·tm,i‾+Σm=1m=Nrm,i·rm,i‾=1,]]>这里 和 分别表示由上述第i个本征模入射后产生的总的透射和反射光波的能量。如果反射光波的能量非常小，可以忽略不计，则由(5)式有fi′≈fi‾---(6)]]>把上述分析用于所有其他本征模，应用(6)式，可以得到被位相共轭反射回到第I段的光波为E′(x,z)≈Σi=1i=Nfi‾·E0i(x)·exp(jβiz)---(7)]]>在上述(1)和(7)中，归一化的横向模场分布E0i(x)＝c1·exp(-jkix)+c2·exp(jkix)，它是两个相反方向传播的光波的叠加。对导模它是一个驻波，E0i(x)的位相不随X变化，这意味着两个相向传播的光波的振幅相等，|c1|＝|c2|，再加上Z向分量后，总的光波仍然仅沿Z向传播，无横向分量，即E0i(x)是一个实数。对辐射模它离开光波导，具有一定的横向分量，即E0i(x)是一个虚数。当模的序号i较小时，E0i(x)的虚部也较小。随着i的增加，E0i(x)的虚部逐步增加。另一方面对辐射模，由于exp(-jβiz)传播因子的作用，其振幅随传播距离的增加而减小。因此如果入射光波只包含导模，比较(1)和(7)，可以发现E′(x，z)≈E(x，z)(8)(8)式说明入射波以其共轭的形式被准确地恢复。对由多段介质组成的复杂结构，只要在最后一段光波被位相共轭反射，则根据(8)式，入射波与反射波的位相共轭会一段一段往前传递，直到入射波以其共轭的形式在第一段被准确地恢复，当然前提是在整个过程中只存在导模，如果存在辐射模，它会在传播过程中丢失，引起误差。
以上理论分析证明了可以不依靠任何非线性光学现象实现人工位相共轭，或者说主动光学位相共轭，同时它也告诉我们实现主动位相共轭的方法，其关键在于构建一种波导结构，通过该波导结构把目标光波分离引导到一系列彼此隔离的光波导，并在这些彼此隔离的光波导中产生单一模式子光波，然后主动产生与这些子光波相对应的位相共轭光波，这些主动产生的位相共轭光波逆向通过同一波导结构就可以合成出预定的目标光波。上述波导结构的作用一方面在于对目标光波进行模式分离，另一方面在于对位相共轭子光波进行合成，因此我们称之为模式分离/合成转换器。
为了实现上述主动光学位相共轭方法，可以用单模光波导阵列来组成模式分离/合成转换器，该阵列中的所有光波导在一端融合为一个互相耦合的整体，然后逐步分开，直到在另一端彼此之间的耦合可以忽略。采用单模光波导阵列是因为只有在单模光波导中才能对唯一的导模进行位相和振幅调整。在多模光波导中，存在多个模式，无法单独对某一个模式进行调整而不影响其他模式。因此如果涉及多模光波导，则它们必须工作在基模状态。另外光波导阵列中光波导的数目应该不少于入射光瞳处导模的数目，否则会导致一些频率成分丢失，或者会激发辐射模，导致光波损耗。下面是一个激发辐射模的例子。假设在某一界面，左边存在10个导模，而右边仅存在9个导模。由于第10号导模有10个峰，而第9号导模只有9个峰，对第10号导模，两边仅仅依靠导模无法实现模式匹配，这样必然会在右边激发第10号模，或更高次的模，而这些模都已经是辐射模，因此在传播过程中它们都会损耗消失，这样会导致整个位相共轭反射失效或产生很大误差。
上述基于主动光学位相共轭的装置可以用于光学成像，但它不同于传统的光学透镜成像系统，不能够简单地用焦距来进行描述，也没有简单的成像公式，然而一旦它所采用的模式分离/合成转换器的具体结构确定下来，它的光学特性也就确定下来。从上面的理论分析还可发现主动光学位相共轭是一种线性方法，因此如果我们预先标定出三维空间每一个光点经过模式分离/合成转换器后在彼此隔离的光波导中产生的子光波，那么我们可以把真实三维物体分解为一系列光点的线性集合，这些光点在彼此隔离的每个光波导中产生的子光波可以通过预先标定的函数关系确定，把这些光点在每个光波导中产生的子光波按照同样的线性关系进行叠加就可确定出该三维物体在每个光波导中产生的总光波。然后在彼此隔离的每个光波导中主动产生与这些总光波相对应的位相共轭光波，这些位相共轭光波逆向通过同一波导结构就可以合成出该三维物体的立体像。为了测定三维空间某一个光点经过模式分离/合成转换器后在彼此隔离的光波导中产生的子光波的振幅和位相，我们可以把一个相干光源点放置在该点，然后测定它在彼此隔离的光波导中产生的光波的强度，进一步引入一个相干参考光，利用光学相干原理，可以测定出它相对于参考光的位相。而参考光自身的位相可以通过它与一个均匀平面光相干涉产生的光场进行测量。
另外当传输媒质变化不定时，例如大气湍流，或目标位置快速变化时，如快速飞行目标，这时上述线性叠加方法受到限制，可以采用逐步优化的方法实现精确聚焦与成像，即逐步微调各个位相和振幅控制单元的调整量，并实时观察目标像的变化，一步一步地进行优化，直到在目标位置获得理想的像。
另外主动位相共轭还可以采取傅立叶变换形式，因为除了对单模光波导中的光波可以方便进行主动位相共轭反射以外，对平面波也可以方便地进行主动位相共轭反射。任意一个复杂的光场都可以分解为其傅立叶角谱，每个傅立叶角谱对应一个一定方向的平面波，如果人工主动产生一系列与入射光场的傅立叶角谱相对应的具有一定振幅和位相的不同方向的平面波，再利用远场夫琅和费衍射或透镜的傅立叶变换特性进行傅立叶逆变换，就可以合成出所需要的入射光场。
通过频域分析不难发现上述基于主动光学位相共轭的成像装置的成像分辨率与传统光学系统一样，可以表示为Δx=λ2nSinθ---(9)]]>其中λ为光波波长，n为介质折射率。与传统光学系统不同的是θ不仅取决于入射孔径角，还取决于光波导的最大接受角，取两者中的最小值。
利用主动光学位相共轭方法除了可以构建成像装置，还可以构建适用于密集波分复用通信系统的光开关阵列。此时可以通过某种形式的耦合器，例如星型耦合器，多模干涉器，多重X结或重叠方向耦合器等构造模式分离/合成转换器，输入/输出光波导阵列直接耦合连接到该模式分离/合成转换器。因为只有有限数目的输入/输出光波导，这种基于主动光学位相共轭的光开关阵列相当于一种只有几个空间成像光点的特殊形式的成像装置，其工作原理不变，但工作步骤应做适当调整。从某一根输入光波导输入的光波会在模式分离/合成转换器的每根单模光波导中产生一定振幅和位相的子光波，如果把所有这些子光波按照位相共轭关系反射回去，则它们又会回到同一根输入光波导。如果把所有这些光波先进行一定位相和振幅调整，使得它们恰好正比于从另一根输入光波导输入的光波所产生的子光波的位相共轭，把这些子光波反射回去它们就不会回到原来的输入光波导，而是回到另一根光波导，由此可以实现光开关。
