利用幹涉的頻率多路化邏輯,放大和能束控制的製作方法
2023-05-20 12:45:56
專利名稱：利用幹涉的頻率多路化邏輯,放大和能束控制的製作方法
技術領域：
本發明是關於光學計算機和光子電晶體功能，如放大、布爾邏輯、和控制能束信號的頻率多路化。
背景技術：
美國專利US NO.5093802含有本發明的基礎技術。它採用受調製和未受調製的波動型能量的輸入能束之間的幹涉。這些功能以一條紋成分分離器、如一掩膜中的相長和相消幹涉成分區加以定義，此分離器用來由至少一成分區分離能量以提供至少一個輸出。幹涉在能產生幹涉條紋和所述的各種不同輸出的相干能量的輸入能束之間產生。
該發明提供有數種功能，包括二輸入「或」，「異或」，反相器，和放大器，以及各種不同的雙穩裝置，它們全都具有疊加在單個頻率波上的波形。現有技術所欠缺的是一單個裝置中採用多載波頻率的多個獨立功能的頻率多路化或同時操作的任何裝置或方法。
在撰寫美國專利NO.5093802時已意識到這樣的裝置不限於一定的波長，如下面的US NO.5093802的縱列11行14中所指出的「由於分割幹涉條紋的成分區，如本發明所要求的不受所採用的波動型能量的波長的限制，工作波長可由電磁能譜的視覺範圍選擇。這樣，一組多個輸入如(104)就能作為直接的可視顯示數據。同時或快速連續地利用多個波長，其多個輸出就能作為一完全的彩色可視顯示的功能。」當一組裝置被設計來在大於一個波長、如為產生一完全彩色顯示所需的紅、蘭和綠的波長運行時雖然要求有「多輸出」和因此的多個成分，但為在一單個裝置中完成同時的頻率多路化操作的概念和機制則還不明顯。稍後，在發明了實現頻率多路化的裝置之後，申請人也認識到頻率多路化的優越性。
本發明的說明本發明為提供頻率多路化功能包括邏輯、放大和能束控制的裝置和方法。一組公共鏡片在一單個裝置內的獨立頻道產生同時發生的獨立功能。頻率多路化輸出的各單獨通道包含各單獨地在通道上執行的各單獨功能的結果。
輸入能束包含多頻率能量，其中，各單獨的頻率通道起以本發明中所用的信息獨立地調製的獨立的載波的功能作用。本發明具有多個這樣的頻率多路化輸入。幹涉同時在所有輸入之中產生，對各載波頻率通道生成分開的幹涉圖象。因為採用公共的鏡片產生幹涉，所以在同一通用區中的所有圖象均欲相互重疊，雖然會發生某些頻率分隔。
雖然重疊圖象可被叫做一組合圖象，而事實是一單個通道中的調製變化僅在由該特定波長的能量產生的幹涉圖象中引起變化。由其他通道的能量所產生的其他圖象則不受影響。
圖象成分分離器，如一掩膜，使得能量可因為它們與各單獨圖象的關係由一或多個被專門選控的位置傳送到輸出。由於重疊的結果，同時從這些相同位置上由各單獨圖象進行輸出。利用來自各單獨通道的能量執行的功能取決於該通道輸入能束的調製特性、該通道的幹涉圖象的形狀，和欲由其取能量的圖象中的位置。這些參數依靠適當選擇和定向光學元件和依靠各單獨通道的調製格式和相位的選擇來加工進一特定的裝置。
因此，按照它們與所採用的公共鏡片的關係的各個通道的各單獨參數，本發明可以為一通道提供邏輯「與」，為另一通道提供邏輯「或」，為第三通道提供放大器，等等。
在採用公共鏡片時，輸出也是作頻率多路化的，並且它含有單獨地執行本發明中的功能的各通道內的結果，頻率多路化邏輯具有降低為控制許多信號所需的光學部件數量的優點。例如，一完整的頻率多路化字的各個比特可由控制一單個裝置的輸入信號來單個地或成組地接通和斷開。
本發明可採用任何產生幹涉的波動型能量來實現，包括聲波、運動粒子波、和電磁波。但對聲波和粒子波進行多路化比採用電磁波困難，因為所涉及的波長以不同的速度作用。不過本發明將利用這些另外的能量型式運行。從而，這些另外型式的能量可被用來提供採用幹涉的圖象檢測和多速電子控制為了一致性和理解，這裡將採用光學術語。
全息圖由多個能束或多組能束產生幹涉圖象。由於全息圖，特別是計算機產生的全息圖是實現本發明的方便途徑，下面將對本發明的輸入描述成為多組就象是一單個能束那樣被作一齊調製的能束。這樣做是因為許多射線、即能束組合以產生全息幹涉圖象、即條紋。然後多組輸入能束一致地動作來產生確定輸出的各種不同的幹涉圖象格式。
全息圖還能產生作頻率補償的重疊圖象，以使得各單獨通道圖象的重疊位置能被按照匹配某一定的圖象成分分離器所需地定位。計算機產生的全息圖還能被用來生成此圖象成分分離器。這使得全息圖象設計者能對本發明生成複雜的光學設置，它們能產生帶有匹配加工的圖象成分分離器的被加工的幹涉產生鏡片以使得此鏡片能被加工來提供特定通道上的特定功能。
美國專利5093802和作為本申請的繼續部分的美國專利申請NO.08/357460(Dec16，1994)中描述各單獨的頻率通道中發生的基於各單獨的幹涉的功能，其中前者說明採用單個頻率圖象(「條紋」)的某種基於幹涉的功能，後者說明「特殊幹涉」的應用。下面概略地解釋這些單獨的功能的運行。
