專(zhuān)利名稱(chēng)：全息神經(jīng)芯片的制作方法
這項(xiàng)發(fā)明涉及一種光電集成電路(1)，光從光源發(fā)出，其中光線透過(guò)某些運(yùn)作的光學(xué)元件并/或由某些運(yùn)作的光學(xué)元件反射，從而產(chǎn)生光圖案(2)。
我們所熟悉的光電線路，通過(guò)運(yùn)用一個(gè)或多個(gè)全息照相，將光源和探測(cè)器按預(yù)定的布置連接在一起，卻沒(méi)有注意到把光源和探測(cè)器最佳相互連接。當(dāng)光源與檢測(cè)器集成后且他們的大小與間距具有相應(yīng)于所用光波長(zhǎng)的幾倍的大小時(shí)，這種方法就失敗了。
本發(fā)明的任務(wù)是在襯底上給出光源與探測(cè)器的一種最佳布置，以便使這種與全息照相光連結(jié)的電路盡可能地高度集成。
本發(fā)明是以如下的方法完成這個(gè)任務(wù)的光圖案全部或部分地通過(guò)一個(gè)或多個(gè)全息照相(4)以及可選擇的附屬透鏡(5)，如有必要通過(guò)錯(cuò)誤成像畸變，以由全息照相確定的光強(qiáng)度反射到電路(3)上。反射回來(lái)的光圖案部分或全部地落在光學(xué)元件上，例如光探測(cè)器和光調(diào)制器，以使光圖案的一點(diǎn)或多點(diǎn)發(fā)出的光強(qiáng)度能聯(lián)結(jié)在一起。
此項(xiàng)發(fā)明也可在一襯底上完成，在襯底上設(shè)有激光二極管或發(fā)光二極管，光線由二極管向上或向下透過(guò)襯底發(fā)出。另外在襯底上還可附有與襯底集成的光電調(diào)制器，用以調(diào)制由全息照相或透鏡聚焦的激光束。從襯底向上或向下發(fā)出的光分布可通過(guò)全息照相和透鏡或是只通過(guò)全息照相被多次點(diǎn)反射(punktspiegeln)，并相對(duì)移動(dòng)，從上部或下部透過(guò)襯底，用預(yù)期的強(qiáng)度在襯底表層成像。位于襯底一定的位置上的探測(cè)器接收從上部或下部透過(guò)襯底的光線。這些光線要通過(guò)光學(xué)元件多次調(diào)制并通過(guò)全息照相多次反射。此外，其他功能由位于襯底上的電路完成。
如果用于成像的全息照相和透鏡位于襯底的上面或在其內(nèi)部，人們便可以得到一個(gè)更為緊湊的模式。其他連結(jié)如下成像的全息照相和透鏡位于一個(gè)放置于襯底正面或反面的透光層上或透光層中。不需要的光線可通過(guò)遮光板消除。遮光板可通過(guò)腐蝕形成于襯底中或固定于襯底的透光層上。另外多個(gè)這樣的電路可采用夾心三明治的方式連結(jié)在一起，全息照相和透鏡可使光線從下一個(gè)電路平面投射到另一個(gè)電路平面。
可調(diào)控光源及調(diào)制器可以通過(guò)在襯底放置的SEED(自動(dòng)光電效應(yīng)裝置)元件實(shí)現(xiàn)，它們的狀態(tài)可有選擇地通過(guò)電子方法或投射的光線來(lái)改變。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可如此產(chǎn)生光線不斷地有規(guī)律地重復(fù)反射到電路上，在每個(gè)光點(diǎn)附近可形成其它每一個(gè)光點(diǎn)的成像。以矩陣，行，或列的形式的光分布不斷地被反射到矩陣，行或列的形式的光探測(cè)器組上，從而組成矢量-矩陣-乘法器。
此項(xiàng)發(fā)明還將借助以圖形描述的例子作進(jìn)一步解釋。
在這項(xiàng)發(fā)明中全息照相的概念是指各種類(lèi)型的光衍射結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改變投射光的波前，使得光點(diǎn)只通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，并借助于附加透鏡和/或附加反射鏡而成像。通過(guò)振幅、相位、極化，或它們的組合的局部變化產(chǎn)生衍射。特別要提的是光柵、膠片全息照相、相陣、菲涅耳透鏡、多層全息照相、具有一定深度或立體的全息照相可做為一個(gè)濾波器或極化器。在這里它只能在一定的波長(zhǎng)或極化方向上成像。當(dāng)一個(gè)反射層位于全息照相表層時(shí)，它可以起到反射鏡作用。除此以外它還可以起到調(diào)制作用。也就是講，它的成份的強(qiáng)度是可以改變的。為此的一種可能性是光電晶體或液晶，其電磁特性依賴(lài)電場(chǎng)而改變。借助于電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生光衍射結(jié)構(gòu)。計(jì)算和生產(chǎn)上述用于成像的全息照相是現(xiàn)有技術(shù)。不用透鏡時(shí)，成像結(jié)構(gòu)由圓形結(jié)構(gòu)組成，使用透鏡時(shí)，由線形結(jié)構(gòu)組成。