为实现主动位相共轭，需要大量位相和振幅控制单元，一种方式是采用分立元件制作，一种方式是采用集成技术制作。在分立元件方式，可以把单模光纤缠绕或粘接在压电陶瓷上，或把压电材料或磁致伸缩材料直接涂覆在光纤四周，通过压电效应或磁致伸缩效应改变光纤的长度，或通过机械拉伸装置改变光纤的长度，或通过可移动反射镜、棱镜改变反射光路达到改变位相的目的。同时可以通过机械运动式光开关或功率放大器或衰减器来调节振幅。集成技术中又可以采用PIC、MEMS、液晶显示器、相干线阵激光器和面阵垂直发射激光器等。在PIC中，可以把分光器和大量单模光波导，以及位相和振幅控制单元集成到一块芯片上，通过电光、热光或等离子色散效应改变光波导的折射率，从而达到改变位相的目的。同时可以通过半导体光放大器或光吸收，或通过M-Z干涉器，或布拉格反射器，或方向耦合器或环形共振器的光谱特性的变化进行振幅调节。目前采用聚合物材料制作的调制器的调制速度已经达到一百多GHz，这说明位相和振幅调整速度可以达到纳秒量级，甚至皮秒量级。在MEMS中可以通过微反射镜，反射/透射式F-P干涉器来实现位相和振幅控制，其优点是可以实现大型二维面阵，驱动功率低，但经常涉及机械运动，速度受到一定限制。利用液晶分子的各向异性和液晶显示器的像素寻址能力也可实现位相和振幅控制。另外相干线阵激光器和面阵垂直发射激光器中也可以通过给每个激光器加上位相和振幅控制单元来实现位相和振幅调节。
比较上述各种位相和振幅控制方法，采用分立元件方式的好处是可以手工装配制作，对制造设备要求低，但效率低，振幅和位相调整速度低。采用集成技术的好处是可以把成千上万的位相和振幅控制单元集成在一块芯片上，效率高，成本低，适合批量大规模生产，同时还可以把控制电路也集成制作在同一块芯片上，大大简化装置的结构。
当采用集成技术制作位相和振控制单元阵列时，由于数目巨大，需要综合考虑多种因数，例如驱动电路的简洁性、精确性，单个控制单元的尺寸和功耗等，只有各方面都达到要求，才能保证系统整体性能。在简化驱动电路和提高控制精度方面，以MEMS集成技术为例，本发明提出了一种数字驱动方式，它采用两个微反射镜构成一个F-P干涉器，通过两个微反射镜之间的间隔调整反射光波的振幅，通过F-P干涉器的高度调整反射光波的位相。为了实现数字化高精度控制，基于静电力的控制电极被分解成多个面积依次减小的子电极，并使得施加同一电压时，每个子电极产生的微反射镜的高度变化依次减半，这样通过面积非线性变化电极解决了非线性静电力的数字化驱动问题。如果采用十个子电极，可以实现约千分之一的控制精度。在降低功耗方面，以光集成技术为例，本发明提出了一种粗调和细调相结合的两级调整方式。采用硅片制作热光位相调制器，实现π位相调制的功耗在0.5瓦左右，如果采用聚合物制作，则功耗可以降低一百倍。采用硅片制作的好处是与传统集成电路工艺完全兼容，但0.5瓦的功耗会严重制约集成规模。本发明提出的粗调和细调相结合的调整方式的工作原理是在单模光波导上集成多个放置在不同位置的窄带布拉格反射器或环型共振器进行位相粗调，承担绝大部分位相调整量，然后通过位相控制电极利用电光、热光或等离子色散效应改变光波导的折射率，实现位相细调。布拉格反射器或环型共振器平常处于直通状态，可以把它的反射或共振带宽设计得非常窄，使得其所在光波导的折射率变化10-4时，就从直通状态转换到反射或共振状态，这样功耗非常小。为了对位相和振幅进行精确控制，需要采用精确的模拟控制信号，而制作大量高速D/A转换器是非常困难的。为了便于数字控制，同样可以把位相控制电极和布拉格反射器上的控制电极制作成许多小段，每段长度依次减少一半。
以上介绍了主动光学位相共轭方法，基于主动光学位相共轭的成像装置和光开关，以及相关的各种位相和振幅方法与装置。其中基于主动光学位相共轭的成像装置可以广泛用于三维立体显示、三维立体摄像、体信息存储、虚拟三维人机交换、激光武器、激光核聚变等各个方面，下面就这些应用做进一步的详细介绍。
基于主动位相共轭方法的三维立体显示目前的立体显示技术基本上都是伪立体显示，它们采用各种各样的方法把两幅图像分别送到左、右眼睛，再通过大脑合成出三维图像。本发明提出的基于主动光学位相共轭的成像装置直接把立体像成在三维空间，从立体像任一点发出的光，等效于把物体放置在该点所发出的光，不同之处仅在于，真实物体发出的光属于漫散射光，即从很大角度都能看到该物体，但由立体像的每一点发出的光只存在于一个较小的锥角内，观察者只有直接面对该立体像时才能看到它。为了克服观察视角小的问题，可以把基于主动光学位相共轭的成像装置放置在观察者眼睛附近，并把立体虚像成在观察者前方远处，观察者观看此立体像就象透过一个小窗户看真实物体。或者为了使得多个观察者能同时观察，可以采用分散放置的多个反射镜，或者直接采用多个分散放置的同步工作的基于主动光学位相共轭的成像装置，使得立体像来自上下左右各个方向，并相互吻合重叠。采用多个反射镜的好处是成本低，但由于需要分时或分束，立体像的刷新率或亮度会成倍降低。在进行三维立体显示时还需通过软件进行消隐控制，避免同时显示物体的前后表面，否则实心物体会变成空心物体。另外可以把立体像投射到充满散射微粒的透明立方箱中，例如可以把纳米颗粒封闭在一个透明立方箱内，并不停地吹动使纳米颗粒弥散分布在三维空间，通过纳米颗粒的散射增加观察角，但这种方式的缺点是容易使实心物体变成空心物体，而且可能存在明显的投影光束拖尾现象。上述基于主动光学位相共轭的成像装置在成像时可以采用逐点扫描的方式，也可采用一次同时显示多个像点或一帧图像的方式，前者对扫描速度高极高，后者的扫描速度只要达到每秒几十帧即可。