幹涉由單色(或準單色)能量疊加產生。幹涉將來自輸入能束重新分配到由發生相消幹涉(DI)和相長幹涉(CI)的區域構成的幹涉圖象、即條紋。當此幹涉圖象的一部分被分離到輸出時，其輸出波形取決於由之取得輸出的圖象中的位置，並取決於輸入能束的受調波形。在由於一或多個能束的調製而發生輸入能束的各種不同的瞬間組合時，來自任一位置的輸出幅值為來自幹涉輸入能束的能量的瞬時向量和。如果輸出取自許多位置，則此輸出將是取自圖象中每一個位置的信號的組合。
當在一指定的輸入能束調製格式的狀態或關係期間在圖象中一定位置發生DI則該位置可被稱一「DI位置」，即使同時在該同一位置發生DI、CI的許多組合和其他能量組合。「CI位置」也是這樣。這種設計提供受調輸入能束的瞬時關係與由來自該特定位置的輸出能量得到的輸出關係之間的適宜的基準。
當來自DI位置的能量提供輸出，輸入能束作二進位調製時，輸出遵循附加有調相成分的布爾「異或」功能。如果一能束保持運行，即產生「非」功能。如果另一輸入能束作模擬調製，輸出即具有被反相的波形。如果由一CI位置分離能量且一能束保持運行，則輸出即為具有大於受調輸入中能量總數的受調能量的被放大的信號。如果二輸入均作二進位調製，就產生「或」功能。由圖象中其他位置分離能量產生具有各種相位調製特性的輸出波形的其他組合。
本發明是對採用楊氏幹涉的美國專利NO.5093802的改進，這樣就可能在一單個裝置中同時完成多個獨立的作頻率多路化的功能，而不再需要從前那樣要求各頻率分開的裝置。
特殊幹涉加以現在能為作頻率多路化操作與本發明相結合的大範圍的基於幹涉的功能。
楊氏幹涉包括任何類似於傳統的雙縫試驗的那些產生在其幹涉圖象成分中的能量關係的幹涉類型，而不管哪一種型式的幹涉器被用來產生它們。用於楊氏幹涉的數學關係在下面特殊幹涉基本討論中加以定義，取自專利中請NO.08/357460。基本運行理論申請人認定，在採用第一類型特殊幹涉的純粹相長幹涉位置上的能量幅度和強度可以利用所用的幅值方法的標準向量和與其他幹涉現象的適配來加以計算。
對於強度的基本公式已由余弦定律推導出並只考慮二輸入射線。
該公式是A＝第一能束的幅值；B＝第二能束的幅值；θ(theta)＝二能束間的相位差；強度＝I＝A2+B2+2ABCOS(θ)總的幅值Tci＝I的方根，正如A2＝幅度A的強度。
在相長幹涉(ci)區的中央，θ＝0，和COS(θ)＝+1。在相消幹涉(di)區的中央，θ＝180°，和COS(θ)＝-1。結果，在此二位置的二幅值的向量和也是幅值的代數和。
在ci區中此二射線同相位，故其和具有該同樣相位。因而此強度等式為Ici＝A2+B2+2AB＝(A+B)2在di區中，二射線異相，故向量和為二振幅在最大時的相位時之差。如果它們相等，代數和為零。此di強度等式成為Idi＝A2+B2-2AB＝(A-B)2這兩種情況可被看作為三個不同射線的向量和，分別標為B1、B2和U。在di區，B＝-B1＝B2，故U為A與B間之差，而A＝B+U。
當A自身在運行中時，位置1處的幅值為B1和U的向量和。其強度為(B1+U)2。
在能束B2進入運行時它與最初的二個組合，由於它與B1和U相位差180，幅值和強度的總數如式1所示。
式I，對於所有幹涉類型的di位置T1＝Tdi＝B1+U-B2＝UI1＝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
這恰恰是所期望的，因為幅度作代數相加，而強度是幅值的平方。
這表明，小於第一能束的異向能束的相加得到具有等於二者差值的能量。如果看作為三個能束之和，其中二個幅度相等但符號相反，第三能束等於在所有三個被相加之後餘留在該位置的能量的幅值。
幹涉過程在幹涉圖象內對能量重新定位。由di區消失的能量的相當值出現在ci區。如以上所示，當二不等的能束作相消幹涉時，di區中並非全部能量均被重新置於ci區。剩餘下的恰恰等於二不相等能束間之差。這一剩餘能量未被更換位置，它繼續到達di位置。因此，這一剩餘能量可被稱為「未被轉移」能量，因為它未被幹涉轉移到ci區。
結果，人們就可以將顯然由di區消失的能量說成是「被轉移」能量。
在楊氏ci區中，在楊氏幹涉的情況下，在僅一個能束在運行中時到達第二位置，即ci區的能量的幅值為A。A可被認為是二幅值B1和U之和。
而當能束B2進入運行中時它與首先的二個相組合。因為它與B1和U同相位，B＝B1＝B2，而幅值和強度的總和如等式2中所示。
等式2，在放大或飽和狀態中的楊氏幹涉T2＝Tci＝B1+U+B2＝2B+UI2＝Ici＝(B1+U+B2)2＝(2B+U)2而且在飽和時有I2＝Ici＝A2+B2+2AB＝(B+U)2+B2+2B(B+U)＝B2+2BU+U2+B2+2B2+2BU＝4B2+4BU+U2
＝(2B+U)2這也正是所期望的，因為幅值作代數相加，而強度是幅值的平方。
在這種情況下，楊氏幹涉在僅有一能束在運行中時使能量被導引至這一ci位置。當第二能束進入運行時，來自di區的能量被轉移到ci區。如此上所示，被幹涉加到ci區的能量嚴格等於由di區移走的能量。