圖1畫(huà)出了一個(gè)帶三個(gè)光源(2)的襯底(1)，它們的光線通過(guò)一個(gè)反射全息照相重新返射到襯底上，由此產(chǎn)生了光源的點(diǎn)反射圖像(3)，它們可具有不同的強(qiáng)度。在圖1中光源用黑色表示，而其成像則用不同程度的灰色值，以表示每個(gè)成像可具有不同的強(qiáng)度。光源本身也可具有不同的強(qiáng)度。因此在每個(gè)圖像光斑中都可產(chǎn)生一個(gè)光強(qiáng)度，這個(gè)光強(qiáng)度取決于相應(yīng)的光源強(qiáng)度和乘數(shù)因子，而乘數(shù)因子由全息照相決定。不同的光源和不同成像的光斑重合在一起，由此可以增強(qiáng)成像強(qiáng)度。通過(guò)這種特性可以把光線集中在一個(gè)探測(cè)器中。從而它的整體強(qiáng)度可由加權(quán)的光源強(qiáng)度相加。利用這種特性可以使網(wǎng)絡(luò)具有較高的絡(luò)合度，如同它在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上一樣，在這個(gè)例子中網(wǎng)絡(luò)邊緣的權(quán)數(shù)為正數(shù)，并由全息照相給定。除此以外，可用這種方法實(shí)現(xiàn)任意的邏輯聯(lián)結(jié)。從n個(gè)相同的光源上可產(chǎn)生n個(gè)強(qiáng)度相同的點(diǎn)映像，并使n個(gè)光源圖像投射到一個(gè)光探測(cè)器中。在這個(gè)探測(cè)器產(chǎn)生的光強(qiáng)度是與所有光源的光強(qiáng)度之和成比例的。當(dāng)光源開(kāi)/關(guān)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生二進(jìn)制的量值。在探測(cè)器設(shè)置的一個(gè)極限邏輯，當(dāng)其界限選得很低，在被打開(kāi)的光源中只有一個(gè)光源出現(xiàn)一個(gè)“1”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)邏輯上的“或”；或當(dāng)極限選得很高，在打開(kāi)的所有光源都出現(xiàn)一個(gè)“1”時(shí)，這里會(huì)產(chǎn)生一個(gè)邏輯上的“與”。用一個(gè)普通電子轉(zhuǎn)換器就可實(shí)現(xiàn)任意的邏輯聯(lián)結(jié)。
在圖2中繪出了一個(gè)帶有一個(gè)全息照相(4)和一個(gè)透鏡(5)的襯底(1)，此襯底的表面位于透鏡的焦面上。這個(gè)透鏡可產(chǎn)生一個(gè)襯底光源的空間傅里葉變換。在此，全息照相是由重疊產(chǎn)生這樣的波前的光柵組成，當(dāng)光源再次通過(guò)透鏡進(jìn)行傅里葉變換后，波前就會(huì)與襯底上的圖像相符，全息照相也可直接放于透鏡之后，以盡可能地減少漸暈效果。
在圖3中是一個(gè)襯底(1)和一個(gè)全息照相(4)，在沒(méi)有透鏡的情況下成像。在這種情況下全息照相由一組在襯底上成像的重疊的衍射透鏡組成，這組透鏡也可互相作相應(yīng)的移動(dòng)。
不斷重復(fù)的光源成像的優(yōu)點(diǎn)是可使用一個(gè)孔徑較大的鏡組。因此，通過(guò)衍射效應(yīng)而產(chǎn)生的成像錯(cuò)誤被顯著減小。因而這個(gè)集成的電路就可以用作襯底。但其缺點(diǎn)是可產(chǎn)生無(wú)用的光點(diǎn)。光學(xué)連網(wǎng)品質(zhì)的一個(gè)重要因素是空間帶寬乘積(Raumbandbreitproduct)，這個(gè)比值由圖像直徑和光點(diǎn)直徑之比的平方得出。通過(guò)使用較大的孔徑，可使光點(diǎn)變得很小。通過(guò)使用這一整套透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可修改成像錯(cuò)誤，圖像失真，并具有非球面研磨透鏡，將直徑為10mm或更大的半導(dǎo)體芯片連網(wǎng)。對(duì)于全息照相，可使用雙元或多元的相序全息照相。在使用普通和二元全息照相時(shí)，須注意，總是形成兩個(gè)圖像。下面將舉例說(shuō)明如何利用這種效應(yīng)。
在使用半導(dǎo)體激光器二極管時(shí)，必須注意，它發(fā)射的波長(zhǎng)是可變的。在使用一般全息照相時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖像的變化。若使用多層，具有一定的深度或立體的全息照相時(shí)，可使波長(zhǎng)變化時(shí)使圖像保持不變。若不使用透鏡，全息照相的成像錯(cuò)誤可以通過(guò)這種措施修正。
