專利名稱：用于檢測多個光波長的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及檢測光信號，并且更具體地涉及用超級光柵檢測多個光波長。
2.現(xiàn)有技術(shù)光柵是借助于光的干涉效應(yīng)用來得到依賴于波長的特性的光學(xué)器件。這些依賴于波長的光的特性例如可以用來反射特定波長的光，同時傳輸或折射所有其他的波長的光。這樣的特性在各種各樣的情形下是有用的，包括在波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)中提取各個波長信道，或提供特定于波長的反饋以用于可調(diào)諧的或多波長半導(dǎo)體激光器。光柵通常是通過調(diào)制(改變)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率來實施的。折射率的這些改變引起入射光波長被反射或折射在兩個折射率數(shù)值之間的突變的交界面上，直接入射到交界面的光按照熟知的菲涅耳反射定律被反射。
術(shù)語“多波長光柵”通常指能夠在多個波長上呈現(xiàn)光特性的光柵。例如，多波長光柵可以是一種在幾個選擇波長(它們可相應(yīng)于特定的光通信信道)上反射光、而對于其他波長的光是透明的光柵。然而，在某些情形下，需要設(shè)置對于連續(xù)的波長范圍的光特性，而不是在特定的波長數(shù)值上。例如當(dāng)試圖借助于光柵補(bǔ)償激光腔和光放大器中光的增益輪廓(profile)的不均勻性時。然而，很難用傳統(tǒng)的光柵技術(shù)達(dá)到滿足這個對于連續(xù)的波長范圍的要求。
同樣地，在通過利用不同波長的光把許多通信信道編碼到單個光纜的情形下，可以使用一定范圍的光波長；更一般地稱為波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。周期性光柵常常被使用來分離或處理這些信道。然而，周期性光柵技術(shù)處理一個波長，迫使打算處理多個波長的器件采用多個單波長周期性光柵。這不是一個吸引人的解決方案，因為除了每個光柵引起的附加損耗以外，甚至單個光柵按照今天的集成化和小型化標(biāo)準(zhǔn)也占用了大量空間。因此，希望有一種能夠以空間經(jīng)濟(jì)的方式處理幾個波長的單個器件。
在半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的輸出波長主要是由在激光器增益部分的周圍或里面起到把想要的波長的光反射回激光器作用的“反饋元件”的存在決定的。對于多波長運行，需要多個波長反饋。再者，單波長光柵技術(shù)只能用單個光柵的級聯(lián)解決這個要求，導(dǎo)致上述的同樣的(即使不更明顯)損耗和空間問題。
一個這樣的單波長光柵器件是布拉格光柵。布拉格光柵包含折射率的周期性變化，并且充當(dāng)對于與折射率圖案的周期性(稱為柵距(pitch)，Λ)有關(guān)的單個波長的光的反射器；以及經(jīng)常被使用于半導(dǎo)體系統(tǒng)和光纖系統(tǒng)。然而，在實踐上，布拉格光柵實際可以在相應(yīng)于它的基波柵距的諧波的幾個波長上反射。然而，這些高階波長往往是在與基波柵距有很大不同的光譜區(qū)域，因此使得布拉格光柵作為多波長反射器是不太有用的。而且，這些高階波長互相不能被獨立地調(diào)諧。
其他多波長光柵技術(shù)包括模擬疊加光柵、采樣光柵(SG)、超結(jié)構(gòu)光柵(SSG)和雙態(tài)超級光柵(BSG)。
模擬疊加光柵是廣義布拉格光柵并且是基于疊加原理包含單波長光柵的折射率輪廓(profile)的和值的光柵輪廓在它的所有組成波長上反射。這樣的光柵依賴于模擬折射率變化，即沿光柵長度連續(xù)改變的折射率(圖30)。然而，使用熟知的光折變效應(yīng)很難刻出強(qiáng)的模擬光柵，因為折射率的改變在照射下非線性地變化，并且通常在更強(qiáng)的照射下呈現(xiàn)飽和。同樣地，在表面上可再現(xiàn)地蝕刻模擬特性的困難使得提供表面起伏的模擬光柵(用于半導(dǎo)體的典型實施例)是不實際的。后者的困難導(dǎo)致引入了雙態(tài)光柵，即依賴于相應(yīng)于材料被蝕刻或不被蝕刻、被照射或不被照射的兩個折射率值的光柵。
多波長雙態(tài)光柵的兩個代表是采樣光柵(SG)和超結(jié)構(gòu)光柵(SSG)。SG是利用交替波導(dǎo)的有光柵和無光柵區(qū)域的部分而構(gòu)建的。交替部分產(chǎn)生具有包含在(典型地)對稱包絡(luò)內(nèi)的多個反射峰值的衍射光譜。SG是固有地受限于位置的靈活性和反射峰值的相對強(qiáng)度，并且因為大部分無光柵的空間，它也是空間不經(jīng)濟(jì)的。所以，SG特別不適合于其中需要短的光柵或波導(dǎo)損耗高的情形。
對于超結(jié)構(gòu)光柵(SSG)，通過精細(xì)改變相應(yīng)于一個齒槽周期的長度的光柵柵距，光柵周期被做成啁啾的(chirped)。這可被看作精細(xì)調(diào)諧的相移的序列；通常的相位輪廓包括線性和二次啁啾。這樣的實施方案在原理上允許任意峰值位置和相對高度，但是卻以極其高的分辨率為代價，相應(yīng)于光柵齒本身的尺寸的非常小的部分。
關(guān)于雙態(tài)疊加光柵合成的現(xiàn)有技術(shù)在以下文章中給出Ivan A.Avrutsky，Dave S.Ellis，Alex Tager，Hanan Anis，和Jimmy M.Xu，“Design of widely tunable semiconductor lasers and theconcept of Binary Superimposed Gratings(BSG)(各種各樣可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器的設(shè)計和雙態(tài)疊加式光柵的概念)”IEEE J.Quantum Electron.，vol.34，pp.729-740，1998。
現(xiàn)有技術(shù)中的其他方法解決“多峰值”光柵的合成，所述“多峰值”光柵即特征為在幾個“峰值”上反射的光柵，其可以在它們的位置和強(qiáng)度上被控制。在這些方法中，光柵工程師從一組正弦波開始，每個正弦波相應(yīng)于單個反射峰值，并且按照該峰值的想要的相對強(qiáng)度被加權(quán)。這些峰值相加在一起(即進(jìn)行疊加；因此BSG被稱為疊加光柵)以產(chǎn)生“模擬輪廓”。這個輪廓然后通過簡單的閾值方法被數(shù)字地量化。例如，如果模擬輪廓值是正的(大于預(yù)選的參考值)，則相應(yīng)的BSG分段是高的或雙態(tài)1的折射率數(shù)值；如果它是負(fù)的，則相應(yīng)的BSG分段是低的或雙態(tài)零的折射率數(shù)值。