因此存在有二相等的部分，B1和B2。一來自能束A和另一個來自能束B。二者之間的差為U。
在ci和di兩種情況下，U均保持不變。它被稱之為「未被轉移」的能量。雖然，即使在ci區它亦維持不受B1與B2間發生的幹涉的影響。
如果B升高到等於A，在二位置U都降至零。在di位置所得的幹涉圖象完全成為黑的，在ci位置的強度成為4A2＝4B2。全部能量均傳播到幹涉圖象。
當A與B不相等時，所形成的圖象可被看成是二圖象之和。一個圖象是由部分B1和B2形成的熟知的幹涉條紋型式的幹涉圖象。另一圖象是一始終一致的斑點，部分之間沒有對比度變化，其幅度為U，其強度為U2。
因此，二不相等的能束間之差U，可被恰當地稱之為「未被轉移」的，因為當B1和B2截止時它以同樣的形式到達同樣的位置。
B1和B2被恰當地稱之為「被轉移的」能量，因為為了形成幹涉圖象這種能量被作了重新配置，即被作了轉移。在此圖象中來自di位置的能量被轉移到ci位置，與來自只要不存在幹涉總會到達的另一能束的相等的能量相組合。
在特殊幹涉中，當僅有一能束在運行中時不對位置2即ci位置有任何傳播。這是因為能束與di位置比較很小，並僅被引導向di位置，和不擴展到覆蓋最終ci要發生的位置。
di區的功能恰如上述，具有與B異相的來自A的兩個同相能束。
ci區在不存在幹涉時沒有能量。最重要的是它沒有」未被轉移「的能量(即U＝0)。
當第二能束(B2)進入運行時，發生幹涉產生幹涉圖象，由di位置移走能量(B2-B2)，留下U作為剩餘能量。
由di位置移走的能量被轉移到ci位置作為B1+B2。它具有強度(B2+B2)2。
經過替代得到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，在這一位置U＝0，產生如等式3中所示的重要關係。
等式3，放大或飽和狀態中的第一類型幹涉T2＝2BI2＝(2B+O)2＝4B2這樣即為振幅和強度雙方推導得第一類型特殊幹涉的等式。
任一應用中的總能量取決於ci面積和di面積，因為它們可能由許多射線、甚至數千或數萬射線構成。全部能量可被擴大來覆蓋很大的面積，或者聚焦到很小面積。輸出特徵將是大小、位置和輸出面積相對於圖象的圖象成分分離器的圖象面積之比的功用。來自非純粹ci或di的圖象的其他部分的傳播能量也傳播到發明的整個運行中。
這些等式對放大和限幅過程的重要性不能加以誇大。作為示例，被定向到位置1的基本恆定功率能束A和一控制能束B(小於A)在位置1和2產生幹涉圖象，di在1，ci在2。
輸出強度為4B2，幅值為2B。在鏡片損壞或其他將實際改變此設置的其他因素的極限之內A在怎樣程度上大於B無關緊要。被轉移到輸出的能量正比於控制能束B。
當控制能束為幅度調製時，輸出也為幅度調製，具有控制能束的幅度的二倍。在輸出波形的信息承載部分的能量被加倍。與採用楊氏幹涉的現有技術的放大器不同，本發明不生成剩餘輸出U，不對幹涉圖象傳播的未轉移的剩餘能量。
只要此受調能束小於此恆定能束，輸出就將被放大。輸出幅值總是二者中的較小者的雙倍。
下面考慮在受調控制能束升高到恆定的功率能束的能級之上時發生的情況。在B＞A時，任何時刻輸出均將為二者中較小者的二倍。這與上面等式中更換能束名稱相同。因為較小的一個也就是恆定的一個，不管B被作怎樣強的調製，輸出均將為恆定的2A，仍然要在不破壞或改變光學設施的範圍之內。這種情況稱為「飽合」。所有可能來自能束A的能量均被轉移到輸出。
因此，本發明的放大曲線是非線性的。以光速運行的非線性鏡片能完成許多否則是不可能的任務。已收調波形在二輸入能束相等時將受到限制和箝位。
第二類型物殊幹涉也能被看作是具有三個成分的幅值。功率能束(A)被定向於di位置，它不會被導引至ci位置，正如同第一類型特殊幹涉那樣。
控制能束(B)被定向於二個位置。因而這一類型的幹涉將不會在一單個階段中產生一邏輯「與」，但它構萬一理想的放大器。
當控制能束截止時，I2＝0，I1＝B1+U。
當控制能束小於基本恆定的功率能束時，A＝B1+U，B＝B2。位置1的幅值將為B1+U。
等式U，放大中的第二類型幹涉；幅值＝T2＝B1+B2＝2B
強度＝I2＝(B1+B2)2＝4B2這與採用第一類型特殊幹涉時同樣。當設置進入飽和時出現差異。發生這種情況時，等於B-A(因為B較大)的未被轉移的能量(U)不來自功率能束。在這種情況下，剩餘能量來自被直接定向到輸出的控制能束。因而，飽和期間的輸出如等式5中所示。
等式5，飽和中的第二類型幹涉幅值＝T2＝B1+B2+U＝2B+U＝2A+U強度＝I2＝(B1+B2+U)2＝4A2+4AU+U2因為A為常數所以放大減弱。功率能束的所有可能的能量均轉移到輸出。B的進一步增大未被加倍的U的大小。在求平方以生成強度時，因子4AU表明存在著與來自幹涉圖象的其他部分的能量的某種交互作用，但U保持相同。
