[發明專利]一種基于衍射光柵的多波長空間光場微分運算器件

有效

• 申請號: 201811377199.4
• 申請日: 2018-11-19
• 公開（公告）號: CN109445751B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 阮智超;方軼圣;周祎晗
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F7/64
• 分類號: G06F7/64;G06F17/15;G06T7/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種基于衍射光柵的多波長空間光場微分運算器件，屬于光學信息處理領域。本發明設計的空間光場微分器具有能同時工作在多個波長、設計簡單、器件厚度為微納米尺寸、易于大規模制備、可與硅基器件集成等優點。本發明通過激發介質波導層中的波導模式，并使器件的傳遞函數為線性，從而對輸入空間光場進行一階微分處理。本發明能夠同時在多個波長處相應地激發多個不同的波導模式，且能同時在這多個波長實現光場的一階空間微分運算。本發明可用于超快速、實時、大通量的圖像處理例如邊緣提取，在醫學和衛星圖像處理中有重要的技術應用前景。

技術領域

本發明涉及光學信息處理領域，具體是一種基于衍射光柵的空間光場微分運算器件。

背景技術

隨著信息技術的迅猛發展，對信息處理性能的需求正在不斷地提高。與傳統電子器件的信息處理方式相比，光學信息處理技術憑借其高速、超大帶寬、低損耗等優勢，已經逐漸發展成為一種重要的信息處理手段。傳統傅里葉光學信息處理利用了透鏡的傅里葉變換特性，通過兩塊透鏡組成4f系統，在其頻譜面上選擇合適的空間濾波器，進行光場模擬運算，進而實現圖像處理。其中利用空間光場微分運算，可以實現圖像邊緣提取，從而實時、高速、大通量地進行圖像處理，在醫學和衛星圖像處理、目標識別領域有重要的技術應用前景。

近年來，隨著微納光學相關理論和技術的發展，使得制備微納米尺度的光子器件實現光場調控成為了可能。用微納光子器件實現光場模擬運算，其基本原理是設計特定的微納結構，使得對任意的入射光場，其透射/反射場正比于所需的運算操作的結果，例如空間微分運算。這一過程的原理與傳統的4f透鏡系統的原理類似；但不同的是，這里用微納結構代替了傳統的宏觀尺寸的透鏡系統，且光場運算的結果在經過微納結構透射/反射的過程中直接得到，無需自由空間傳播，因此，這一系統的尺寸比傳統透鏡系統的尺寸要小幾個數量級，達到波長量級。進一步地，基于表面等離激元的光子器件由于應用表面等離激元的倏逝場性質，可以將器件尺寸做到亞波長量級。為此，利用微納光學技術，壓縮器件尺寸，設計并制備微型化、易與電子器件集成的光學器件符合市場需求和未來發展趨勢。

經對現有微納尺寸的空間光場微分器的文獻檢索發現，目前學術界提出的微納尺寸空間光場微分器的設計原理主要可以分為兩類：第一類是基于超材料的空間光場微分器，以A.Pors于2014年在Nano Letters上發表的文章“Analog computing usingreflective plasmonic metasurfaces”(基于反射型等離激元超表面的模擬運算)為代表，其原理類似于傳統的4f系統,通過給定各單元的幾何結構參數，設計一種特殊的超表面放置在頻譜面上作為空間濾波器，其空間濾波特性符合空間微分或積分運算所要求的頻譜響應函數，從而經過透鏡系統變換和空間濾波后，反射光場等于入射光場的空間微分或積分；第二類是基于共振結構的空間光場微分器，以俄羅斯V.A.Soifer于2014年3月在OpticsLetters上發表的文章“Spatial differentiation of optical beams using phase-shifted Bragg grating”(基于相移布拉格光柵的空間光束微分器)為代表，其原理是通過給定各介質層的折射率及厚度等參數，設計一種特殊的多層介質平板結構的相移布拉格光柵，使其在光束斜入射時的反射傳遞函數符合空間微分運算的要求，從而可以在反射過程中直接得到空間光場的一階微分。然而，所有目前已經提出的空間光場微分器設計均只能工作在特定的單一波長，而不能實現多波長的復用，因此其信息處理的容量受到了很大的限制。

發明內容