上述基于主动光学位相共轭的成像装置还可用于集成电路光刻。随着集成电路的发展，集成电路的线宽越来越小，对光刻透镜的要求也越来高。利用基于主动光学位相共轭的成像装置的接近衍射极限的成像能力，可以直接把图案成像在基片上进行曝光，不需要任何掩模板。在纳米精度集成电路曝光中，一方面要求衍射极限分辨率，一方面要求大视场，这样模式分离/合成转换器中光波导的数目将极其巨大，使得其制作非常困难，为此可以采用级连方式的模式分离/合成转换器，这样在每一级模式分离/合成转换器中光波导的数目大大降低，方便制作。
基于主动光学位相共轭的三维立体摄像把基于主动光学位相共轭的成像装置再配上一个普通摄像机，和一个帧同步装置就可以组合成一个立体摄像机。所用普通摄像机镜头前装上窄带滤光镜只让基于主动光学位相共轭的成像装置发出的特定波长的光通过，这样可以避免环境光的影响，同时基于主动光学位相共轭的成像装置与普通摄像机通过帧同步信号进行同步工作。在普通摄像机每帧曝光时间内，基于主动光学位相共轭的成像装置通过隔点扫描方式，或以二维光点阵列或网格投影方式，照亮一系列平行平面或曲面中的某一个平面或曲面，普通摄像机同时也调焦对准该平面或曲面。当照明光斑恰好落在物体表面时，用普通摄像机拍摄到的该点的像斑才最亮最小，或者说像斑的光强面密度达到极大值，根据同步信号可以推知此时物体表面的三维坐标，这样结合普通摄像机拍摄到的亮度信号，就同时记录下了物体表面的三维坐标信息和亮度信息，实现三维拍摄。在用基于主动光学位相共轭的成像装置对三维空间进行扫描时，扫描点越致密，成像质量越好，但对扫描速度要求越高。如果在没有物体的地方大幅度降低扫描密度则可以大大提高拍摄效率，降低对扫描速度的要求。
上述三维拍摄方法既可以用于远场大景物拍摄，也可以用于显微三维拍摄。在进行显微三维拍摄时，为了减小来自离焦物面的光信号的干扰，同时减小由于离焦造成像斑光强面密度的降低，普通摄像机应该装配在一台普通显微镜上，当立体显示装置照明某一平面时，应该让普通显微镜同时调焦对准该平面。如果增加照明光强，上述三维显微拍摄装置可以制作成光钳，即通过聚焦强光束捕捉和移动微小物体。与采用普通显微镜的光钳相比，上述立体显示装置具有快得多的扫描速度或多点同时聚焦功能，这样它可以同时对大量数目的微粒进行操纵，进行纳米颗粒的人工排列，甚至控制纳米颗粒的产生过程和产生位置。
基于主动光学位相共轭的体信息存储普通光盘通过二维表面存储信息，存储容量约为1/λ2，如果采用体信息存储，存储容量约为1/λ3，相当于成千上万张光盘紧密地叠放在一起，存储容量可提高几个数量级。目前的体存储技术一般采用全息方式进行读写，由于一次读写一个页面，读写速度很快，但读写装置很复杂，需要快速组页器，快速CCD等装置。利用主动位相共轭成像的单光点快速扫描或多光点同时扫描能力可以进行体信息存储，并通过快速读出多个轨道的编码信息来精确寻轨。这种逐点进行信息读写的原理与普通光盘一致，因此采用上述读写装置同样可以对普通光盘进行信息读写。另外如果采用光折变材料作为体信息记录材料，需要采用相衬显微技术来检测材料的折射率变化。当然利用基于主动位相共轭的成像装置的快速光束扫描偏折能力也可进行全息方式的体信息存储读写。
虚拟三维人机交换方法如果利用上述基于主动光学位相共轭的立体显示和摄像装置，把计算机软件界面投影成三维形式，即把所有控制按钮以立体结构绘制显示在三维空间，同时通过工作在红外波段的立体摄影监测操作员手指的运动，就可以探测操作员按动了哪个控制按钮，实现虚拟三维人机交换，而不需要鼠标和键盘。甚至可以直接拍摄操作员手写文字和手绘图案的过程，并把文字和图案输入计算机，使人机交换更加自然方便。另外也可以利用上述立体显示和摄像装置，自动监测桌面、纸张、衣服等的位置，并把它们做为显示屏，把文字和彩色图案投影到这些三维曲面上，这意味着可以把任何有一定面积大小和反射率的表面做为显示屏，彻底摆脱了传统的笨重的显示器，使计算机结构更加小型化，更便于携带。
在需要超远距离和超高能量精密聚焦时，例如在激光武器和核聚变应用中，可以采用傅立叶变换形式的主动光学共轭方法，即把大量基于主动光学位相共轭的成像装置排成二维阵列，形成几十米甚至几十公里的大口径，每个基于主动位相共轭的成像装置产生一个一定振幅和位相的平行光，再利用远场夫琅和费衍射进行傅立叶逆变换，在远处合成出一个高质量聚焦光点。另外为了产生高功率，基于主动位相共轭的成像装置中的光波导可以采用光增益介质制作，或者在基于主动光学位相共轭的成像装置前放置一块激光介质进行光功率放大，或再增加一块反射镜，直接构成激光谐振腔。为了减少损耗和干扰信号，基于主动位相共轭的成像装置的各个光学端面，如入射、出射光瞳、光纤端面等应该镀制增透膜。另外还可增加一块倍频晶体。为了保证各个基于主动位相共轭成像装置之间的相干性，可以把从一个种子激光器发出的窄带激光，通过光集成芯片或分束器分成成千上万个相干子光源，每个子光源具有独立的位相和振幅控制单元，再通过单模光纤传送给各个基于主动位相共轭方法的成像装置进行功率放大。在上述过程中应该控制传输单模光纤的长度，使得从各个主动光学共轭成像装置发出的光波到达目标靶时的光程差小于相干长度，同时在放大过程中只激发基模。所有基于主动位相共轭的成像装置可均匀固定在同一个平面上或同心环上或三维球面上，并通过各自的光学系统聚焦到目标靶上。这里光学系统只起导向和初步聚焦的作用，精确聚焦通过精确位相和振幅调整来实现，最终可以实现衍射极限聚焦光斑。对大量基于主动位相共轭方法的成像装置进行调整工作量非常大，但由于可以通过计算机自动控制完成，因此仍然非常省时省力。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果本发明所涉及的主动光学位相共轭方法和装置，无需借助任何非线性光学效应，使得光学位相共轭的优点得到更充分利用和发挥，与现有技术相比，它具有如下四大主要优点。第一超快速变焦能力和三维空间多点同时成像能力，变焦速度可以达到纳秒量级甚至更高，这使得它们可以广泛应用于三维动态成像，同时可以实现光路的自动精确调节，大大简化光学系统的结构；第二，超高分辨率，不依靠精密光学透镜，实现复杂光波波前的人工构造，甚至可以消除不均匀传输介质的影响，达到衍射极限分辨率；第三，可扩充性，可以通过扩充基于主动光学位相共轭的成像装置的数目或提高单个基于主动光学位相共轭的成像装置的输出光功率，来扩大视角，或提高聚焦光斑的光功率；第四，可以采用大规模集成电路技术批量制造，无需精密光学加工。