結果，在B＜A時，這一第二類型特殊幹涉象第一類型特殊幹涉性能一樣。但它在B＞A時性能與楊氏幹涉相同。放大仍有某種限制但不被箝位。寬帶和窄能設置上述過程是與相位相關的，由di位置移走的能量被重新送到ci位置。但如信號在其他相位到達第一位置時會是什麼？在這種情況下，ci位置在其他的地點，結果是近似於調相信號的二進位操作。為使ci位置與輸出位置相同輸入將必須絕對為異相的。
實踐中，所用的鏡片將必須以波長單位和波長大小加工。大部分光學設置依賴於來自於輸入能束的多個交叉點的能量的平均。由這些多個點能量的平均產生熟知的正弦波幹涉條紋。
如果放大器被加工成包括大量的這種點以便應用此平均原理，則它將具有寬的帶寬並將能具有應用多個輸入頻率的功能。輸出位置的作用就好像一組每一個採用單獨射線組的邊靠邊地排列的控制器。
在這種情況下，輸出通路包括大量波長大小的位置。對於稍有不同的相位和稍許不同的頻率，每對輸入位置中的ci位置將在稍許不同的輸出位置。如果這些位置恰都在此通路的區域內，能量就將輸出。如果不是則無輸出。
近代的鏡片能以波長大小運行。波長大小輸入能束和波長大小輸出通路將產生與多位置平均式的鏡片相當不同的操作過程。鏡片越精確，為使得ci區命中輸出通路相位和頻率就必須越精確。
為了使ci區命中波長大小輸出通路，波長大小的精確性將使得在第一位置上只有當相位足夠地接近180°時調相信號才輸出。由模擬調相信號的輸出只有在二輸入嚴格地為異相時才為二進輸出。
如果採用多頻率，將能命中輸出通路的僅有頻率將是那些符合使ci位置是微輸出孔時的波長几何條件的頻率。
因此，每一方法和每一裝置均必須被加工來產生所需的放大器型式。如果一相位解調器要以模擬輸入運行，它就將必須是平均多位置(寬帶)式。如果它要在二進位電路中運行，則單個的波長大小位置(窄帶)式將十分良好地工作。
借且利用具有一共用的第一位置、但分開的輸出位置的多個波長大小控制器，有可能產生相當大數量的組合操作，從而能同時處理各種不同的信號。
由定向到一共用信號的不同位置輸入能束能產生一頻分多路分配器。每一不同頻率將在不同輸出位置生成其ci。如果各輸出位置在圖象在分分離器中具有其自己的輸出通路，輸入中的一組複雜的頻率將被分離成獨立的輸出。同時它將濾出其當中的任何頻率，因為設有用於這些頻率的輸出通路，和設有提供符合的輸入頻率。
如果控制輸入被導引至一共用位置和採用多個功率輸入，各自具有不同的頻率和不同的位置，就可將幾何結構安排成使ci位置全都符合，以產生一非常準確的頻率可選濾波器。所有符合一功率能束的頻率均將在公共輸出通路有它們的ci。所有其他頻率都沒有。這種設置與寬帶平均設置間的區別是每一個通過濾波器的頻率均必須佳精確地符合功率能束的頻率和相位。在波長大小，濾波器能提供任何已知手段的最佳選擇，特別是在光波頻率及以上。
由前述討論可見，當那些向量組合被一圖象成分分離器由一幹涉圖象的各種不同部分分離時，相干能量的向量和產生大量不同的邏輯、放大和能束控制功能。這些向量組合如何利用任一類型幹涉來生成取決於用於產生幹涉的鏡片和相干輸入能束的相位和幅值關係。結果，這裡的許多對「相長幹涉」和「相消幹涉」的基準可應用到一幹涉圖象內能量的所有可能的向量組合，不管向量和是產生最大、最小或中間的什麼值。術語「相長幹涉」可包括任何大於或等於簡單的強度相加向量結果，而術語「相消幹涉」可包括任何小於簡單的強度相加的向量結果。不過在討論相位關係時，這些術語用於存在這樣的相位關係時的最大和最小。
專利申請NO.08/357460和專利NO.5093802說明怎樣利用單一頻率的相干能量來完成能束控制、放大、和邏輯功能。總起來說，這些產生基於幹涉的功能的裝置和過程被叫做「光子電晶體」，因為它們能利用光子來完成正常由利用電子電晶體完成的任務。
本發明增加頻率多路化操作的基本原理來對一單個裝置內的各單獨的頻率多路化通道同時提供所有的獨立光子電晶體的基於幹涉的功能。結果，單通道裝置能被連接到頻率多路化裝置，而頻率多路化裝置則能在象單通道裝置同樣的組織安排中加以相互連接。本發明的優點是，各單獨的複合操作能採用單一組鏡片按照多通道來運行。
頻率多路化所賴以依據的基本物理過程的一個重要部分最早是在十九世紀驗證的，當時將具有數個譜線的光首先通經一Fabry-Perot標準器，然後再通過一三稜鏡。標準器產生一組合的多頻率幹涉圖象。由三稜鏡作的隨後的頻率分離將組合圖象每一波長一個條紋地分離成一組各單獨的幹涉條紋。在將輸入縫隙作得非常窄時，三稜鏡分離出各條紋的很小部分。
這一過程今天被用來正確地確定數個譜線的相對波長。許多基本鏡片文章中有對這一過程的說明，如FrancisA等的「鏡片基礎」(Copyrights 1976，Mc Graw-Hill)。在該說明和所附照片中，申請人注意到它的一些運行特性，大大超出所討論主頻範圍，作者顯然未加討論或理能。就申請人所知，這些特性迄今還沒有在任何科學雜誌中指出或加以說明過。特別是，儘管由此標準器同時產生了許多幹涉條紋，因為存在著其他波長間的幹涉，分開的圖象沒有經受任何畸變。這一點指明，任何可能發生在一個波長的變化，不會影響在其他波長所產生的圖象。