在單色平行激光線的情況下，全息照相可使光點(diǎn)產(chǎn)生在襯底上。圖4中介紹了一種可使平行的激光射線通過(guò)一個(gè)全息照相(4)和一個(gè)透鏡(5)在襯底上聚焦的結(jié)構(gòu)。在光點(diǎn)的位置設(shè)有可改變其反射特性的光電元件，如多量子井元件。由此，光線從這個(gè)位置反射到全息照相，再?gòu)娜⒄障喾瓷涞揭r底。全息照相是這樣安排的，其中一部分為透射工作，而另一部分為反射工作。由透射部分在襯底上產(chǎn)生光點(diǎn)，由反射部分產(chǎn)生光點(diǎn)的反射圖像。
圖5介紹的結(jié)構(gòu)是光線從襯底(1)的反面射入。在襯底的后邊有一個(gè)全息照相(6)和一個(gè)透鏡(7)。透鏡可在襯底上聚焦，焦點(diǎn)處的襯底是可透明的。光電元件位于光點(diǎn)位置，這些元件，如多量子井元件，可更改它的透射特性。由此可產(chǎn)生可控的光源，它的光線如上所述再被繼續(xù)處理。圖4與圖5中的模式也可適用于只用衍射透鏡組成的全息照相。如果光線被前面的全息照相反射，還存在其它的可能，即光線再次被透射元件調(diào)制。如圖4中被后面的全息照相反射到襯底上。這樣，探測(cè)器就必須能在襯底的反面接收光線。在這種結(jié)構(gòu)中，也可以使光經(jīng)從正面投射過(guò)來(lái)，兩次通過(guò)襯底，并被前面的全息照相反射，在此可以使用從前方接收光線的探測(cè)器?？梢栽O(shè)想光線從前、后兩個(gè)方向照射的一種結(jié)構(gòu)。通過(guò)兩次光調(diào)制，網(wǎng)緣中的權(quán)重可能會(huì)變化。
圖6介紹的是一種芯片，在其內(nèi)部可完成多個(gè)圖3中所示的結(jié)構(gòu)。光源(2)位于其表層，它透過(guò)襯底向下照射。全息照相(4)位于芯片反面，它使光源的點(diǎn)映成像(3)產(chǎn)生在襯底的正面。探測(cè)器即位于襯底的正面，它從下面接受光線。這種結(jié)構(gòu)的前提條件是襯底是可透光的。通過(guò)這種方式便可實(shí)現(xiàn)以極限邏輯為基礎(chǔ)的邏輯連接，這個(gè)極限邏輯也可在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上使用，其圖像必須多次產(chǎn)生，以便在探測(cè)器中使所有的相應(yīng)加權(quán)的光點(diǎn)一次成像。若需要負(fù)的權(quán)數(shù)，必須兩次應(yīng)用該方法。探測(cè)器的測(cè)量值再由電路處理，將負(fù)值從正值中抽出，并輸往比較器中。利用極限邏輯進(jìn)行所有的邏輯處理。因?yàn)橐粋€(gè)同樣的全息照相可用于多個(gè)邏輯元件。芯片正面和反面之間的距離決定了全息照相的大小。如果需要的圖像范圍很小，并充分地利用芯片的面積，就必須縮短正反面之間的距離，例如這里可以使用腐蝕技術(shù)。各個(gè)全息照相之間有被腐蝕的隔片，可以防止各個(gè)范圍之間的串?dāng)_。此隔片即可使其正面，也可使其反面被腐蝕。但被腐蝕反面的隔片具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即它不須占用正面用于電路的面積。這種全息照相神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片也可使用被全息照相聚焦的光線和改變其透射特性的元件，以便產(chǎn)生可控的光源。在這里激光從前面射入，并在透射元件上聚焦，然后射入襯底，并可能通過(guò)微衍射鏡擴(kuò)大，其它照射過(guò)程的完成，要視光源是否直接位于芯片處。芯片也可以從反面被照射，在此各個(gè)范圍的配置應(yīng)與圖(4)所示相符。全息照相從反面將光聚焦在位于正面的元件上，這些元件可再次改變其反射特征，并有控制地將光反射一全息照相上。另外還可以使用某些元件，它可使光經(jīng)調(diào)制后，再透射過(guò)去。這些經(jīng)調(diào)制的光，將通過(guò)全息照相反射到芯片上。在這里光線被探測(cè)，或再次透過(guò)調(diào)制的元件，并被芯片反面的全息照相反射到表層。但也存在其它的可能，如圖5所示，光線從后面聚焦于芯片表面，并作有選擇的調(diào)制后，由全息照相反射到芯片上。在芯片上再次被元件調(diào)制，并被芯片反面的全息照相反射到正面，通過(guò)兩次光調(diào)制可形成一個(gè)帶可變邊緣的網(wǎng)絡(luò)。此外，載有全息照相的透明層可固定在芯片上。芯片可將電路置于背面，全息照相置于正面，用夾心的方式布局，全息照相可將光線傳輸于各層之間。