图1为二段光波导结构示意图。
图2分别给出了三种不同结构和形式的基于主动光学位相共轭的成像装置的实施例示意图。其中图2a给出了一个采用MEMS芯片进行振幅和位相调节的基于主动光学位相共轭的成像装置；图2b给出了采用液晶显示器进行振幅和位相调节的基于主动光学位相共轭的成像装置；图2c给出了采用光集成芯片制作的基于主动光学位相共轭的一维成像装置。
图3给出了一个由初级和次级串接组成级连式模式分离/合成转换器的实施例示意图。
图4给出了采用MEMS芯片制作的位相和振幅调节单元的实施例示意图。
图5给出了采用光集成芯片制作的利用多个布拉格反射器进行位相粗调的低功耗数字式位相和振幅调节单元的实施例示意图。
图6给出了采用光集成芯片制作的利用多个环形共振器进行位相粗调的低功耗数字式位相和振幅调节单元的实施例示意图。
图7给出了分别采用三种不同结构形式的耦合器构成基于主动光学位相共轭的光开关的实施例示意图。其中在图7a中采用星型耦合器；在图7b中采用多重X结耦合器；而在图7c中采用多重方向耦合器。
具体实施例方式
图2a给出了一个基于主动光学位相共轭的成像装置，从图2a可以看出，它由模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节器PAC组成，其中模式分离/合成转换器MSC由光波导阵列W1-7构成，光波导W1-7在左端横截面尺寸较小，为单模光波导，且靠拢融合为一个整体，并抛光镀制增透膜以避免反射光形成干扰背景噪音。由于光波导W1-7融合为一个整体，它们之间的光场互相耦合，在最右端光波导W1-7分开放置，这样它们之间的光场互相隔离，同样光波导W1-7的右端面也抛光镀制增透膜，每个光波导W1-7在最右端分别耦合连接一个独立的光学位相共轭调节单元PA1-7，PA1-7制作在MEMS芯片ME1上，用于调节每根光波导W1-7中的光波的位相和振幅实现光学位相共轭。从左往右，光波导W1-7逐步分开，为了避免激发高阶模，它们横截面尺寸逐步缓慢增大，使得光波导W1-7中只产生基模。图2a中光学位相共轭调节单元阵列由微型F-P干涉器组成，通过调节每个微型F-P干涉器的反射率可以调节反射回到每根光波导W1-7的光波的振幅，通过调节每个微型F-P干涉器的的高度可以调节回到每根光波导W1-7的光波的位相。照明相干光λ1通过分束器BS1从左端耦合进入模式分离/合成转换器MSC。分束器BS1由一系列周期排列的薄光学玻璃平片粘合组成，每个周期包含两种折射率略有差异的玻璃平片，然后倾斜于薄光学玻璃平片的粘合界面进行切割和光学抛光，其特点是用多次反射代替一次反射，与半透半反镜相比，对照明相干光λ1利用率大大提高，且厚度大大减小，便于进行显微分析和光刻曝光，使得样品或待曝光基片充分接近入射光瞳，提高分辨率。另外图2a中相干点光源PS1，半透半反镜BS2和光学透镜LEN1用于测量光波导W1-7中光波的强度和位相，平时不用时可以移走。
下面结合图2a给出的装置介绍主动光学位相共轭方法的步骤。其中主动光学位相共轭发射包括如下A-D四个步骤A、相干照明光波λ1通过分束器BS1输入具有模式分解和合成作用的光波导结构，即模式分离/合成转换器MSC，在彼此隔离的光波导W1-7的最右端产生只存在基模的光场；B、把假想目标VS1分解为三维空间光点的线性集合，并按照同一线性集合关系把每个三维空间光点经过A步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC后在彼此隔离的光波导W1-7的最右端产生的基模光场进行叠加，在每根光波导W1-7中获得一个总光场；C、对A步骤中获得的彼此隔离的光波导W1-7的最右端的基模光场进行位相和振幅调整，使得它们正比于B步骤中获得的同一光波导W1-7的最右端的总光场的光学位相共轭；D、对C步骤中获得的彼此独立的光波导W1-7的最右端的光场一一进行反射，使得它们逆向通过A和B步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC；通过上述步骤A-D可以主动合成并发射出假想目标VS1的光学位相共轭像。
而主动光学位相共轭反射包括如下E-K七个步骤E、仅让参考相干光λ1通过分束器BS1从左端输入具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC，然后通过一个半透半反镜BS2和光学透镜LEN1，其中半透半反镜BS2位于光学透镜LEN1的焦距内且与光学透镜LEN1的光轴成45度角，光波导结构MSC的光轴与光学透镜LEN1的光轴平行，在LEN1的像面测量记录从彼此隔离的光波导W1-7的最右端输出的光场的强度，记为PAi，i＝1-7；F、在垂直于光轴的光学透镜LEN1的物方焦面上引入一个相干点光源PS1，利用半透半反镜BS2，在光学透镜LEN1的像方产生与光轴平行的均匀平面光，在LEN1的像面测量记录从彼此隔离的光波导W1-7的最右端输出的光场与均匀平面光发生干涉后的光场的强度，记为PBi，i＝1-7；同时测量记录均匀平面光自身的强度，记为C0；G、根据光学相干原理，PBi＝C0*PAi*Sin2(Φ0i)，其中Φ0i就是参考相干光λ1经过具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC后，在彼此隔离的光波导W1-7中产生的光波的位相，然后移走相干点光源PS1，半透半反镜BS2和光学透镜LEN1；H、仅让参考相干光λ1通过分束器BS1从左端输入具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC，直接测量记录从彼此隔离的光波导W1-7的最右端输出的光场的强度，记为P1i，i＝1-7；I、保持参考相干光λ1，同时让三维物体发出的相干光波经过E步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC，再次测量记录从彼此隔离的光波导W1-7的最右端输出的光场的强度，记为P2i，i＝1-7；J、遮断参考相干光，仅保留三维物体发出的相干光波，第三次测量记录从彼此隔离的光波导W1-7的最右端输出的光场的强度，记为P3i，i＝1-7；K、根据光学相干原理，利用步骤H、I、J三次测量结果有，P2i＝P1i*P3i*Sin2(Φi)，i＝1-7；其中 和Φi+Φ0i就是三维物体经过具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC后，在彼此隔离的光波导W1-7的最右端产生的光波的振幅和位相，根据Φi+Φ0i对这些光波的位相进行调整，使得它们等于其自身的光学位相共轭，并使其反向通过同一具有模式分解和合成作用的光波导结构MSC。