然而，這個方法在至少兩個方面是不適合的首先，閾值量化過程引入了交叉調(diào)制，它大大限制了照這樣合成的BSG對于有源應(yīng)用(激光器反饋單元等等)的可應(yīng)用性。第二，這個合成過程局限于多峰值光柵，并且對于各個峰值形狀幾乎不提供或完全不提供控制。例如，它完全不能生成如某些通信應(yīng)用想要的平頂信道，或不能生成由某些增益補(bǔ)償和色散補(bǔ)償方法要求的幾乎任意的反射光譜。
用于BSG合成的其他方法包括通常計算上困難并且不經(jīng)濟(jì)的嘗試法。
所以，希望提供一種用于克服在設(shè)計和合成用于檢測光的波長的超級光柵方面的上述缺點的方法和設(shè)備。
附圖簡述在以下的描述中結(jié)合


本發(fā)明的上述方面和其他特征，其中
圖1是深光柵BSG的示意圖；圖2是基帶排除后k空間圖的基本原理；圖3是在脊形波導(dǎo)中橫向BSG的原型圖；圖4是原型的二維(2D)超級光柵的示意圖；圖5是用2D BSG實施的多級別一維(1D)超級光柵示意圖；圖6是原型的三維(3D)超級光柵的示意圖；圖7a-7d示出了可編程的超級光柵的實施例；圖8是同向定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器的示意圖；圖9是反向定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器的示意圖；圖10是反向定向?qū)ΨQ波導(dǎo)BSG耦合器的示意圖；圖11是柵格拓?fù)淇v橫接線器(cross bar switch)的示意圖；圖12是利用6個開關(guān)元件的4光纖開關(guān)的實施例的示意圖；圖13說明在光纖中實施BSG的單光子方法；圖14說明在光纖中實施BSG的多光子(示出了兩個光子)方法；圖15是采用1D BSG的多路分解器的示意圖；圖16是采用2D BSG的多路分解器的示意圖；圖17是靜態(tài)加上/卸下(add/drop)濾波器的示意圖；圖18是Vernier調(diào)諧動態(tài)加上/卸下濾波器的示意圖；圖19是可編程的BSG加上/卸下濾波器的示意圖；圖20a-20c是基于BSG的波長穩(wěn)定性監(jiān)視器的實施例的示意圖；圖21是2D BSG網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器的示意圖；圖22是BSG動態(tài)WDM均衡器的示意圖；圖23是增益平坦光放大器的示意圖；圖24a-24b是λ路由器的實施例的示意圖；圖25a-25d是BSG色散斜率補(bǔ)償器的實施例的示意圖；圖26a-26b是可調(diào)諧色散補(bǔ)償器的示意圖；圖27a-27c是可變反饋超級光柵激光器的示意圖；圖28是在耦合波導(dǎo)與2D BSG實施例中的光束組合器的示意圖；圖29a是基于BSG的隔離器的示意圖；圖29b-29c是4端口耦合波導(dǎo)環(huán)行器的示意圖；圖30是根據(jù)折射率改變Δn(Δn)對距離(x)的曲線的模擬折射率輪廓；
圖31顯示Δn對距離x的BSG折射率輪廓和相應(yīng)的表面起伏的實施方案；圖32是顯示用于增量總和調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涞姆娇驁D；圖33說明使用感生對稱性的用于BSG的合成技術(shù)；圖34說明使用超奈奎斯特合成的用于BSG的合成技術(shù)；以及圖35是一個顯示用于合成一個BSG的本發(fā)明的一個實施例的方法步驟的流程圖。
圖36a和36b說明與分立元件相比較的多路分解器的簡化例子。
圖37-45說明采用提供光子帶隙結(jié)構(gòu)的像素圖案的實施例。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明雖然本發(fā)明是參照附圖所示的實施例描述的，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以以實施例的許多替換形式來體現(xiàn)，并且本發(fā)明不打算只限于所顯示的實施例。
對于本發(fā)明來說，光柵被看作為用來借助于光的干涉效應(yīng)達(dá)到依賴于波長的特性的光學(xué)器件。
從雙態(tài)超級光柵(BSG)開始，將會認(rèn)識到有兩個主要的特性來區(qū)分BSG與其他光柵技術(shù)。第一，BSG依賴于折射率級別的離散的數(shù)目。這個數(shù)目在歷史上是2，并且因此BSG被稱為雙態(tài)光柵。為了清晰和說明起見，本說明將集中在本發(fā)明的雙態(tài)實施例，然而，將會認(rèn)識到，在替換實施例中可以使用任何適當(dāng)?shù)碾x散級數(shù)的折射率。為了在權(quán)利要求中方便起見，術(shù)語超級光柵將用來指具有兩個或多個數(shù)值的折射率的光柵，除非專門闡述。BSG的第二個規(guī)定的特性在于光柵像一個特征為采樣長度的采樣結(jié)構(gòu)。這是指在光柵折射率層之間的過渡不能在任意位置發(fā)生、而是發(fā)生在采樣長度的倍數(shù)的位置的事實。BSG因此在定義上類似于數(shù)字信號圖案-即離散的采樣波形。因此，BSG可以通過一系列(常常是雙態(tài))的數(shù)字來描述，所述數(shù)字表示在每個采樣點處設(shè)置的折射率(見圖31)。
現(xiàn)在參照圖35，BSG設(shè)計牽涉到幾個關(guān)鍵選擇。步驟351選擇用于器件的折射率級別，正如從材料參數(shù)和平版印刷或照相雕刻約束條件確定的那樣。然后，步驟352確定想要的采樣長度，考慮了用于光柵的想要的波長范圍和可用的平版印刷分辨率。步驟353設(shè)置用于光柵的總的器件長度，由可用的物理空間和雕刻處理的技術(shù)限制條件限制。將會認(rèn)識到，這里描述的方法是用于確定用于表面起伏光柵的光柵圖案的；然而，在替換實施例中，所述方法可以容易地適合于光纖光柵圖案或可編程的實施方案。下一個步驟354使用傅里葉近似把想要的光柵衍射特性變換到傅里葉域。這些衍射特性可以是反射的、傳輸?shù)?、同向或反向定向耦合或相稱的散射或其任何組合；將會認(rèn)識到，在全文中“反射系數(shù)”和“反射”可以用“交叉?zhèn)鬏斚禂?shù)”和“交叉?zhèn)鬏敗贝?。根?jù)傅里葉近似，設(shè)計者可以初始地通過它的傅里葉譜設(shè)計光柵。正如下面將示出的，這個步驟考慮到近似的各種誤差也可實施反饋，以便改進(jìn)最后的結(jié)果。替換地，任何用于設(shè)計模擬折射率輪廓以達(dá)到想要的衍射特性的方法都是適當(dāng)?shù)?，并且許多是現(xiàn)有技術(shù)上已知的。