圖7舉例說(shuō)明了如何利用上述方法建立一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。圖中用圓圈表示光源(2)，探測(cè)器(8)用正方形表示，每個(gè)光源用一個(gè)大寫(xiě)字母表示。它們?cè)谔綔y(cè)器上的圖像用不同字體的小寫(xiě)字母表示。用于每個(gè)光源圖像的字體相同。光源在本例中9次在襯底上點(diǎn)映成像。對(duì)稱(chēng)中心(9)正位于襯底中央。這些圖象例如可以通過(guò)一個(gè)二元相陣全息照相和一個(gè)透鏡產(chǎn)生。零序的圖像(10)只有一次，并用粗線在其下方標(biāo)明。其它的所有一次圖像(1)與零次圖像相對(duì)稱(chēng)。在二元相陣的情況下總是產(chǎn)生另一個(gè)一次圖像。它與另一個(gè)一次圖像距零次圖像的距離相等，只是被沿零次圖像的另一方向移動(dòng)。在這個(gè)例子中正需要這種特性。所有的光源光點(diǎn)都位于一個(gè)光源附近，這樣就能保證每個(gè)強(qiáng)度值都可被傳送到光源附近。由此可建立一個(gè)全面聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。權(quán)數(shù)在本例中以電子的方式計(jì)算出來(lái)，將得出的數(shù)值進(jìn)行電的相加，并用非線性計(jì)算其結(jié)果，再傳給相應(yīng)的光源。本例中形成的是一個(gè)純粹的光的聯(lián)網(wǎng)，可進(jìn)行局部的模擬計(jì)算。也可建立一種數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，這里，多個(gè)光源和探測(cè)器匯集成群，這些群代表數(shù)字，在圖11中將介紹這樣一種光學(xué)計(jì)算器的數(shù)字模式。
圖8的模式與圖7相類(lèi)似，只是在圖8中進(jìn)行光學(xué)相加。每個(gè)小室有8個(gè)光源(2)和2個(gè)探測(cè)器(8)，因而也考慮到了負(fù)值的權(quán)數(shù)。通過(guò)在小“a”處的左上角光源A的圖像，明顯地確定了光源的九次投影。每個(gè)小室都有光源，它可屬于別的小室(13)，也可屬于自己的小室(12)。從而可以傳輸一個(gè)負(fù)值和另一個(gè)正值。探測(cè)器被偏移放置，用于為編號(hào)的小室及其相應(yīng)的符合收集光線。最終結(jié)果將由兩個(gè)探測(cè)器相減得出。也存在這種可能性，即圖8中的模式與圖7的組合起來(lái)。乘法與加法都是以光學(xué)的方式進(jìn)行。在這種情況下，光從每個(gè)小室發(fā)出，如圖7所示那樣進(jìn)入小室。在此光學(xué)元件取代了探測(cè)器，它可改變它的反射特性，從而有控制地反射，如圖8所示射入探測(cè)器中。在這里，要注意多次引用的符號(hào)。
圖9中介紹了一種矢量加法器，它把矢量分兩步模擬相加。矢量被設(shè)在光源(2)旁，每列光源都有一個(gè)矢量，矢量通過(guò)兩步相加，第一步先把部分結(jié)果集中于預(yù)置的探測(cè)器(14)中。因而光源圖像(15)三次相對(duì)于對(duì)稱(chēng)中心(9)，即布局的中心，向左和向右移動(dòng)一個(gè)小室。這種移動(dòng)是在用小寫(xiě)“a”表示的光源“A”的成像區(qū)域里。還有其它的圖像(16)，它向左和向右移動(dòng)6或13個(gè)小室，這種移動(dòng)將部分結(jié)果集中到全部結(jié)果的探測(cè)器中(17)。在第一步中不使用與部分結(jié)果探測(cè)器相鄰的內(nèi)部光源(18)，否則它的強(qiáng)度就會(huì)被其它探測(cè)器接收。部分結(jié)果以點(diǎn)映的方式出現(xiàn)在部分探測(cè)器(14)中，此結(jié)果又被傳到內(nèi)部相鄰的光源列中。最后最終結(jié)果產(chǎn)生在探測(cè)器行中，在那里再次進(jìn)行點(diǎn)映，使結(jié)果與矢量一樣具有相同的方向。通過(guò)兩次相加，還可以確保無(wú)須使用太多的圖像。否則會(huì)使光的強(qiáng)度變?nèi)酢D10是一個(gè)類(lèi)似的模式。它把光源移動(dòng)兩室為的是防止光重新回到光源(2)。光源移動(dòng)兩室，而光線移動(dòng)的小室數(shù)目為奇數(shù)。使它落在一個(gè)探測(cè)器(8)上，如果使用這種反射元件，可使其具有一定的優(yōu)點(diǎn)，串?dāng)_可以通過(guò)小室間的折射效果被減小。在圖11中是一個(gè)數(shù)字式的光學(xué)加法器，在這個(gè)例子中數(shù)字可以4×4大小的光源區(qū)(19)出現(xiàn)。在此可以容納16位長(zhǎng)的數(shù)字或是由兩個(gè)4位長(zhǎng)的部分結(jié)果相乘。這個(gè)部分結(jié)果是由每個(gè)位置上的數(shù)字與其它位置上的數(shù)字相乘得來(lái)的。在中央探測(cè)器行(20)中產(chǎn)生強(qiáng)度值，它可通過(guò)模數(shù)變換器計(jì)算出來(lái)，然后必須將其相應(yīng)的各地點(diǎn)的數(shù)值相加，以得出最后結(jié)果，用這種方法可建立矢量乘法器。