在进行上述步骤E-J时，应该移走光学位相共轭调节器PAC。在进行步骤K时，应该还原光学位相共轭调节PAC。通过上述步骤E-K可以对三维物体发出的相干光波进行主动光学位相共轭反射，反复重复步骤I-K可以实时跟踪三维物体或传输媒质的变化。为了保证三维物体发出的光波与参考相干光λ1的相干性，可以对参考相干光λ1分束后照明三维物体。另外为了保证参考相干光λ1与相干点光源PS1的相干性，相干点光源PS1也应该由参考相干光λ1分束后产生。如果在上述步骤中同时进行光功率放大，可以获得增强的三维空间物体的立体像。
进行主动光学位相共轭发射时需要预先标定位于任意三维空间点的单位强度的光点经过模式分离/合成转换器MSC后，在彼此隔离的光波导W1-7的最右端产生的光场。可以把一个相干点光源放置在待测定三维空间点，然后按照步骤E-K进行测量。
与图2a相比，图2b给出的基于主动光学位相共轭的成像装置只是采用了不同的光学位相共轭调节器PAC，同时照明相干光λ1经过半透半反镜BS3从光波导W1-7左端输入模式分离/合成转换器MSC。图2b中光学位相共轭调节器PAC由微透镜阵列LER1，液晶显示器CR1-2和平面反射镜M1组成。其中微透镜阵列LER1用于把从光波导W1-7右端出射的光变换成平行光，液晶显示器CR1用于调整位相，液晶显示器CR2用于调整振幅。CR1为扭曲向列相型场效应液晶显示器(TN-FE)，由于各向异性液晶分子沿平行长轴方向和垂直长轴方向折射率相差较大，当不加电压时，各向异性液晶分子长轴平行于液晶显示器两端的透明电极，当施加电压时，各向异性液晶分子长轴转动到与外电场平行，即与透明电极垂直，这样施加电压与不施加电压时相比，沿平行光束前进方向液晶的折射率变化较大，可以达到0.2左右，从而可以调节平行光束的位相。CR2为宾主型液晶显示器，其中掺杂有吸收型染料分子(图中用实心短棒)，由于染料分子沿长轴方向和垂直长轴方向吸收率相差较大，当不加电压时，染料分子和液晶分子长轴平行于两端的透明电极，吸收率较小，当施加电压时，染料分子和液晶分子长轴垂直于两端的透明电极，吸收率较大，从而可以调节平行光束的振幅。位相和振幅调节量取决于上述两个液晶显示器每个像素所加电压大小。反射镜M1把光波反射回光波导W1-7，并且由于反射光波再次经过CR1和CR2，位相和振幅调节量会增加一倍，进一步提高了调节效率。
与图2a相比，图2c给出的基于主动光学位相共轭的成像装置有三点不同，第一，整个装置制作在光集成芯片PIC1上，单块光集成芯片PIC1组成一个一维成像装置；第二，相干照明光λ1经过多模干涉器C1均分为8束后，从W1-8右端耦合进入模式分离/合成转换器MSC；第三，采用了不同结构的光学位相共轭调节器PAC。图2c中每根光波导W1-8右端有一个独立的光学位相共轭调节单元，它们由位相控制电极P1和振幅控制电极A1组成。其中A1通过控制其下方的半导体光放大器的放大倍率，实现振幅调节，P1通过控制其下方的单模光波导的折射率实现位相调节。另外在左端所有光波导W1-8融合成一个整体，宽度为D，它正好具有8个导模，与光波导的数目相等，这样在整个过程中不会激发辐射模。
对于图2a、图2b和图2c给出的各种基于主动光学位相共轭的成像装置，还可以附加各种光学透镜和反射镜进行三维立体像的缩放和偏折，对一维成像装置可以通过旋转棱镜或旋转反射镜实现三维扫描。
为了作图方面，图2a、图2b和图2c中只画出了8根光波导W1-8，实际上模式分离/合成转换器MSC可以由成千上万根光波导组成，光波导的数目越多，视场越大。在下面一些图中，为了方便也做了同样或类似的简化处理，下面不再一一说明。
图3给出了一个级连式模式分离/合成转换器MSC，它由初级模式分离/合成转换器MSC1和次级模式分离/合成转换器MSC2串接组成。其中初级模式分离/合成转换器MSC1由多模光波导WF1-5组成，光波导WF1-5的左端靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WF1-5的右端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导WF1-5在互相隔离的右端耦合连接一个次级模式分离/合成转换器MSC2。次级模式分离/合成转换器MSC2由光波导WS1-3组成，光波导WS1-3在横截面尺寸小的左端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WS1-3的右端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导WS1-3的横截面尺寸、长度使其缓慢逐步增加，从而使得光波导WS1-3在互相隔离的右端只产生基模。光波导WS1-3的数目等于每根光波导WF1-5中导模的数目，WF1-5的横截面尺寸固定不变，其导模的数目自然也保持不变，这样WF1-5与WS1-3可以很好地互相耦合而不至于激发辐射模。采用级连方式的模式分离/合成转换器主要是为了在实现衍射分辨率的同时，保证足够大的视场，同时制作相对简单，可以用于纳米精度大尺寸集成电路曝光。