下一個步驟355執(zhí)行模擬折射率輪廓的量化。增量總和(delta-sigma)調(diào)制是可被使用和可被有效地實施的一個這樣的量化技術(shù)。將會認(rèn)識到，在替換實施例中可以使用任何合適的保留光譜帶內(nèi)的傅里葉信息的量化技術(shù)。使用諸如在所引用的Avrutsky等人的參考文獻(xiàn)中顯示的技術(shù)之類的不保留光譜帶內(nèi)的傅里葉信息的閾值量化技術(shù)的合成的方法和最終得到的光柵是不受歡迎的，但在某些情況下可能是有用的。在二維或三維輻射處理的情形下，其中在兩個或三個維度上行進(jìn)的輻射是重要的，以及在兩個或三個維度上擴(kuò)展的像素陣列是重要的，則任何量化方法可用來設(shè)計屬于本定義范圍內(nèi)的設(shè)備。
下一個步驟356使用諸如稱為轉(zhuǎn)移矩陣方法之類的精確技術(shù)來確定BSG實際的衍射特性。這個計算確定傅里葉近似或所使用的其他合成方法的殘留誤差，并且如果步驟357確定誤差超過預(yù)定的閾值，則量化可以被取回到傅里葉域并加到步驟353的結(jié)果上的誤差。這個過程如有必要可以重復(fù)進(jìn)行，盡管一次重復(fù)常常是足夠的。將會認(rèn)識到，可以使用任何合適的用于確定在想要的衍射特性與實際的衍射特性之間的誤差的技術(shù)。
現(xiàn)在更詳細(xì)地參考以上的每個步驟；在步驟353，傅里葉近似是把光柵的衍射特性(它可以是反射的、傳輸?shù)?、或相稱的散射，或其任何組合)與它的折射率輪廓的結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式。換句話說，單波長光柵具有特征精確地在于它們的周期性結(jié)構(gòu)的反射光譜，以及簡單的疊加光柵具有特征在于它們的波長的反射光譜或反射光譜分量。所以，光柵的衍射光譜可以涉及到它的結(jié)構(gòu)的傅里葉變換-傅里葉變換是用于估計波形的“頻率內(nèi)容”或“波長內(nèi)容”的標(biāo)準(zhǔn)方法。
因此，將會認(rèn)識到，本發(fā)明有利地使用傅里葉近似以提供一種用于從想要的反射技術(shù)規(guī)范生成模擬折射率輪廓的方法(逆傅里葉變換)。
還將會認(rèn)識到，可以執(zhí)行量化模擬折射率輪廓的步驟(步驟355)而不管模擬輪廓如何被確定。換句話說，不需要使用基于傅里葉的方法來得到模擬輪廓。
下面的例子說明了用于BSG合成的傅里葉近似簡單峰值的合成在某些情形下，例如具有激光器反饋元件，希望BSG在給定組的波長處反射光，并且以最高可能的波長選擇性做到這一點。也就是，技術(shù)規(guī)范是用于具有最小信道寬度的簡單峰值。這樣的峰值可以從正弦曲線的疊加得到Σiaicos(ωix+φi)]]>其中ai、ωi、和φi分別是第i個峰值的幅度、空間頻率和相位，以及x是沿著光柵的長度的位置。大多數(shù)情形規(guī)定了幅度系數(shù)。然而，許多時候不需要相位的任何特定的數(shù)值。
通常，分量相位應(yīng)當(dāng)被選擇為使得它們在給定分量幅度后讓疊加的最大高度最小化(因此它使得總的包絡(luò)平坦化)。使用相位信息以產(chǎn)生平坦的包絡(luò)可大大地提高光柵的效率。這說明了BSG設(shè)計的總的原理在大多數(shù)情形下，模擬折射率輪廓(在量化以前)應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地具有盡可能平坦的包絡(luò)。這是想要的，因為平坦的包絡(luò)代表光柵強(qiáng)度的均勻的分布，并且使得可用的折射率調(diào)制的使用更加有效。
按照本發(fā)明的相位最優(yōu)化步驟促進(jìn)了在BSG的反射效率方面的大大的增加。將會認(rèn)識到，增加反射峰值的數(shù)目產(chǎn)生了需要的折射率調(diào)制的亞線性增加。也就是，為了加倍峰值的數(shù)目而保持相同的峰值反射系數(shù)，折射率步長不需要被加倍。
通帶信道的合成常常需要光柵分離或選擇波分復(fù)用的光通信信道。這些信道由它們的波長(位置)和它們的帶寬(寬度)來描述。光柵也典型地伴隨有反射的強(qiáng)度和信道的頻譜平坦度的技術(shù)規(guī)范。這樣的帶通濾波器設(shè)計通常是在FIR濾波器理論中遇到的，并且因此存在對于它的解決的許多方法。這里給出的技術(shù)是基于加窗的方法在諸如帶通濾波器之類的構(gòu)建的光柵光譜的合成方面的主要原理是對于近似的設(shè)計問題的分析確定的解決方案的使用諸如平頂濾波器之類的某些濾波器形狀被認(rèn)為相應(yīng)于某些數(shù)學(xué)函數(shù)。例如，已知具有以下形式的sinc函數(shù)δωπsinc(δωi)=sin(δωi)πi]]>其中i是BSG分段數(shù)，相應(yīng)于寬度δω的理想低通濾波器。這個濾波器可以通過把它乘以適當(dāng)?shù)恼耶a(chǎn)生以下的濾波器而變換成以頻率ωc為中心的帶通濾波器Δωπcos(ωci)sinc(Δω2i)]]>其中峰值以ωc為中心并具有Δω的寬度。
可惜的是，這個特征在于從通帶到阻帶的突然的過渡的濾波器的實施需要無限長度。簡單地截斷該濾波器到想要的長度產(chǎn)生了被稱為Gibbs現(xiàn)象的不想要的振蕩特性。這是FIR設(shè)計中的常見問題，并且它的解決的一個方法是加窗的方法。
加窗的方法把截斷看作與在截斷的區(qū)域是零的窗函數(shù)的乘法。理論上把截斷操作看作與“矩形窗口”的乘法，該矩形窗口在區(qū)域內(nèi)保持等于1而在區(qū)域以外要被截斷的部分等于0。理論證明這個矩形窗口引起了Gibbs現(xiàn)象。
可用于截斷的窗函數(shù)通常通過在通帶與阻帶之間產(chǎn)生有限的“過渡寬度”來產(chǎn)生非理想的帶通濾波器，這與對于該過渡不需要寬度的理想濾波器相反。然而，F(xiàn)IR濾波器理論提出了幾個雖然非理想但可接受的窗函數(shù)。
一個這樣的窗函數(shù)是Kaiser窗-一個具有理想低通(并因此是帶通的)濾波器的窗函數(shù)，并且其允許設(shè)計者通過參數(shù)β定制過渡特性。Kaiser窗因此適合用于BSG的合成，并提供控制反射信道的形狀和銳度的附加的靈活性。然而，這僅僅是可用來達(dá)到這個結(jié)果的許多FIR技術(shù)之一，并且通過傅里葉方法的BSG合成不限于這個特定的方法。
將會認(rèn)識到，相應(yīng)于平頂信道的模擬輪廓最大程度地利用了光柵的中心。對于多峰值情形，這種情形是不希望的，因為它不經(jīng)濟(jì)地使用了遠(yuǎn)離中心的光柵資源。這個問題的方便的解決方案是在疊加它們時交錯與各個信道有關(guān)的波形。連同諸如用于多峰值光柵的技術(shù)之類的相位最優(yōu)化技術(shù)一起，這個過程能夠非常有效地使用光柵資源。
在一些實施例中，反射技術(shù)規(guī)范并不相應(yīng)于特定的基本形狀，例如帶通信道或峰值。用于光放大器和色散補(bǔ)償光柵的增益補(bǔ)償輪廓屬于這個類別。在這些實施例中，使用離散傅里葉變換(DFT)光柵可以被合成。