圖12繪出了一種光學(xué)計(jì)算器，用它可以把移項(xiàng)矩陣與矢量相乘。這是這樣來(lái)進(jìn)行的圖像不是左右而是上下移動(dòng)。否則它就與上述的計(jì)算器相同了。點(diǎn)映的部分結(jié)果產(chǎn)生在預(yù)置的探測(cè)器(14)，而最終結(jié)果再次集中在中央探測(cè)器(17)中。在每個(gè)小室內(nèi)的矩陣元素與矢量元素的相乘可在每一小室局部實(shí)現(xiàn)也可以部分地用光學(xué)方式(圖13)相加。這里如圖6所示的全息照相位于襯底的背面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它特別適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型。如果采用反向傳輸算法，例如，數(shù)據(jù)矢量就要垂直設(shè)立，差值矢量就應(yīng)水平設(shè)立。矢量可通過(guò)垂直、水平的導(dǎo)線傳到小室中。也可用與上述相似的方法以光學(xué)方式進(jìn)行。在這種情況下每個(gè)小室都有相應(yīng)的探測(cè)器，按照學(xué)習(xí)規(guī)則(Lernregel)，還需要數(shù)據(jù)矢量與差值矢量的外積，用于改變矩陣。這里其結(jié)果還是一個(gè)矩陣，這個(gè)矩陣在局部的小室中被計(jì)算出來(lái)，并與其相應(yīng)的矩陣元素相加，在多層網(wǎng)絡(luò)中，可以將多個(gè)這樣的布置鏈接在一起。
圖13中繪出的是一種矩陣形式的中間結(jié)果，它是由每個(gè)位置的數(shù)字與其它位置的數(shù)字相乘得出的，可以用光學(xué)的方法計(jì)算得出。按照數(shù)字的位數(shù)，矩陣形式的中間結(jié)果圖像錯(cuò)過(guò)一個(gè)小室，并按對(duì)角線覆蓋，在圖13中已在左下角用一個(gè)“a”做為標(biāo)記來(lái)標(biāo)明了。用模數(shù)變換器算出的全部結(jié)果出現(xiàn)在中央行或列中。這些數(shù)字按其位置以電子方式相加。
下面將解決清除不需要的圖像問(wèn)題。通過(guò)使用作為成像裝置的全息照相，可以產(chǎn)生對(duì)電路的功能無(wú)用的光線。圖14中繪出了一種光圖案，它有兩個(gè)沿相反方向且沿光軸(24)點(diǎn)映的投影距離相等的光源圖像。這個(gè)直接的點(diǎn)映成像被稱(chēng)為零次圖像，另外兩個(gè)投影被稱(chēng)為一次圖像。其它更高序的圖像距零次圖像的偏移距離是一次圖像的整數(shù)倍。但他們?cè)诒纠袇s不是需要的，而且不投影到電路的襯底(1)上。如果使用一個(gè)全息照相時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)圖中所示的圖像。這個(gè)投影只衰減通過(guò)透鏡進(jìn)行傅立葉變換的光線振幅，例如一個(gè)膠片全息照相，或它只改變這個(gè)光線的相位，例如一個(gè)二元或多元相陣。尤其是當(dāng)它只能用兩種不同的方法對(duì)光線進(jìn)行調(diào)制，在使用全息照相時(shí)就會(huì)出現(xiàn)高序圖像。例如全息照相按不同地點(diǎn)對(duì)光線進(jìn)行反射或不反射，或按不同地點(diǎn)對(duì)相位進(jìn)行180°或0°的轉(zhuǎn)動(dòng)。上面提到的全息照相必須在反面反射，或在其后邊放一個(gè)反射鏡，以便光線可以反射到電路上。除此以外，還存在這種可能性，即用一反射鏡實(shí)現(xiàn)全息照相。它的反射面須經(jīng)腐蝕，使其產(chǎn)生一個(gè)模板，例如一個(gè)光柵，被腐蝕的部分將不被反射。