图4给出了一个采用MEMS技术制作的位相和振幅调节单元PA8，它由两个微反射镜M2-3，弹性支柱SP1-2，电极EI1-5和电极EO1-4组成；两个微反射镜M2-3分别由弹性材料SP1-2支撑制作在基片ME2上，微反射镜M2-3互相平行构成一个F-P干涉器；电极EI1-5制作在基片ME2上，并与M2相对，构成平行平板电容，通过静电作用力控制M2的高度。电极EO1-4制作在基片ME2上，并与M3相对，构成平行平板电容，通过静电作用力控制M3的高度。通过M3的高度可以调整反射光波的位相，通过M2-3的间隔，即M2和M3的高度差可以改变F-P干涉器的反射率，从而调整反射光波的振幅。为了精确控制M2的高度，电极EI1-5被分成五个面积不等的环形电极，它们的面积依次减小，并使得分别施加同一电压时，每个电极引起的M2的高度变化依次减半。同样为了精确控制M3的高度，与它相对的电极被分割成四个象限，每个象限又被分割成四个面积不等的扇形电极EO1-4，面积相同但分布在不同象限的电极EO1-4串接在一起。EO1-4的面积依次减小，并使得分别施加同一电压时，每个电极引起的M3的的高度变化依次减半。采用面积不等的多个电极的好处是不需要精密高速A/D转换器就能精确控制反射镜M2-3的高度，大大简化外部驱动电路。电极分割的数目越多，控制精度越高，采用十个子电极可以实现千分之一的控制精度。另外微反射镜M2也可通过弹性材料直接支撑制作在微反射镜M3上。如果在微反射镜M3的两侧分别采用电光或压电材料进行振幅和位相调节，由于不需要机械运动，可以大幅度提高调节速度。
图5给出了一个制作在光集成芯片上的位相和振幅调节单元PA9，它由位相控制电极P1-6，布拉格反射器B1-4，位相补偿电极CP1-6，振幅补偿电极CBA1-4，和单模光波导W9组成；位相控制电极P1-6，布拉格反射器B1-4，位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4沿光波导W9顺序制作，相干光λ1和λ2从光波导W9左端输入，位相控制电极P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，即左侧，使得调制前后的光波λ1两次经过位相控制电极P1-6，而位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后。每个布拉格反射器B1-4上制作有相同数目和尺寸的振幅控制电极BA1-4，拉格反射器B1-4按照一定间隔沿光波导W9放置，使得它们分别依次处于反射状态时所引起的有效位相以π/5的步距等量增加，用于进行位相粗调。为了进行精细位相控制，位相控制电极P1-6的长度依次减半，因此在同样电压下每个电极P1-6所能产生的有效位相调节量也依次减半，依次为π/10，π/20，π/40，π/80，π/160，π/320，π/640，进一步增加位相控制电极的数目，位相控制精度还可进一步提高。由于P1-6产生的总有效位相在π/5以内，这样其功耗降低数倍，进一步增加拉格反射器的数目，功耗还可大幅度降低。同样为了进行精确数字式振幅控制，振幅控制电极BA1-4的长度也依次减半。位相补偿电极CP1-6的数目与位相控制电极P1-6相同，且每个位相补偿电极CP1-6的尺寸分别与P1-6相同，即补偿电极CP1-6与P1-6一一对应，同样振幅补偿电极CBA1-4的数目与振幅控制电极BA1-4相同，且每个振幅补偿电极CBA1-4的尺寸分别与BA1-4相同，即补偿电极CBA1-4与BA1-4一一对应。位相或振幅控制电极和与其对应的补偿电极只有一个工作，例如P上施加电压，则CP1上不施加电压，反之，如果P1上不施加电压，则CP1上需要施加电压。增加补偿电极的好处是当需要对多个波长，例如图4中的λ1和λ2，进行位相和振幅控制时，对一个波长λ1进行位相和振幅调整不会影响到其他波长的光波，例如对图3b中没有被反射的λ2，在它经过上述针对λ1的位相和振幅控制单元后，它所经历的位相改变是相同的。
图6给出了一个制作在光集成芯片上的位相和振幅调节单元PA10，它由位相控制电极P7-11和P12-16，环形共振器RE1-4，振幅控制电极RA1-4，输入光波导W10和输出光波导W11-12组成；环形共振器RE1-4按照一定间隔沿输入光波导W10制作，使得它们分别依次处于共振状态时所引起的有效位相以π/3的步距等量增加。环形共振器RE1-2的工作波长同为λ1，它们与同一输出光波导W11相耦合，同样环形共振器RE3-4的工作波长同为λ2，它们与同一输出光波导W12相耦合。位相控制电极P7-11和位相控制电极P12-16分别制作在输出光波导W11和W12上。每个环形共振器RE1-4上有相同数目的振幅控制电极RA1-4。同样为了进行精确数字式控制，位相控制电极P7-11，P12-16和振幅控制电极RA1-4长度不等，如果按照从长到短排列，它们各自的长度依次减半。
图7a中给出了一种基于主动光学位相共轭的光开关，从图7a可以看出，它由输入/输出光波导W13-16，模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节单元PA11-12组成，其中模式分离/合成转换器MSC由单模光波导W17-20构成，W17-20的左端通过星型耦合器C1耦合连接在一起，W17-20的右端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导W17-20的右端再耦合连接分别对应波长λ1和λ2的光学位相共轭调节单元PA11和PA12。PA11和PA12的结构类似于图5中的光学位相共轭调节单元。其中PA11由位相控制电极P17-20，布拉格反射器B5，位相补偿电极CP17-20组成。如果增加光学位相共轭调节单元PA11-12的数目可以对更多的波长进行光开关操作。输入/输出光波导W13-16直接耦合连接到模式分离/合成转换器MSC的左端。模式分离/合成转换器MSC中有四根光波导W17-20，其数目等于输入/输出光波导W13-16的数目，输入/输出光波导W13-16为单模光波导。当然MSC中光波导的数目可以大于输入/输出光波导的数目，这相当于一部分输入/输出光波导闲置不用。但如果MSC中光波导的数目小于输入/输出光波导的数目，则会激发辐射模。