離散傅里葉變換和相關(guān)的快速傅里葉變換(FFT)是運行在有限的數(shù)目的采樣點上的傅里葉變換的形式。與正常的傅里葉變換有關(guān)，傅里葉近似和它關(guān)于BSG合成的結(jié)論轉(zhuǎn)移到了DFT。運行在一組1個實值點的DFT返回一組1/2個獨立的頻率分量。因此，具有1個分段的想要的光柵可以被指定在1/2波長上的反射系數(shù)值，而不是在波長之間。
使用DFT的BSG合成的例子如下地實行頻域技術(shù)規(guī)范以適合用于逆DFT運算的方式被插入到長度1的陣列，所述長度1即打算的器件長度(以樣本數(shù)計)。這可以通過在某些點上“采樣”傅里葉域技術(shù)規(guī)范的連續(xù)形式或替換地通過以適合于DFT的形式直接“畫出”技術(shù)規(guī)范而完成。然后確定該陣列的逆DFT。各種已知的“平滑”的形式可應(yīng)用于最終得到的波形，以便減小在頻率樣本之間的振蕩特性。
一旦模擬折射率輪廓被合成，它就需要幾個修正方案。一個這樣的修正方案由離散和值濾波器進(jìn)行濾波。另一個修正方案是波形應(yīng)當(dāng)被縮放到適合于將來的增量總和調(diào)制級的電平。例如，這可以通過重新縮放波形到具有幅度1來完成。
量化或增量總和調(diào)制(DSM)
至今為止給出的傅里葉域合成產(chǎn)生了模擬光柵輪廓。然而，BSG需要只利用小的數(shù)目(通常是2)的折射率值的離散輪廓。將會認(rèn)識到，在替換實施例中可以使用任何適當(dāng)數(shù)目的離散數(shù)值，舉例來說例如八進(jìn)制超級光柵(OSG)。用于量化(即離散提供)光柵輪廓的一個技術(shù)是增量總和調(diào)制。然而，可以使用任何合適的量化技術(shù)。
對于通過傅里葉方法的模擬輪廓的量化的優(yōu)選的要求是它保留在重要頻段中的譜信息。增量總和調(diào)制例如被設(shè)計成能從給定的頻段中“濾除”量化噪聲，保持該頻段中的譜信息大部分不受干擾。為了改進(jìn)也可應(yīng)用其他量化方法，例如引起在頻域中不明顯的光柵效應(yīng)?？傊?，選擇的量化方法優(yōu)選地保留正如傅里葉近似需要的在重要頻段中小幅度的譜特征，其在小幅度域中成為精確的。
將會認(rèn)識到，通過傅里葉技術(shù)的BSG合成的方法和這里給出的以下的量化并不限于增量總和量化。
參照圖32，顯示了DSM反饋過程320，它通過使用測量的量化誤差321改進(jìn)在環(huán)路濾波器322后的量化。也就是，DSM使用在單元323中的閾值量化它的輸入，而記錄由單元323中的量化丟失的任何重要的信息并把這個信息饋送回到濾波器322中它的輸入。將會認(rèn)識到，在替換實施例中可以使用任何合適的數(shù)字量化器。
誤差反饋和迭代一旦傅里葉光柵反射譜被量化，合成幾乎就完成了。光柵的性能可以通過使用諸如轉(zhuǎn)移矩陣方法之類的標(biāo)準(zhǔn)測試被估計，以確定合成誤差。合成誤差是指在想要的反射譜與由轉(zhuǎn)移矩陣方法測量的譜之間的差值。在一個實施例中可以估計該誤差，并且通過從光柵的頻域技術(shù)規(guī)范中減去該誤差而使用該誤差來偏移設(shè)計技術(shù)規(guī)范。新的技術(shù)規(guī)范然后可用來重復(fù)該合成過程并生成改進(jìn)的光柵。在替換實施例中，在頻域中測量的誤差可被適當(dāng)?shù)刈儞Q成空間域，并被加到模擬光柵輪廓(在量化之前的光柵)。此后者的形式是通用的和有效的技術(shù)，它可以獨立于在頻域中使用的合成方法而被利用。誤差反饋過程可以按希望被重復(fù)，但單次迭代常常是足夠的。對于小幅度的頻率區(qū)域的反饋的收斂由上述的傅里葉近似來保證。
將會認(rèn)識到，本發(fā)明有利地允許設(shè)計者把誤差反饋校正與光柵校正技術(shù)進(jìn)行比較，以便校正衍射特性域中的失真。例如，某些峰值可能具有其在反射域中失真的特性形狀，上述的誤差反饋中的任一個都可以對其進(jìn)行校正。本發(fā)明允許設(shè)計者權(quán)衡與光柵資源的應(yīng)用相比較時誤差反饋的優(yōu)點。
BSG合成的替換實施例感生的對稱性合成參照圖33，采樣信號的基本性質(zhì)在于它們的傅里葉譜顯示關(guān)于稱為奈奎斯特頻率的特征頻率的整數(shù)倍的對稱性。在某些應(yīng)用中，例如具有大量相同峰值的濾波器，在反射技術(shù)規(guī)范中存在類似的對稱性。感生對稱性合成的原理是反射技術(shù)規(guī)范的對稱性可以通過關(guān)于奈奎斯特頻率的對稱性被重現(xiàn)，以便光柵的資源僅僅需要用來創(chuàng)建譜特性的一半。
對于這個方法的一個好的例子是具有十個相等間隔的反射系數(shù)峰值的濾波器的合成。使用感生對稱性合成的原理，設(shè)計者可以選擇采樣長度，其把奈奎斯特頻率精確地放置在十個峰值的中間，也就是，在技術(shù)規(guī)范的對稱性的直線上。設(shè)計者然后可以進(jìn)行合成用于五個較低峰值的光柵。由于頻域?qū)ΨQ性，較高的五個峰值自動地呈現(xiàn)。
超級奈奎斯特合成對于光柵雕刻需要的分辨率常常超過可用的分辨率。例如，當(dāng)以砷化鎵(n＝3.2)材料設(shè)計用于1550nm波長范圍的BSG時，可以方便地設(shè)置奈奎斯特速率為1550nm(例如使用感生對稱性合成)，它相應(yīng)于約120nm的樣本長度。這個特征尺寸對于光的照相平板印刷太小，并且需要使用更昂貴的電子束平板印刷。
然而，奈奎斯特認(rèn)為，在奈奎斯特極限值以上的頻率內(nèi)容由在奈奎斯特極限值以下稱為圖像的頻譜信息的重復(fù)拷貝組成。因此，在奈奎斯特速率以上的光柵特性(超級奈奎斯特)可以通過合成在奈奎斯特極限值以下發(fā)現(xiàn)的它們的光柵圖像來生成。
這樣，超級奈奎斯特合成例如對于減小以上討論的1550nm的砷化鎵光柵所需要的分辨率是有用的。選擇“三階”合成，設(shè)計者可以選擇樣本長度使得1550nm區(qū)域相應(yīng)于三倍奈奎斯特頻率，如圖34所示。設(shè)計者然后可以把傅里葉域光柵特性移位整數(shù)倍的采樣速率(兩倍奈奎斯特頻率)，使得它們處在奈奎斯特頻率以下的“基帶”中。用于這些移位特性的合成的光柵在打算的場合下顯示光柵特性，由于成像現(xiàn)象，剛好在三倍奈奎斯特頻率下面。而且，用于這個新光柵的樣本長度是360nm，這更適合于光的平板印刷。將會認(rèn)識到，應(yīng)用超級奈奎斯特合成有利地減少了分辨率的要求。
超級光柵應(yīng)用超級光柵散射減少參照圖1，顯示了在上部包層13中形成的深光柵BSG 14的示意圖，該上部包層13與核心12和下部包層11相組合形成該結(jié)構(gòu)。在超級光柵設(shè)計中所關(guān)心的是由于起自光柵中的低的空間頻率分量的輻射的包層模引起的散射損耗。這個散射是由于在垂直于光柵的方向上相位匹配條件的不完全執(zhí)行引起的，并且對于淺光柵更普遍。