申請人還注意到，標準器僅具有一個光輸入，這與光子電晶體不同，後者需要二個或更多的輸入以便能利用輸入信號的各種不同的組合來產生幹涉圖象的各種不同組合，然後可將它們分離來產生輸出中的各種不同功能。
將頻率多路化能束的能力組合來產生具有光子電晶體功能的獨立的但相重疊的幹涉圖象已取得本發明的成果，即頻率多路化邏輯、放大、和能束控制。
單頻率輸入依靠相對輸出位置限定輸入能束來產生放大、能量控制和邏輯。在本發明中，採用多頻率通道作為輸入。將信息作多路化進各單獨通道不限於本發明。採用寬帶鏡片以便能保證被作多路化的信息的整個頻譜頻帶能在由各單獨幹涉圖象中所選擇的特定位置分離後通過進入輸出。
儘管在申請人在對原始的光子電晶體專利NO.5093802的工作中，看來還必須設法能設計本發明來接納多個波長，完成過去所欠缺的基本裝置。只有在作相當大努力和研究後才能確定為完成頻率多路化操作所需的具體機構。只有做到這一點才能明確對各通道波長產生各單獨幹涉圖象，因為各單獨幹涉圖象的CI和DI區通常並不準確地位於相同位置而需要寬帶鏡片。
每一通道所用的準確的頻率必須被選擇得使輸入信號混合所產生的中間頻率不致串擾進其他通道。一經適當地選擇，由各單獨頻率產生的幹涉圖象將相互獨立地起作用，即使它們被置於具有來自圖象成分分離器中的公共輸出位置的輸出的同一通用場所上。
頻率多路化輸出的各個通道的性能作用與以上對單頻率設置所述相同，除開現在是在同一光學設置中同時發生許多操作。因此，本發明提供頻率多路化邏輯、能束控制放大，而無需將信號作多路選擇進分開的裝置來進行處理。
將來自全息圖象的能束概念與有效功能頻率多路化相結合，產生一執行頻率多路化邏輯、放大和能束控制功能的全面的裝置和方法，它包括下列步驟1.產生包含有具有以經編碼信息調製的至少一個波長的至少一個能束的第一組能束組、和具有以經編碼信息調製的至少一另外的波長的至少一個能束的至少一第二組能束組的第一頻率多路化輸入；2.產生包含具有以經編碼信息調製的所述至少一波長的至少一個第三能束的第三組能束組、和具有以經編碼信息調製的所述至少一另外的波長的至少一個能束的至少一第四組能束組的第二頻率多路化輸入；3.以所述第一組和第三組能束產生第一幹涉圖象，以所述第二和第四組能束產生至少一另外的幹涉圖象；和4.由所述第一幹涉圖象內至少一位置和所述至少一另外的幹涉圖象內至少一位置分離能量以提供具有在所述至少一波長和所述至少一另外波長的能量的至少一個輸出。
其中所述功能是以在所述至少一位置的相長和相消幹涉為基礎的。
本發明申請中所採用的「調製」包括連續運行和連續截止的狀態，如有效的二進位邏輯狀態的情況那樣。
具有相同波長的第一和第三組能束構成一單個通道的二最小輸入。在「至少一位置」的圖象成分分離器將第一幹涉圖象加以分離以產生「至少一輸出」。
具有另外的波長的第二和第四組能束，組成另外的通道所需的二最小輸入。來自此「至少一另外的波長」的至少一另外的幹涉圖象的能量也被由此「至少一位置」分離進此「最少一輸出」，很顯然，許多具有多組能束的多通道可利用這一基本裝置和方法由所產生的多圖象內的許多位置產生許多輸出。事實上，電磁能譜的很寬的部分能被加以通道化來提供含有成千成萬的獨立的同時的功能的頻率多路化功能。這樣的設置僅受為組織、定向和產生能夠恰當地將許多幹涉圖象與圖象成分分離器的輸出位置對準的寬帶鏡片的加工能力。
放大功能可在一單個通道上利用基本發明如下所述執行1.將第一幹涉圖象布置成能在所述第一幹涉圖象內在所述至少一位置發生相長幹涉；和
2.保持所述第一組能束為一基本恆定的高於零的電平，由此以產生所述至少一波長的具有來自受調第三組能束和恆定的第一組能束雙方的能量的輸出，來提供對所述至少一第一波長的放大。
然後就可以恰當地調製對通道的輸入信號和由該通道的幹涉圖象中CI位置分離能束對任一通道進行放大。
所有的邏輯功能均可在一通道上進行，以數字信息調製輸入信號然後由適當的幹涉圖象中的一或多個位置分離輸出來完成所希望的邏輯功能。
在這種情況中，第一和第三組能束以數字信息調製，由此來提供基於所述至少一波長的所述第一幹涉圖象中的相長和相消幹涉的頻率多路化數字邏輯。
同樣對於其他的通道，第二和第四組能束被以數字信息調製，由此來提供與之同時的但獨立於基於所述至少一波長的所述第一幹涉圖象中的相長和相消幹涉的所述頻率多路化邏輯的基於所述至少一另外波長的所述至少一另外的幹涉圖象中的相長和相消幹涉的所述頻率多路化數字邏輯。
本發明提供應用基於幹涉功能的頻率多路化能束控制。
本發明還提供應用基於幹涉功能的頻率多路化放大器。
本發明也提供應用基於幹涉功能的頻率多路化布爾邏輯。
本發明還提供包含布爾邏輯、放大、和能束控制的頻率多路化的基於幹涉的功能。