圖15是圖14所述的襯底(1)，帶一個(gè)全息照相(4)和一個(gè)透鏡(5)。襯底的表面位于透鏡的焦面上。此透鏡可產(chǎn)生一個(gè)襯底光源的空間傅立葉變換，全息照相在此由一個(gè)線性光柵組成，它可產(chǎn)生波前，當(dāng)它再次通過(guò)透鏡進(jìn)行傅立葉變換時(shí)，此波前會(huì)與襯底的圖像相符。在本例中不需要的高序圖像將不投射到電路上。它們的光線被遮光板擋住，使它們不會(huì)落在相鄰的電路上。而在本例中的零次圖像則投射到電路上。如果光軸不是對(duì)稱(chēng)布置，零次圖像便會(huì)偏離電路。一次圖像通過(guò)做較大距離的偏移，就可以排除不必要的圖像會(huì)映射在電路上。它可具有下列效果其它圖像因此會(huì)偏移二倍或多倍距離，不會(huì)再引起干擾。如果當(dāng)設(shè)立全息照相圖時(shí)，注意到光線強(qiáng)度，可以使高次圖像和其它投射的一次圖像重合，不致再產(chǎn)生干擾。另外通過(guò)已投影的圖像也可以產(chǎn)生不需要的圖像。人們可以在光探測(cè)器和其它光點(diǎn)處安放吸光材料來(lái)消除它們。
如圖16所示，極化器可提供另外一種可能性，把不必要的光點(diǎn)過(guò)濾掉。在圖16中襯底旁有一個(gè)光源(2)。它的光線由全息照相(4)多次反射到襯底(1)上，這個(gè)全息照相由兩個(gè)相互垂直的線性光柵組成。在線性光柵前面有兩個(gè)極化器，他們的極化方向也是相互垂直的。由此可以防止光柵產(chǎn)生光點(diǎn)的光線被其它光柵反射。在零次圖像中由極化的兩個(gè)方向代表，在其它圖像中只有相關(guān)的一個(gè)方向。在圖17介紹的模式中用了多個(gè)部分全息照相，在它的前面有濾波器，極化器和調(diào)制器，以便引導(dǎo)不同波長(zhǎng)、不同極化方向的光源發(fā)出的光線。并通過(guò)調(diào)制器接通、切斷、加強(qiáng)其聯(lián)系。這個(gè)模式也有缺點(diǎn)用于部分全息照相的孔徑相對(duì)小些。與圖15相似，波源與檢測(cè)器的集成密度也不是很高。但如圖18所示這個(gè)缺點(diǎn)也可以被克服。即把全息照相前后縱向排列。在此，全息照相裝置本身也是由濾波器材和偏極化器材組成。這里全息照相依據(jù)不同的地點(diǎn)或?qū)饩€進(jìn)行濾波，或使光線無(wú)阻擋地透過(guò)；或者依據(jù)不同地點(diǎn)對(duì)光線進(jìn)行極化，或讓光線無(wú)阻擋地透過(guò)。除此以外，調(diào)制器也起到全息照相的作用。人們可以通過(guò)使用一個(gè)波凱爾單元的分析器作為全息照相來(lái)達(dá)到這一步。由極化器極化和通過(guò)光電晶體沿極化方向調(diào)制的光線被這個(gè)分析器依據(jù)不同地點(diǎn)進(jìn)行衰減，或讓其無(wú)阻擋地透過(guò)。通過(guò)在光電晶體上加設(shè)電壓可開(kāi)啟、關(guān)閉全息照相。另外還有其它方法實(shí)現(xiàn)可變的全息照相，即在光電晶體上裝置一個(gè)格篩式的電極結(jié)構(gòu)和一個(gè)電壓模板，用光電效應(yīng)產(chǎn)生不同的全息照相，當(dāng)然此電極結(jié)構(gòu)本身也會(huì)產(chǎn)生全息照相。但這個(gè)格篩式結(jié)構(gòu)的本地頻率應(yīng)選得如此的高，以致使它的一次圖像無(wú)法投射到電路上。這個(gè)全息照相一調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是可以使多個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)串行排列。
在圖19中繪出的是一個(gè)矢量加法器。不必要的高序圖像將不會(huì)投影在電路上。和圖9相似，它把矢量分兩步相加。首先把電路的兩部分即對(duì)稱(chēng)中心的左部分和右部分的部分結(jié)果匯集到指定的探測(cè)器(27)中。對(duì)此有兩個(gè)用“a”做標(biāo)記的圖像向左移動(dòng)，與此對(duì)稱(chēng)，有兩個(gè)圖像向右移動(dòng)，(這兩個(gè)圖像未做標(biāo)記)。在零次成像時(shí)，點(diǎn)反射將左側(cè)光源(28)的光線向右移，右側(cè)的向左移。用大寫(xiě)“A”做標(biāo)記的光源將投影到右側(cè)用小寫(xiě)“a”做標(biāo)記的地點(diǎn)，零次圖像投影的地方?jīng)]有光學(xué)元件。在使用膠片全息照相的地方應(yīng)使用吸光結(jié)構(gòu)，以使從那里不會(huì)發(fā)現(xiàn)干擾圖像。使用二元或多元全息照相也會(huì)壓制零次圖像。通過(guò)移動(dòng)矢量可使它回到出發(fā)的一邊，但它的各個(gè)單元會(huì)被交錯(cuò)放置。這個(gè)移動(dòng)相當(dāng)大，使得二次圖像已不能投射在電路上。然后中間結(jié)果被匯集到探測(cè)器中，最終這些中間結(jié)果再被輸入到外部光源(29)，然后移動(dòng)到用“b”做標(biāo)記的位置，即是匯集到外部探測(cè)器行中。如果有零次圖像出現(xiàn)，就將運(yùn)作中的左右兩部份按先后次序進(jìn)行，以使它們不相互影響。最終結(jié)果通過(guò)在外部探測(cè)器行(30)中將兩部分中間結(jié)果以電子方式相加而產(chǎn)生。