图7a中光开关的工作原理同样基于主动式光学位相共轭，如图7a所示，波长为λ1的光波从左边最上面的光波导W13输入，它通过星型耦合器C1耦合进入模式分离/合成转换器MSC后，在每根光波导光波导W17-20的右端产生一个彼此独立的位相和振幅分布，我们记为Aliexp(-jΦ1i)，其中i＝1，2，3和4，为了使波长为λ1的光波从最下面那根光波导W16输出，我们先假设它从W16输入，这样在每根光波导W17-20的右端也产生一个位相和振幅分布，我们记为A2iexp(-jΦ2i)，同样i＝1，2，3和4。如果调整光波导W17-20右端的光波的位相和振幅Aliexp(-jΦ1i)，使得A′1iexp(-jΦ′1i)=cA2i‾exp(jΦ2i),]]>其中i＝1，2，3和4，c为常数，即正比于A2iexp(-jΦ2i)的光学位相共轭，则根据光学位相共轭原理，波长为λ1的光波自然会从光波导W16输出。由于c为一常数，如果没有光放大器，c小于1，这时在选择耦合器的结构形式时要慎重，应该尽量使得无论从输入/输出光波导W13-16的哪根光波导输入，它在每根光波导W17-20右端产生的光波的振幅尽量接近，否则c会很小，即共轭反射输出的光波的强度会很小。图7b和图7c给出的基于主动光学位相共轭的光开关与图7a给出的光开关结构基本相同，只是在图7b中采用多重X结耦合器C2代替图7a中的C1，而在图7c中采用重叠方向耦合器C3代替图7a中的C1。比较这几种形式的耦合器，在图7a中的星型藕合器C1能够在每根光波导W17-20中产生最均匀的位相和振幅分布，特别是星型藕合器采用较大半径时。
权利要求
1.一种主动光学位相共轭方法，当进行共轭发射时它包括如下步骤A、把相干照明光波输入具有模式分解和合成作用的光波导结构，在彼此隔离的光波导中产生只存在基模的光场；B、把假想目标分解为三维空间光点的线性集合，按照同一线性集合关系把每个三维空间光点经过A步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构后在彼此隔离的光波导中产生的基模光场进行叠加，在每根光波导中获得一个总光场；C、对A步骤中获得的彼此隔离的光波导中的基模光场进行位相和振幅调整，使得它们正比于B步骤中获得的同一光波导中的总光场的光学位相共轭；对C步骤中获得的彼此独立的光波导中的光场一一进行反射，使得它们逆向通过A和B步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。
2.一种主动光学位相共轭方法，当进行共轭反射时它包括如下步骤E、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，然后通过一个半透半反镜和光学透镜，其中半透半反镜位于光学透镜的焦距内且与光学透镜的光轴成45度角，光波导结构的光轴与光学透镜的光轴平行，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；F、在垂直于光轴的光学透镜的物方焦面上引入一个相干点光源，利用半透半反镜，在光学透镜的像方产生与光轴平行的均匀平面光，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场与均匀平面光发生干涉后的光场的强度以及均匀平面光自身的强度；G、利用步骤E和F测量结果计算出参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的位相，并移走相干点光源，半透半反镜和光学透镜；H、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，直接测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；I、保留参考相干光，同时让三维物体发出的相干光波经过E步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构，再次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；J、遮断参考相干光，仅保留三维物体发出的相干光波，又一次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；K、利用步骤H、I、J三次测量结果和步骤E、F、G测得的参考相干光的位相，计算出三维物体经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的振幅和位相，然后对光波的位相进行调整，使得它们等于其自身的光学位相共轭，并使其反向通过同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。
3.一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于它由模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节器PAC组成，其中模式分离/合成转换器MSC由光波导阵列W1-7构成，光波导W1-7在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导W1-7的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导W1-7的横截面尺寸和长度，使得光波导W1-7中只产生基模，光学位相共轭调节器PAC由彼此独立的光学位相共轭调节单元PA1-7组成，每个光波导W1-7在互相隔离的一端耦合连接一个独立的光学位相共轭调节单元PA1-7，光学位相共轭调节单元PA1-7用于调节每根光波导W1-7中的光波的位相和振幅实现光学位相共轭。