本發(fā)明的更深的蝕刻特性通過在法線方向上占用較大的距離來減少此散射，從熟知的惠更斯原理和傅里葉來考慮，這導(dǎo)致在正常尺寸上更加堅固的相位匹配要求；由此減小(不想要的)散射效率。更加定量地，光柵特性應(yīng)當(dāng)理想地深刻齒到超過包層中材料的波長(λmat＝λ0/nclad)的深度，并且模尾部的衰減常數(shù)應(yīng)當(dāng)小于光柵區(qū)域中的1/λmat(替換地，BSG可以在模中心的核心區(qū)域12中實施，在這種情形下，核心12應(yīng)當(dāng)比λmat寬；或以這樣的方式，即折射率擾動范圍是整個模態(tài)輪廓)。這保證來自光柵的正常范圍的相對較均勻的貢獻(xiàn)，由此增強(qiáng)散射分量的抵銷。
在所述分析后接著考慮折射率輪廓和模態(tài)輪廓15的乘積這個乘積越寬且越平坦，則它的傅里葉變換越窄，并且因此在法線方向上的k空間表示也越窄。對于相位匹配條件的這個增加的限制減小了在其上導(dǎo)波可耦合到輻射模式的范圍(例如以輸出角度計)，并因此減少了聚集的散射損耗。
同樣參照圖2，顯示了基帶排除后k空間圖的基本原理。包括作為附加的“感興趣區(qū)域”的k空間基帶(即低的空間頻率)通過大大地減少由小的k分量調(diào)節(jié)的不想要的更高階耦合來改進(jìn)合成。
在替換實施例中，可以使用改變有效的(或模態(tài)的)折射率的任何方法來實施超級光柵，包括表面起伏實施例(見圖31)。一個替換例是通過改變一維波導(dǎo)的橫向尺寸來實現(xiàn)模態(tài)折射率的改變。這可以在脊形波導(dǎo)30的情形下通過改變它的寬度來完成，如圖3所示從邏輯0改變到邏輯值1。這個實施例具有許多優(yōu)點波導(dǎo)30和BSG 31可以一起被制作圖案和蝕刻，由此簡化了制造；波導(dǎo)和光柵被自動地自對準(zhǔn)，減少了容差；并且刻制的多層超級光柵可以如同兩層BSG一樣容易地被產(chǎn)生。
2D(二維)超級光柵在一個實施例中，BSG采取高折射率和低折射率行的一維序列的形式，并且可以模擬不同幅度但同樣方向的k矢量(即空間頻率分量)的幾乎任意的疊加。BSG可被擴(kuò)展到二維，其中它采取在平面波導(dǎo)的平面上實施的高的和低的折射率像素的矩陣的形式；這還可被擴(kuò)展成包括任意數(shù)目的離散層。2D BSG(以及更一般的2D超級光柵)可以模擬不同幅度和不同方向(在光柵的平面內(nèi))的k矢量的幾乎任意的疊加。實際上，這意味著2D BSG可以按照波長和平面內(nèi)輸入和輸出角度來路由和聚焦光，由此允許諸如波束成形、波長選擇性透鏡化、以及空間復(fù)用和分解之類的功能。
2D超級光柵實施例現(xiàn)在參照圖4，顯示了原型2D“超級光柵”40的示意圖，所述“超級光柵”40被稱為BSG，代表雙態(tài)超級光柵。2D超級光柵是一種具有折射率調(diào)制的、有效折射率調(diào)制的、增益調(diào)制的和/或損耗調(diào)制的像素的2維陣列的光學(xué)器件，標(biāo)稱地采用有限組的兩個或多個級別的調(diào)制參數(shù)，并且以光在陣列平面內(nèi)傳播這樣的方式被使用。術(shù)語“傳播層”用來指光行進(jìn)通過的層。術(shù)語“調(diào)制層”用來指載送造成結(jié)構(gòu)的模態(tài)折射率的改變的物理變化的層。在一些情況下，所述兩層將是相同的-例如當(dāng)使用離子實施方案時。在其他情況下，它們當(dāng)包層被蝕刻時或當(dāng)可控指被應(yīng)用來造成與傳播層的接觸時將是不同的。當(dāng)使用這些術(shù)語時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠容易地明白。像素可以以任何有序的或周期性的結(jié)構(gòu)被安排，例如格型排列，并且可以采用任何任意但重復(fù)的形狀。有陰影的像素表示高的折射率值，以及空白的像素表示低的折射率值。例子是在矩形陣列上的矩形像素的陣列、在三角形網(wǎng)格中的點散射器的陣列、或在六邊形網(wǎng)格中的六邊形像素的陣列。這種器件的制造形式由于與產(chǎn)生理想的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的技術(shù)困難可以呈現(xiàn)非雙態(tài)或甚至連續(xù)性的調(diào)制級別，但像素仍然是用相應(yīng)于制造器件為2DBSG的理想組的級別的有限組的雕刻方法或參數(shù)雕刻的。這樣的器件除了模擬諸如鏡子和透鏡之類的傳統(tǒng)光學(xué)器件以外，還允許特定于角度和波長的光處理。
2D BSG的像素是通過在光柵的二維空間頻率表示中保留在一個或多個感興趣區(qū)域中的傅里葉信息(沒有顯著地添加或減去特性)的方法來量化的模擬輪廓的量化表示，其相應(yīng)于在特定于角度和波長的衍射特性方面感興趣的區(qū)域。
2D超級光柵的合成合成二維超級光柵的一個方法可以如下A)確定一組描述在所有運行模式和波長下在BSG的輸入端和輸出端處的電磁場的數(shù)學(xué)條件。
B)通過求解相應(yīng)于比如說具有相應(yīng)于輸入-輸出條件的邊界條件的Born近似的方程組來計算模擬輪廓。
C)使用被設(shè)計為在一個或多個感興趣區(qū)域內(nèi)保持傅里葉分量的二維技術(shù)來將模擬輪廓數(shù)字化。一個適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ荈loyd-Steinberg抖動，其中在每個像素處造成的量化誤差通過使用包含感興趣區(qū)域中的光譜信息的有限脈沖響應(yīng)函數(shù)被擴(kuò)展到還要被量化的像素。
光柵合成的過程可以參照簡化的例子來說明。圖36A顯示了一個簡單的多路分解器36-10，用于把從波導(dǎo)36-2下面進(jìn)入的和具有兩個波長La和Lb的輻射分離到兩個輸出路徑36-4和36-6，每個路徑具有單個波長。圖36B顯示使用執(zhí)行相同功能的分立元件的簡單多路分解器。圖36B的例子使用棱鏡3沿兩個路徑24’和26’分離輸入的波長(兩個光束以相同的方向彎曲)。分離的輻射束被棱鏡34和36彎曲回到正確的路徑，以進(jìn)入輸出波導(dǎo)4和6。光束然后通過透鏡34’和36’被聚焦到波導(dǎo)4和6。圖36A顯示由固態(tài)技術(shù)在平面波導(dǎo)中形成的實施例實現(xiàn)的相同功能。像素的X-Y(由軸36-15表示的方向)陣列由沿著方框36-10的左邊緣和底部的線表示，它形成一個BSG，其執(zhí)行以隨距離變化的角度(角度A1和A2以及B1和B2)分離光束(在本例中把一個波長彎曲到左面而把另一個波長彎曲到右面)的功能以提供分離。所述角度在由括號36-34和36-36表示的區(qū)域中被顛倒，其中像素執(zhí)行角度改變并且也聚焦輻射。在方框36-10的下部，波前用直線表示，以及在上部，波前用曲線表示，所述曲線表示聚焦到輸出波導(dǎo)36-4和36-6的結(jié)果。