圖20是一個(gè)相似于圖12的光學(xué)計(jì)算器，并適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在本例中，它的計(jì)算在一步內(nèi)完成，做上、下和左右三次移動(dòng)。這個(gè)移動(dòng)通過(guò)兩個(gè)線性光柵產(chǎn)生。它們是相互垂直的(圖16)并帶有相互垂直的極化器。矩陣單元被點(diǎn)映成與矢量相向設(shè)置。在單個(gè)小室中用于零次圖像的區(qū)域?yàn)槲鈪^(qū)域(31)。每個(gè)小室都有一個(gè)電子乘法器，電子加法器和存儲(chǔ)器。乘法器用于計(jì)算外部乘積結(jié)果以及矢量單元與矩陣單元的乘積，加法器按學(xué)習(xí)規(guī)則把外乘積與矩陣單元相加。矢量被設(shè)置在兩個(gè)光源行(32)旁，以產(chǎn)生外部乘積。它的各個(gè)單元被點(diǎn)反射到相應(yīng)的探測(cè)器中并被推遲接收。把矢量置于兩個(gè)光源行(32)，并被傳到小室中，以形成矢量-矩陣或矢量-透射矩陣乘積。在那里與矢量單元相乘，其結(jié)果被輸入矩陣光源(33)，通過(guò)光學(xué)相加，把結(jié)果匯集到探測(cè)器行(34)中。按此探測(cè)器行配置其它光源行。在本例中高序的圖像不產(chǎn)生影響，因?yàn)樗鼈兓蚺c另一個(gè)圖像的第一次序重疊或沒(méi)有在電路上投影。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可局部地使用反向傳輸算法的學(xué)習(xí)規(guī)則，而不再需要導(dǎo)線從外部輸入各個(gè)矩陣單元。此種配置也適用于數(shù)字方式，每個(gè)單元都通過(guò)多個(gè)光源表示，按正負(fù)數(shù)字分開(kāi)處理就可以計(jì)及符號(hào)。
圖21介紹的是一種矢量乘法器，它可對(duì)三位的二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行處理，而且它不但可將如圖13所示的光源(35)中所表示的每個(gè)矩陣元件中的逐位相乘的中間結(jié)果，而且也可將矩陣單元本身相加。這種模式特別適用于快速的矢量矩陣乘法。如果矩陣已被存儲(chǔ)，則可以任何地點(diǎn)一步相乘。相加可以用光學(xué)方式完成。在探測(cè)器(36)中的結(jié)果計(jì)算僅適用于結(jié)果矢量單元。在此，高序的圖像不相互干擾。
在上述所有例子中，通過(guò)移動(dòng)探測(cè)器和被調(diào)制的組件，可以抵消圖像錯(cuò)誤。在設(shè)計(jì)芯片時(shí)要注意對(duì)此所需的位置。探測(cè)器也需要足夠大以便能探測(cè)整個(gè)衍射片，而無(wú)干擾現(xiàn)象。這種干擾現(xiàn)象在相干激光單頻射線和多個(gè)圖像相加時(shí)會(huì)擾亂探測(cè)結(jié)果。也可使用SEED(自動(dòng)光電效應(yīng)裝置)元件，它的狀態(tài)可被光學(xué)地改變并存儲(chǔ)起來(lái)。這里介紹的芯片即可以模擬也可以數(shù)字的形式工作，而且不僅僅只適用于二進(jìn)制數(shù)制。
權(quán)利要求
1.光電集成電路(1)，通過(guò)由其數(shù)個(gè)光學(xué)元件發(fā)射出光束，該光束通過(guò)其數(shù)個(gè)光學(xué)元件和/或由數(shù)個(gè)光學(xué)元件反射，形成一光圖案(2)，其特征在于，所述光圖案或其部分通過(guò)一或多個(gè)全息照相(4)，并可選擇地通過(guò)附加的透鏡(5)，在有些情況下通過(guò)成像錯(cuò)誤失真，一次或多次點(diǎn)反射地、以由所述全息照相確定的強(qiáng)度反射(3)至所述電路，所述反射回的光圖案部分或整個(gè)地投影至光學(xué)元件，例如光探測(cè)器和/或光調(diào)制器，以進(jìn)行由光圖案的一或多個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光強(qiáng)的聯(lián)接。
2.權(quán)利要求1所述的光電集成電路，其特征在于，由所述全息照相產(chǎn)生的電路以外的非所希望的附加圖像，與所希望的圖像一起并/或在不存在光學(xué)元件的位置成像，從而不發(fā)生干擾的光學(xué)連接，這里，遮光板和吸光表面可阻止其他的光路。