4.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC由初级模式分离/合成转换器MSC1和次级模式分离/合成转换器MSC2组成，其中初级模式分离/合成转换器MSC1由多模光波导WF1-5组成，光波导WF1-5的一端靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WF1-5的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导WF1-5在互相隔离的一端耦合连接一个次级模式分离/合成转换器MSC2，次级模式分离/合成转换器MSC2由光波导WS1-3组成，光波导WS1-3在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WS1-3的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导WS1-3的横截面尺寸和长度，使得光波导WS1-3在互相隔离的一端只产生基模，光波导WS1-3的数目等于每根光波导WF1-5中导模的数目，光波导WF1-5的横截面尺寸固定不变。
5.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC中的光波导W1-7采用光增益材料制作。
6.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC中的光波导W1-7在一端靠拢放置，并整体抛光镀制增透膜，光波导W1-7在另一端也抛光镀制增透膜。
7.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA8由两个微反射镜M2-3，弹性支柱SP1-2，电极EI1-5和电极EO1-4组成，两个微反射镜M1-2分别由弹性材料SP1-2支撑制作在基片ME2上，微反射镜M1-2互相平行构成一个F-P干涉器，电极EI1-5制作在基片ME2上，与M2相对，构成平行平板电容，电极EI1-5的面积依次减小，并使得每个电极EI1-5分别施加同一电压时，引起的M2的高度变化依次减半，电极EO1-4制作在基片ME2上，与M3相对，构成平行平板电容，电极EO1-4的面积依次减小，并使得每个电极EO1-4分别施加同一电压时，引起的M3的高度变化依次减半，通过M3的高度调整反射光波的位相，通过M2-3之间介质的折射率或间隔调整反射光波的振幅。
8.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA9由位相控制电极P1-6，位相补偿电极CP1-6，振幅控制电极BA1-4，振幅补偿电极CBA1-4，布拉格反射器B1-4和单模光波导W9组成，位相控制电极P1-P6，振幅控制电极BA1-4，布拉格反射器B1-4，位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4沿光波导W9顺序制作，且位相控制电极P1-6位于布拉格反射器B1-4之前，使得调制前后的光波皆经过位相控制电极P1-6，而位相补偿电极CP1-6和振幅补偿电极CBA1-4放置在布拉格反射器B1-4之后，拉格反射器B1-4沿光波导W9放置，使得它们分别依次处于反射状态时所引起的有效位相等量增加，且每个布拉格反射器B1-4上制作有相同数目和尺寸的振幅控制电极BA1-4，按照从长到短排列，位相控制电极P1-6的长度依次减半，位相补偿电极CP1-6的数目与位相控制电极P1-6相同，且每个位相补偿电极CP1-6的尺寸分别与P1-6相同，按照从长到短排列，每个布拉格反射器上的振幅控制电极BA1-4的长度依次减半，振幅补偿电极CBA1-4的数目与振幅控制电极BA1-4相同，且每个振幅补偿电极CBA1-4的尺寸分别与BA1-4相同。
9.根据权利要求3所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于光学位相共轭调节器PAC中的每个光学位相共轭调节单元PA10由位相控制电极P7-16，振幅控制电极RA1-4，环形共振器RE1-4，输入光波导W10和输出光波导W11-12组成，环形共振器RE1-4沿输入光波导W10放置，使得它们分别依次处于共振状态时所引起的有效位相等量增加，工作波长相同的环形共振器RE1-2和RE3-4分别与同一输出光波导W11和12相耦合，每个环形共振器RE1-4上有相同数目的振幅控制电极RA1-4，按照从长到短排列，RA1-4的长度依次减半。
10.一种基于主动光学位相共轭的光开关，其特征在于它由输入/输出光波导W13-16，模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节单元PA11-12组成，其中模式分离/合成转换器MSC由单模光波导W17-20构成，W17-20的一端以星型耦合器或多模干涉器或多重X结或重叠方向耦合器的形式耦合连接在一起，W17-20的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导W17-20再耦合连接对应不同波长的光学位相共轭调节单元PA11-12，输入/输出光波导W13-16直接耦合连接到模式分离/合成转换器MSC的前端，模式分离/合成转换器MSC中光波导W17-20的数目等于输入/输出光波导W13-16的数目，所有输入/输出光波导为单模光波导。
全文摘要
本发明涉及一种主动光学位相共轭方法及基于主动光学位相共轭的成像装置和光开关，属于光学成像和集成技术领域。它采用光波导阵列构成模式分离/合成转换器，这些光波导在一端靠拢放置，光场互相耦合，在另外一端分开放置，彼此隔离。进一步通过模式分离/合成转换器把光波分解并引导到彼此隔离的光波导，然后在这些彼此隔离的光波导中通过简单的位相和振幅调节实现主动光学位相共轭。它解决了大尺寸高像质三维立体显示、超快速变焦、远距离和高能激光精确聚焦等一些极限条件下的成像问题。适用于计算机人机交换，机器人视觉，集成电路光刻，体信息存储，军事，能源，生物与光通讯网络领域。
文档编号G02B27/00GK1932565SQ20061012465
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者李志扬 申请人:李志扬