將會認(rèn)識到，圖36A的例子被簡化成上部的像素只處理單個波長，因為輻射已在空間上被分離。在多路分解器的許多實際的實施例中，輸出路徑將被關(guān)閉或被疊加，并且像素將處理一個以上的波長。本發(fā)明的有利特征在于，實行需要的功能的折射率輪廓的合成被在數(shù)學(xué)上執(zhí)行，而不是如過去那樣用第一干涉圖案照射材料層，然后用第二干涉圖案，等等。
參照圖5，2D BSG可用于使用1D超級光柵50或其他類型光柵的應(yīng)用和器件中，以便提供潛在的優(yōu)點。這些優(yōu)點來源于這樣的事實二維光柵具有在光柵平面的兩個維度上定義明確的耦合波矢量，因此提供了對于具有輻射模式的耦合的直接控制，所以具有減少散射的潛力。相反，1D光柵50常常由它的窄的寬度造成在垂直于波導(dǎo)的方向上具有定義很差的耦合波矢量。
相應(yīng)于給定二維光柵的“有效一維光柵”可被看作為通過沿著垂直于一維導(dǎo)引的橫向行合并2D光柵而得到的ID折射率輪廓。有效1D光柵具有的折射率水平橫跨在兩個雙態(tài)水平之間的很寬范圍的數(shù)值上，并具有的足夠高的橫向采樣在性質(zhì)上幾乎是模擬的(對于1個雙態(tài)橫向樣本，級別數(shù)將是21)。由于模擬光柵沒有受到量化問題的影響，這可用作一種用于多級別光柵設(shè)計的方法，其還享有雙態(tài)式物理結(jié)構(gòu)的堅固性和容易制造的好處。
該方法可總結(jié)為包括以下步驟·如同以前的方法一樣計算模擬輪廓。
·把每個像素變換成雙態(tài)(或多級別)像素行，沿垂直于1D光柵軸的橫向方向放置，以使得沿該行所取的平均值緊密地適合于想要的模擬值。這組像素值優(yōu)選地被限制為保持一定的對稱性，以便減少到高次模的耦合(限制可用橫向平均的數(shù)目的折衷)。此行可以通過使用像DSM那樣的過程(饋送以想要的平均值或想要的橫向輪廓)、用隨機(jī)搜索最優(yōu)化方法(對于小數(shù)目的像素)、或通過其他方法而被計算。
2D超級光柵可以通過首先將1D波導(dǎo)充分展寬成包含2D超級光柵來在1維結(jié)構(gòu)中實施。波導(dǎo)可擴(kuò)展到區(qū)域以外，以及縮小到較小的(可能是單模)尺寸。另外，兩個波導(dǎo)可擴(kuò)展成這樣的2D光柵區(qū)域(以及類似地在另一面縮小)以創(chuàng)建波導(dǎo)耦合器。2D超級光柵在結(jié)合超級光柵波導(dǎo)耦合器實施時也提供減小的散射。
3D(三維)超級光柵BSG還可以擴(kuò)展到三維，其中它采取高的和低的折射率像素的三維陣列的形式。如前，這個定義可被擴(kuò)展到包括任何數(shù)目的離散層。3D BSG(以及更一般的3D超級光柵)可以模擬在3D空間頻率的空間中規(guī)定的一個或多個感興趣區(qū)域內(nèi)任何幅度和取向的k矢量(即空間頻率分量)的幾乎任意的疊加。實際上，這意味著3D BSG可以按照波長、輸入角度(即極性和方位)和輸出角度來路由和聚焦光，由此允許諸如對于二維光柵描述的但在三維的波長、極角和方位角下的功能之類的功能。
參照圖6，顯示了在包括折射率、有效折射率-、增益-和/或損耗-調(diào)制的像素的3維陣列的光學(xué)器件中原型3D超級光柵的示意圖；標(biāo)稱地采用有限組的兩個或多個級別的調(diào)制參數(shù)。像素可以按任何有序的或周期性的結(jié)構(gòu)被安排，并且可以采用任意的但重復(fù)的形狀。這種器件的制造的形式可以或者通過設(shè)計或者由于與產(chǎn)生理想的樣品有關(guān)的技術(shù)困難來呈現(xiàn)非雙態(tài)或甚至連續(xù)性的調(diào)制級別，但像素仍然是使用相應(yīng)于制造器件為3D BSG的理想組的級別的有限組的雕刻方法或參數(shù)雕刻的。這樣的器件除了模擬諸如鏡子和透鏡之類的傳統(tǒng)光學(xué)元件以外，還可以允許成斜面地和上色地特定光學(xué)處理。
3D超級光柵的合成用于合成3D超級光柵的方法包括非常類似于上述用于2D超級光柵的方法的方法，除了這些方程描述3維空間和這些量化方法使用3維脈沖響應(yīng)函數(shù)來分布量化誤差以外。
2維或3維超級光柵可被設(shè)計成能創(chuàng)建一個特征為完全的或不完全的光子帶隙(PBG)的結(jié)構(gòu)。這可以通過用任何BSG設(shè)計方法設(shè)計光柵來完成，所述BSG設(shè)計方法擁有在想要的帶隙內(nèi)或附近的譜特性，并具有足夠的強(qiáng)度和密度來創(chuàng)建帶隙。合成可牽涉到整個可應(yīng)用的區(qū)域，或以較小規(guī)模應(yīng)用以創(chuàng)建圖案，該圖案可被平鋪以覆蓋較大的區(qū)域。所述設(shè)計也可以使用高階合成方法以允許減少的分辨率要求。
一種完全的光子帶隙材料是一種呈現(xiàn)一段范圍的頻率的材料，所述范圍的頻率不能傳播通過該介質(zhì)而不管傳播的方向。這種介質(zhì)的應(yīng)用在文獻(xiàn)中有許多且是豐富的。一些例子是濾光器和諧振器、光學(xué)輻射的抑制器或增強(qiáng)器、用于(超級)棱鏡的材料、用于新穎的激光器和檢測器結(jié)構(gòu)的環(huán)境、以及用于光的導(dǎo)引和連線的基片。
基于BSG的光子帶隙提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的PBG材料的關(guān)鍵的優(yōu)點，包括較低的折射率對比度要求以及寬松的分辨率要求(二者導(dǎo)致與光學(xué)器件的較高的兼容性和容易進(jìn)行制造)。
通過最優(yōu)化的超級光柵的合成除了上述的方法以外，這里還給出設(shè)計一維、二維、或三維種類的超級光柵的一般方法·用諸如第一合成方法之類的過程生成模擬輪廓(令函數(shù)稱為P)。
·生成確定重要的波長范圍(其中譜特性被保留)和它們的權(quán)值的濾波器H。H實質(zhì)上指定對于每個頻率的權(quán)值，其中高的權(quán)值比起低的權(quán)值導(dǎo)致更好地保留譜信息。濾波器H可以以矩陣算子的形式被寫入以允許以下步驟的矩陣解決方案，但也可采用脈沖響應(yīng)或極-零點形式。
·求解最優(yōu)化問題minX,VC=minX,V[Σ|H(P-X)|L+ΣiVi(Xi-nlow)(Xi-nhigh)]]]>其中X是包含BSG的數(shù)值的矢量，V是拉格朗日乘數(shù)的矢量，以及L確定用于最優(yōu)化的規(guī)范的類型(例如L＝2相應(yīng)于最小二乘最優(yōu)化)。拉格朗日乘數(shù)迫使BSG數(shù)值為允許的折射率數(shù)值之一(nlow或nhigh)，導(dǎo)致了雙態(tài)形式。功能可按照本發(fā)明的教導(dǎo)被修正以允許多值的超級光柵。