通過對附圖
、執行本發明的最佳方式、和隨後的權利要求的研討，前述本發明的優越性將更為清楚。
對所列附圖的簡要說明圖1為表明基本的頻率多路化能束控制器如何運行的運行圖；圖2為利用向量來說明和分析圖1和3的裝置的運行的能譜圖；和圖3為說明採用全息圖鏡片的頻率多路化能束控制器一實施例的運行的運行圖。
請注意，為了便於清楚地理解，(圖中的)能束角度、大小和比例均作了誇大。
實施本發明的最佳方式圖1為表示本發明一基本實施例的透視圖，來自一第一頻率多路化輸入(10)的能量被疊加到來自進到圖象成分分離器(15)的第二頻率多路化輸入(11)的能量上。
第一頻率多路化輸入包括多個包含多個不同波長的通道，各通道具有至少一波長的能量第一組能束。顯然，任何附加的通道各自將具有其他的另外波長的載波能束組。
因為多波長也可以相同的信息加以調製，所以說成是第一組能束具有「至少一波長」的能量。
第二頻率多路化輸入(11)還包括多個不同波長的通道，其中含有具有與上述第一組能束相同波長的能量的第三組能束，和具有與上述第二組能束相同波長的能量的第四組能束。
各頻率多路化輸入中的每一頻率多路化通道被以用於控制基於幹涉的功能的信息分開地調製。
輸入(10)和(11)間的幹涉產生重疊的幹涉圖象(12)和(13)。第一幹涉圖象(12)由在圖2中標明為(24)和(25)的第一和第三組能束產生，至少一另外幹涉圖象(13)由圖2中標明為(28)和(29)的第二和第四組能束產生。此第一、第二、第三和第四組能束(24)、(25、)(28)和(29)在圖2中表示為向量。它們在圖1和圖3中未被專門地表示作為獨立的單元，因為每一個均是以多個單獨的能束組成的。
(12)的剖面線表示第一幹涉圖象的欲被分離進至少一輸出(17)的那部分。(13)的剖面線也為該至少一另外圖象的欲被分離進至少一輸出(17)的那部分。
(16)的剖面線為二圖象的二個均要被分離進至少一輸出(17)的重疊面積。
在這種情況下，圖象成分分離器(15)為一其中帶有開孔(14)的掩膜。因為其相對於圖象的定位和取向，開孔(14)使得來自圖象的所希望的組成部分的能量能傳送到輸出(17)。
圖2表示本發明一更複雜設置的能譜圖。能譜(20)、(21)和(22)代表頻率多路化輸入。能譜(23)為頻率多路化輸出。沿著各水平線的幅度向量代表各不同頻率通道。各不同輸入和輸出的向量垂直向上。(相位角未加表示)。
例如，向量(24)、(25)、和(26)代表紫色輸入。它們組合形成一紫色幹涉圖象。被分離的紫色輸出以向量(27)代表。這構成紫色通道。同樣的設置也被表示為蘭色通道向量(28)、(29)、(30)和(31)，黃色通道向量(32)、(33)、(34)和(35)，橘紅色通道向量(36)、(37)、(38)和(39)，紅色通道向量(40)、(41)、(42)和(43)，最後，紅外能通向量(44)、(45)、(46)和(47)，顯然，如果要採用白色通道化的光線，則會有比一簡單的圖形說明所能表示的多得多的通道。
結合圖1和圖2一齊考慮，頻率多路化輸入(10)具有一通道化的動態輸入能譜，對於一給定示例，類似於能譜(20)。對於此同一示例，頻率多路化輸入(11)象能譜(21)。因為圖1是一二輸入裝置，所以不用能譜(22)。
由向量和(24)的和(25)所代表的各通道均具有由公共的寬帶鏡片(圖中未示出)所產生的自己的幹涉圖象(12)，並具有它的從該圖象分離的輸出(17)。每一通道獨立運行產生向量化的輸出，它是對圖象成分分離器(15)的開孔(14)內所有位置的它的向量輸入的向量和。
圖3表示一採用全息圖的更複雜的設置。此圖可用於說明數種輸入能譜類型。頻率多路化輸入為(50)、(51)、(52)和(53)。由於一可能的調製組合包括一個其中所有的通道除一個外均截止，所以這些輸入也可以是單色的或準單色。準單色輸入通常具有數個全都以同樣信息調製的相接近的頻率線。
實現本發明的最方便的途徑之一是採用計算機生成的全息圖。全息圖(54)、(55)、(56)和(57)可以是各單獨的全息圖或一較大全息圖的子全息圖部分。一次跟蹤一個通道，可以理解各通道是如何獨立地運行的，以及在特定的光學結構上它是如何與其他通道相關連的。首先我們追尋帶有輸出(27)的紫色通道。
頻率多路化輸入(50)的能量與能譜(20)匹配，並被導引到全息圖(54)。各象素，如(60)、(61)和(62)調整到達該象素的能量的相位、方向和其他性質，就象該位置的全息圖是一小組光象元件。這些元件可由電腦程式確定並產生適當的幹涉圖象。
發自象素(60)、(61)和(62)的箭頭構成討論中的特定通道(波長)的能束組的部分。整個能束組包含它們在發射紫光時來自所有全息圖(54)的象素的能量。
全息圖(54)被設計來提供象素大小的光學元件的配位，以使得來自輸入(50)的能量能被導引向圖象成分分離器(72)。在此產生一紫色通道圖象，圖象(73)。