3.權(quán)利要求1或2所述的光電集成電路，其特征在于，可使用這樣的光衍射結(jié)構(gòu)作為全息照相，它改變投射來(lái)的波前，使只通過(guò)它，并借助于附加的透鏡和/或附加的反射鏡產(chǎn)生光點(diǎn)的圖像，這里通過(guò)幅度、相應(yīng)、極化和/或其組合的局部改變產(chǎn)生衍射，例如通過(guò)電光晶體或液晶，所述局部改變是可變的，并/或與波長(zhǎng)有關(guān)，并且該全息照相可與調(diào)制器、極化器、濾波器、透鏡和/或反射鏡并列和/或前后安置，使產(chǎn)生可變化的，即彼此互不影響的光聯(lián)接。
4.權(quán)利要求1，2或3所述的光電集成電路，其特征在于，在最好是半導(dǎo)體單晶的襯底(1)的前和/或背側(cè)安置有光源(2)，如激光和/或發(fā)光二極管，光向上和/或向下穿過(guò)所述襯底，并/或在襯底的前和/或背側(cè)安置有例如多量子井元件和/或集成電光調(diào)制器的光電元件，這些光電元件將從上和/或從由通過(guò)襯底投射來(lái)的最好是通過(guò)全息照相(4，6)和/或透鏡(5，7)聚焦的光通過(guò)改變其傳輸和/或反射特性進(jìn)行調(diào)制；向上和/或向下透過(guò)襯底的光分布通過(guò)光學(xué)透鏡、透鏡系統(tǒng)或衍射透鏡(5，7)和例如反射二或多級(jí)相陣的全息照相(4，6)和/或只通過(guò)例如多層全息照相、厚全息照相或立體全息照相(4)進(jìn)行多次的點(diǎn)反射并相對(duì)移位，并以所希望的強(qiáng)度從上和/或從下通過(guò)襯底在襯底表面成像；并且在襯底的一定部位安置有例如光電二極管、多量子井元件的探測(cè)器和/或其他元件，用以接收由上和/或由下通過(guò)襯底投射的光，這里可通過(guò)元件對(duì)光進(jìn)行多次調(diào)制，并通過(guò)全息照相進(jìn)行多次反射；此外，襯底上和/或安置在襯底上的層上安置有電路。
5.權(quán)利要求4所述的光電集成電路，其特征是，構(gòu)成像的全息照相(4，6)、光學(xué)透鏡、透鏡系統(tǒng)或衍射透鏡(5，7)安置于襯底表面和/或襯底(1)里；構(gòu)成像的全息照相(4，6)、光學(xué)透鏡、透鏡系統(tǒng)或衍射透鏡(5，7)安置于安置在襯底前和/或背側(cè)的透光層中，及/或安置例如通過(guò)在襯底和/或固定于襯底的層中進(jìn)行腐蝕而形成的遮光板。
6.權(quán)利要求4或5所述的光電集成電路，其特征是，多個(gè)這樣的光電電路以?shī)A心三明治的結(jié)構(gòu)方式連接，并且可選擇地用全息照相、光學(xué)透鏡、透鏡系統(tǒng)或衍射透鏡將光由一個(gè)電路平面投影到另一個(gè)電路平面。
7.權(quán)利要求1，2，3，4，5，或6所述的光電集成電路，其特征是，襯底上安置有通過(guò)投射至其上的光可改變其狀態(tài)的SEED(自電光效應(yīng)裝置)元件。
8.權(quán)利要求1至7中任一所述的光電集成電路，其特征是，規(guī)則的光分布重復(fù)地反射至電路上，使得在每個(gè)光點(diǎn)附近產(chǎn)生另一光點(diǎn)的像。
9.權(quán)利要求1至8中任一所述的光電集成電路，其特征是，矩陣、行和/或列狀的光分布重復(fù)地反射進(jìn)一元件或矩陣、行和/或列狀的元件組，例如光探測(cè)器中。
全文摘要
此項(xiàng)發(fā)明涉及的是一種光電集成電路，這種電路在光路上與全息照相聯(lián)結(jié)。這對(duì)光源與探測(cè)器或其它光電元件盡可能高的絡(luò)合度來(lái)講是一種最佳方案。它可以用下述方法獲得，從這種電路的某些元件發(fā)出的光，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)全息照相及有選擇的通過(guò)附屬透鏡點(diǎn)反射在電路上，并一次或多次帶有一定的光強(qiáng)度反射回來(lái)，其光強(qiáng)度取決于全息照相。反射回來(lái)的光全部或部分地落在光學(xué)元件上。也可以生產(chǎn)一種芯片，使這種結(jié)構(gòu)能在芯片內(nèi)部多次完成。光源(2)位于它的表層，通過(guò)透光的襯底向下照射。全息照相(4)位于芯片反面，可以在襯底的正面產(chǎn)生光源的點(diǎn)反射像(3)。探測(cè)器也位于襯底的正面，它可以從下方接收光線。
文檔編號(hào)G06E3/00GK1151794SQ95193854
公開(kāi)日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1995年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月28日
發(fā)明者馬西亞斯·布迪爾 申請(qǐng)人:馬西亞斯·布迪爾