最優(yōu)化可以通過使用任何最優(yōu)化方法來實行，雖然因為方程的矩陣性質(zhì)，所以牛頓型方法是特別有用的并且當(dāng)前是優(yōu)選的。
該方法可以通過采取由相應(yīng)的合成方法生成的模擬輪廓并執(zhí)行類似的最優(yōu)化過程而被應(yīng)用到2D和3D光柵的合成，其矩陣方程被修正以適當(dāng)?shù)乜紤]維度。這可以通過把二維光柵的行堆疊成一行X變量以及同樣地用于P變量并合成相應(yīng)的H矩陣來完成。
H矩陣可被生成為給定的脈沖響應(yīng)函數(shù)的Toeplitz矩陣，或用其他方法，包括
令hf是表示空間頻率f的重要性的權(quán)值。然后，H被給出為H＝F-1diag(hf)F，其中n維的F是由下式給出的傅里葉矩陣Fjk=1ne2πijk/n(i=-1).]]>與矩陣F的乘法等價于取矢量的傅里葉變換，這是一種可以通過使用快速傅里葉變換(FFT)方法而被加速的運算。這個事實可被用于這種H濾波器以將成本函數(shù)和它的導(dǎo)數(shù)的計算加速到nlog(n)階。
另一個替換例是通過把P和X變量看作它們的傅里葉表示(通過與F相乘而生成的)來在傅里葉域中執(zhí)行最優(yōu)化，同時適當(dāng)?shù)刈儞Q等式的約束條件minX~,VC~=minX~,V[|hfT(P~-X~)|2+X~TFdiag(V)F-1X~-V]]]>P~=FP,X~=FX]]>這個表示法可具有允許對 和/或hf矢量的稀疏表示的優(yōu)點，這可有助于減少計算時間。
用于超級光柵的調(diào)諧機(jī)制超級光柵的譜特性可以通過任何產(chǎn)生有效的模態(tài)折射率的改變的機(jī)制被移位。如果存在電光的、電致伸縮的、磁光的、電致變色的和/或光敏的介質(zhì)作為器件的一部分從而允許使用電子控制修正一個或多個設(shè)計參數(shù)，則這可以被完成。替換地，一個或多個設(shè)計參數(shù)的修正可以通過使用溫度的改變、機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用和/或整個器件或其一部分的照射而被實施。
調(diào)諧機(jī)制可包括但不限于以下熱的、電光的、磁光的、光限制的、機(jī)械應(yīng)變(外部的、壓電的、靜電的、靜磁的、聲的)、電流注入、光照射、液晶、可重新配置的分子、化學(xué)相互作用和機(jī)械變換。
對于一些器件，所述好處相應(yīng)于譜特性的強(qiáng)度的移位或改變；對于其他，呈現(xiàn)在此以外的功能。總之，貫穿本專利申請以及在下面的所有的器件說明中暗示，采用靜態(tài)超級光柵的器件的功能可以通過用可調(diào)諧的超級光柵替代這些靜態(tài)超級光柵而被進(jìn)一步增強(qiáng)。
可編程的超級光柵參照圖7a-7d，顯示了可編程超級光柵的示例性實施例?？删幊坛壒鈻攀遣糠值匕娍蓪ぶ返碾姌O的陣列以及適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)的器件，由此電極用來建立在介質(zhì)中的光柵圖案。光柵圖案是可編程的、動態(tài)的或固定的。光柵圖案可以標(biāo)稱地利用有限數(shù)目的調(diào)制級別(例如用于BSG的兩個級別，用于超級光柵的多個)，或利用連續(xù)性的調(diào)制級別。
另一個實施例(圖7a)包括被放置在一個或多個波導(dǎo)7a3上面的MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))7a2指的陣列；其中每個指相應(yīng)于BSG的一個“比特”，并且可以單獨地向下偏轉(zhuǎn)以接觸到波導(dǎo)7a2表面。替換地，“關(guān)斷”狀態(tài)可以相應(yīng)于在指與波導(dǎo)之間的接觸，以及“接通”相應(yīng)于向上偏轉(zhuǎn)并遠(yuǎn)離波導(dǎo)?？傊?，與波導(dǎo)接觸的狀態(tài)通常將產(chǎn)生較高的有效折射率，以及不接觸將產(chǎn)生較低的折射率。優(yōu)選實施例具有的關(guān)斷波導(dǎo)分離足夠大，這樣在這個數(shù)值中的輕微誤差可忽略地改變較低的有效折射率值，由此促進(jìn)真正的雙態(tài)運行。
如圖7b所示的又一個實施例包括多個放置在影響傳播的封裝的液晶7b2(LC)上的電極。在向列相，LC呈現(xiàn)雙折射，它可以由電壓進(jìn)行調(diào)諧，由此產(chǎn)生調(diào)諧有效折射率的裝置。這個電壓依賴性典型地具有某個閾值電壓Vt(相應(yīng)于向列的LC的完全對準(zhǔn))，超過該電壓將幾乎不發(fā)生或完全不發(fā)生折射率的改變。采用V＝0和V＞Vt的控制電壓的方法所以應(yīng)當(dāng)促進(jìn)真正的雙態(tài)運行，即使面臨諸如場邊緣之類的混雜效應(yīng)。
同向的和反向的定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器我們從描述許多更復(fù)雜的器件中的以下兩個基本元件開始即同向定向的和反向定向的不對稱波導(dǎo)BSG耦合器。這些元件(它們事實上本身是器件)把光從一個波導(dǎo)耦合到另一個平行的波導(dǎo)，具有想要的譜響應(yīng)即給定波長的光可以完全地、部分地、或完全沒有地進(jìn)行耦合，并具有想要的相位。一般的實施例圖7c包括兩個平行的不對稱波導(dǎo)，它們具有不同的有效模態(tài)折射率(neff)1和(neff)2，因此具有不同的傳播矢量k1(λ0)＝2π(neff)1/λ0和k2(λ0)＝2π(neff)2/λ0，其中λ0是自由空間波長。
有效折射率通常依賴于波長λ0。來自電子驅(qū)動器7c3的信號被施加到由7c2表示的電極上，它改變感應(yīng)耦合的模態(tài)分布。
光將從一個波導(dǎo)同向定向耦合到另一個相鄰的波導(dǎo)，如果它們的各自模態(tài)的輪廓重疊的話；這稱為固有耦合，并且通常對于所有的輸入波長發(fā)生。固有耦合是在BSG增強(qiáng)耦合情形下的寄生效應(yīng)，并且最優(yōu)設(shè)計尋求保證后者使得前者顯得小。當(dāng)波導(dǎo)不對稱性(即在(neff)1和(neff)2之間的差值)增加時，這個條件變得更加容易滿足。