為完成能量控制、放大、和/或邏輯，至少需要二個輸入。與能譜(21)匹配的頻率多路化輸入(51)，由象素元件和全息圖(55)中的(66)、(67)和(68)導引來將它的能量和調製格式傳播到圖象(73)。來自全息圖(55)的紫色能束組是來自全息圖(55)的所有發射紫色的象素來的所有能量，每一發射象素提供一能束至能束組。由於頻率多路化輸入(51)的紫色通道是作整體調製的，所有來自全息圖(55)的細小紫色能束也以同樣的信息(25)調製。但是，頻率多路化輸入(50)中的紫色通道以不同的信息(24)調製，這進而使得來自全息圖(54)的紫色能束組的全部細微紫色能束均以公共信息調製。
頻率多路化輸入(52)以信息(22)調製，並由帶有示倒象素(69)、(70)和(71)的全息圖(56)定向。來自頻率多路化輸入(50)、(51)和(52)的三個調製格式然後被加以組合來產生動態幹涉圖象(73)。
圖象(73)包括CI和DI成分，它們在對該紫色波長的輸入幅值和相位變化時改變位置。結果，該波長的能量即跟隨各種不同輸入信號的瞬間輸入向量(24)、(25)和(26)改變。
所執行的功能還取決於通道圖象內由其分離能量的位置。在象素位置(76)和(77)可以採用象素大小的反射器來分離和導引能量至一共同輸出(78)。輸出(78)將含有到達位置(76)和(77)的能量的向量和，它是來自按全息圖(54)、(55)和(56)配置的頻率多路化輸入(50)、(51)和(52)的圖象(73)中能量的向量和。因此，輸出(78)就是頻率多路化輸入的完全能計算的結果。
頻率多路化輸入(53)是許多其他能被相加的可能的輸入之一的舉例。同樣，它具有一產生幹涉的全息圖(57)和示例象素單元(63)、(64)和(65)，而且它還具有象其他一樣的自己向量化輸入通道組。
如果頻率多路化輸入(50)～(53)的任一個含有紫色通道的能量，則該輸入即將向該通道的波長輸出(78)傳播能量。它將包含所有與由能束組合全息圖(54)～(57)所產生的任何複雜成象設置相組合中的向量化結果。這些由複雜的紫色圖象選擇的組合向量產生在該通道上執行的各種不同基於幹涉的單獨的功能。對每一個其他通道也是同樣。
下面可考慮另一通道，例如，帶有瞬時輸入向量(28)、(29)和(30)的蘭色通道，它在蘭色圖象(75)內至少一位置產生輸出向量(31)。
在這一情況下，有三個具有蘭色成分的輸入頻率多路化輸入(50)、(51)和(52)。導引紫色光線的同樣的象素單元可能或者不導引蘭色光線。總之，可能的象素單元之一可能是僅允許窄範圍的通道通過的窄帶濾波器。但是所有這些發射蘭色光線的象素如(60)和(61)由頻率多路化輸入(50)組成蘭色能束組。頻率多路化輸入(51)和(52)也具有它們各自的蘭色能束組，如分別以發自象素(66)、(67)和(68)以及(69)、(70)和(71)的象素的箭頭所示。
如紫色通道那樣，蘭色通道以經編碼的信息獨立地調製，但在各輸入能束組中的每一細微象素能束均以同樣信息調製。因此，改變蘭色幹涉圖象(75)內的調製格式會改變圖象中CI和DI的位置，而圖象的形狀及其與其他通道圖象的關係則由每一象素的光學元件的定位、取向和類型，以及它們與同一全息圖內的其它光學元件象素和圖象成分分離器相關的方式所控制。
需要考慮輸出分隔象素(76)和(77)。如由觀察各圖象輪部可知，輸出象素(77)位於蘭色圖象(75)之內，而輸出象素(76)不在蘭色圖象之內。因此輸出象素(77)對(78)的蘭色輸出提供能量，而輸出象素(76)則不是這樣。
圖2中向量(40)、(41)和(42)所示的紅色通道是頻率多路化輸入(50)、(51)和(52)上的輸入，導致產生紅色圖象(74)的來自全息圖(54)、(55)和(56)的紅色能束組。在這一情況下，輸出象素(76)供給能量至輸出(78)而輸出象素(77)則否。
幹涉是與波長相關的現象。因此通道圖象要作相互間空間上的調整。這就意味著圖象的部分重疊，及它們的部分不重疊。能構成圖象成分分離器(72)的象素光學元件是靜止的，所以任何傳播到輸出(78)的光線的幅值和相位取決於圖象相對輸出象素的位置，圖象的哪一部分，CI、DI或其中間，出現在這些輸出位置，以及輸出象素鏡片如何處理各能量分隔象素的能量的相位、方向和其他參數。
由對象素鏡片陳列所產生的圖象進行計算，電腦程式就能確定由各通道中的各種不同調製格式將得到怎樣的輸出波形，並由此確定為產生一理想的通道圖象組該全息圖中所需的象素鏡片的最佳配置。光學輸出象素單元組可以同樣的方法計算，產生所希望的頻率多路化輸出。
另一輸出示例由在圖象成分分離器(72)中作策略布置的三個開孔(79)、(80)和(81)來說明。這些可以是象素大小的開孔或者每一個取圖示多個象素位置的較大的開孔。就象輸出象素(76)處的反射鏡那樣，這些開孔實際上可包含為在輸出(82)進行組合時協調分離自各個位置的能量的光學元件。這些光學元件可能包括有透鏡、反射鏡、移相器、濾光器、或任何其他光學元件(組)，它們均被作為將能量導引至輸出(82)的定位和取向。
在實施本發明中，可以採用能束組合鏡片的實際限度之內的任何數量的頻率多路化輸入。在可被列入的通道數量方面的唯一的實際限制是所採用鏡片的通帶特性。所以，依靠將信息作頻率多路化進輸入和輸入能束可實現大量的能束控制、放大和邏輯功能。因此，本發明可採用公用的鏡片組或全息圖、包括計算機產生的全息圖來設計加工。
雖然本發明的上述說明揭示了實現本發明的特定結構、裝置和方法，而由於對於計算光學裝置等技術領域的熟知人員來說作特定的改善和修改將是十分顯而易見的，所以申請人的目的將不是以任一上述說明來作限制，而僅僅以下面的權利要求加以限定。
權利要求
1.一種執行頻率多路化邏輯、放大、和能束控制功能的方法，其包括以下步驟產生包含具有由信息調製的至少一波長的至少一能束的第一組能束和具有以信息調製的至少一另外波長的至少一能束的至少一第二組能束的第一頻率多路化輸入；產生包含具有以信息調製的所述至少一波長的至少一能束的第三組能束和具有以信息調製的所述至少一另外波長的至少一能束的至少一第四組能束的第二頻率多路化輸入；以所述第一和第二組能束產生第一幹涉圖象，以所述第二和第四組能束產生至少一另外幹涉圖象；和由所述第一幹涉圖象內至少一位置和由所述至少一另外幹涉圖象內至少一位置分離能量以提供具有所述至少一波長和所述至少一另外波長的能量的至少一輸出，其中，所述功能是基於在所述至少一位置的相長和相消幹涉。
2.按照權利要求1的發明，其中相長幹涉發生在所述第一幹涉圖象內所述至少一位置，和包括有保持所述第一組能束在一基本恆定的高於零的能級，由此得到所述至少一波長的放大。
3.按照權利要求1的發明，其中對所述第一和第三能束組進行調製的所述信息為數字信息，由此提供基於在所述至少一波長的所述第一幹涉圖象內的相長和相消幹涉的頻率多路化數字邏輯。
4.按照權利要求3的發明，其中對所述第二和第四組能束進行調製的所述信息為數字信息，由此與基於在所述至少一波長的所述第一幹涉圖象內的相長和相消幹涉的所述頻率多路化邏輯同時地並獨立地提供基於在所述至少一另外波長的所述至少一另外幹涉圖象內的相長和相消幹涉的所述頻率多路化數字邏輯。
5.按照權利要求1的發明，其中所述至少一輸出取自所述幹涉圖象內的多個位置；並包括有在每一個所述多個位置利用至少一光學元件處理被分開的能量以便在其被導引到所述至少一輸出時對來自每一個所述多個位置的能量進行配位。
6.用于波動式能量的頻率多路化器，其包括第一頻率多路化輸入裝置，包括具有以信息調製的至少一波長的至少一能束的第一組能束，和具有以信息調製的至少一另外波長的至少一能束的至少一第二組能束；第二頻率多路化輸入裝置，包括具有以信息調製的所述至少一波長的至少一個能束的第三組能束，和具有以信息調製的所述至少一另外波長的至少一能束的至少一第四組能束；引導裝置，導引所述第一、第二、第三和第四組能束以便以第一和第三組能束產生第一幹涉圖象和以所述第二和第四組能束產生至少一另外幹涉圖象；和圖象成分分離裝置，由所述第一幹涉圖象內的至少一位置和由所述至少一另外幹涉圖象內的至少一位置分離能量以提供具有在所述至少一波長和所述至少一另外波長的能量的至少一輸出。
7.按照權利要求6的發明，其中所述引導裝置被定位和取向得能在所述第一幹涉圖象內所述至少一位置發生相長幹涉，並包括保持所述第一組能束為一基本恆定的高於零能級的裝置，由此提供所述至少一波長的放大。
8.按照權利要求6的發明，其中對所述第一和第三組能束進行調製的所述信息為數字信息，由此來得到基於所述至少一波長的所述第一幹涉圖象內的相長和相消幹涉的頻率多路化數字邏輯。
9.按照權利要求8的發明，其中對所述第二和第四組能束進行調製的所述信息是數字信息，由此在與基於所述至少一波長的所述第一幹涉圖象內的相長和相消幹涉的所述頻率多路化邏輯同時而獨立地提供基於在所述至少一另外波長的所述至少一另外幹涉圖象內的相長和相消幹涉的所述頻率多路化數字邏輯。
10.按照權利要求6的發明，其中所述至少一輸出取自所述幹涉圖象內的多個位置，並包括有處理裝置，用來在每一所述多個位置利用至少一光學元件處理被分離的能量以便在其被導引到所述至少一輸出時對來自每一所述多個位置的能量進行配位。
全文摘要
利用各自具有與通道頻率匹配的能束組的多個頻率多路化輸入(10,11)在一單個裝置內各單獨的通道同時地進行頻率多路化邏輯、放大、和能束控制功能的裝置和方法。對每一通道一個地同時產生一組幹涉圖象(12、15),將來自圖象的能量加以分離以生成頻率多路化的輸出(17)。在各單獨通道上執行的各個功能為每一通道圖象內的相長幹涉和相消幹涉的結果。
文檔編號G02F3/00GK1174615SQ95197528
公開日1998年2月25日 申請日期1995年12月14日 優先權日1994年12月16日
發明者約翰·N·海特 申請人:塞伯戴恩計算機公司