同向定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器參照圖8，顯示了同向定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器80的示意圖。從一個波導(dǎo)81同向定向耦合到另一個相鄰的波導(dǎo)82(即具有重疊的模態(tài)輪廓)將在特定的波長被增強(qiáng)，如果波導(dǎo)的有效折射率被空間頻率Kg(λ0)＝k1(λ0)-k2(λ0)干擾的話。這可以使用任何的BSG實施例來完成，所述實施例包括，例如但不限于如上所述地把BSG 83放置在兩個波導(dǎo)之間或也如上所述在一個或兩個波導(dǎo)中橫向地實施BSG的可能性。任意空間耦合特性通過使BSG 83模擬Kg(λ0)的適當(dāng)?shù)淖V來得到。
反向定向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器參照圖9，顯示了耦合波導(dǎo)91和92的反向反向不對稱波導(dǎo)BSG耦合器90的示意圖。對于以上實施例，對于給定的輸入波長λ0將發(fā)生反向定向耦合，如果折射率擾動代替地包括Kg(λ0)＝k1(λ0)+k2(λ0)的空間頻率。BSG 93應(yīng)當(dāng)保持在感興趣的整個譜段上不存在2k1(λ0)和2k2(λ0)的空間頻率，因為這些空間頻率將在各個波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生后向反射，由此減小耦合效率和產(chǎn)生不想要的后向反射。滿足這個條件需要波導(dǎo)的不對稱性是足夠的，以避免在所有感興趣的波長范圍內(nèi)在產(chǎn)生波導(dǎo)間耦合的光柵空間頻率(Kg’)與產(chǎn)生波導(dǎo)內(nèi)耦合的那些空間頻率之間的任何重疊；在數(shù)學(xué)上，這可表示為k1(λ1)+k2(λ1)≠2k1(λ2)和k1(λ1)+k2(λ1)≠2k2(λ2)其中k1和k2是早先用取決于波長的有效折射率定義的，以及λ1和λ2是位于感興趣范圍內(nèi)的波長的任何組合。
將會認(rèn)識到，如果任一個波導(dǎo)是多模的，則應(yīng)當(dāng)避免即在屬于想要的和不想要的耦合(是同向還是反向)的光柵頻率范圍之間的其他重疊。
反向定向?qū)ΨQ波導(dǎo)BSG耦合器參照圖10，顯示了反向定向?qū)ΨQ波導(dǎo)BSG耦合器的示意圖。對稱BSG反向定向耦合器執(zhí)行與不對稱反向定向耦合器(可編程、動態(tài)或靜態(tài))相同的功能，但允許兩個波導(dǎo)在它們的有效折射率上弱的不對稱或甚至對稱。因此，在以前的表示式中表示的限制可被超過，雖然這通常導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)反射。下面概述的方法允許在相鄰的對稱波導(dǎo)之間的有效耦合，而抑制波導(dǎo)內(nèi)反射。
所述器件包括兩個具有放置在其間的BSG 612的波導(dǎo)(對稱或相反)。BSG可以按需要是靜態(tài)的、可調(diào)諧的、或可編程的。另外兩個BSG 611和622與中間的BSG相同但具有相反的對比度(1變?yōu)?及反之亦然)，它們被放置在兩個波導(dǎo)的任一邊，以便它們與中心BSG關(guān)于相應(yīng)的波導(dǎo)成鏡像。
工作原理如下令m1是波導(dǎo)1的模態(tài)輪廓，以及m2是波導(dǎo)2的模態(tài)輪廓。利用寬松的表示法，關(guān)于兩個波導(dǎo)的耦合系數(shù)可以以光柵強(qiáng)度的一階被寫為C12∝∫m1*m2G12+∫m1*m2(G11+G22)≅∫m1*m2G12,]]>其中G12是中心光柵，以及G11與G22分別是在波導(dǎo)1和2的遠(yuǎn)側(cè)上的光柵。第二項被忽略，因為兩側(cè)的光柵離相反的波導(dǎo)非常遠(yuǎn)(更精確地，相反的波導(dǎo)的模態(tài)輪廓在這個區(qū)域中可忽略)。
然而，從第一波導(dǎo)到它本身的耦合系數(shù)(相應(yīng)于波導(dǎo)內(nèi)反射)如下C11∝∫|m1|2G11+∫|m1|2G12=0]]>(因為G11＝-G22并且是對稱的)結(jié)果對于第二波導(dǎo)是相同的。為了抵銷所必須的唯一假設(shè)是兩個波導(dǎo)的模態(tài)輪廓實質(zhì)上是對稱的(關(guān)于它們的波導(dǎo)不必互相相同；將會認(rèn)識到，波導(dǎo)耦合通常引入至少某個不對稱元件)，以及光柵關(guān)于波導(dǎo)被適當(dāng)?shù)貙ΨQ化。抵銷是與許多材料參數(shù)無關(guān)的，例如波導(dǎo)的有效折射率，即使它們獨立地變化。
使用橫向波導(dǎo)變化的BSG耦合器實施BSG的這個特定的實施例在這里給予特別的提及是由于它特定的優(yōu)點以及后面將討論的一些預(yù)期的另外的精細(xì)之處例如用于不對稱波導(dǎo)耦合的最優(yōu)寬度變化，特別是關(guān)于每個波導(dǎo)中相對BSG強(qiáng)度，以及如何設(shè)計對稱波導(dǎo)耦合器的相反對比度的光柵，以使得波導(dǎo)內(nèi)反射最小化。
這個實施例的優(yōu)點類似于以上描述的那些優(yōu)點，特點在于現(xiàn)在有兩個(或多個)波導(dǎo)的事實，其中關(guān)鍵的是波導(dǎo)對準(zhǔn)。將會認(rèn)識到，波導(dǎo)和BSG可以有利地一起做成圖案和蝕刻，由此簡化了制造過程；而且，波導(dǎo)和光柵被自動地自對準(zhǔn)，減少了容差。
BSG縱橫接線器參照圖11，顯示了柵格拓?fù)淇v橫接線器的示意圖?？v橫接線器是一種把波長信道從多個輸入波導(dǎo)路由到多個輸出信道(通常匹配于輸入波導(dǎo)的數(shù)目)的器件?？v橫接線器通常需要能夠把任何波長從任何輸入波導(dǎo)路由到任何輸出波導(dǎo)。這些接線器典型地由N×N符號來表示，其中N表示輸入/輸出波導(dǎo)數(shù)與波長信道數(shù)的乘積；例如，具有4個輸入波導(dǎo)、4個輸出波導(dǎo)和每個波導(dǎo)16個波長信道的接線器被稱為64×64接線器。
傳統(tǒng)的縱橫接線器使用柵格拓?fù)?，其中n個輸入波導(dǎo)的每一個首先被多路分解成它的c個波長信道，導(dǎo)致n×c個輸入“行”，它們與n×c個輸出“列”交叉。這些列然后被多路復(fù)用成組，饋送到n個輸出波導(dǎo)。路由是借助于放置在行與列的交叉點處的光開關(guān)進(jìn)行的。這個設(shè)計對于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是特別普通的，其中開關(guān)通過使用可移動的鏡子來實施。顯然，這個拓?fù)湫枰?n×c)2個開關(guān)元件。
另一個拓?fù)淇梢允褂?×2接線器，也就是具有兩個輸入(I1和I2)和兩個輸出(O1和O2)的開關(guān)元件；它或者連接I1到O1和I2到O2，或者連接I1到O2和I2到O1。問題在于選擇開關(guān)的排列和數(shù)目，以使得輸入的光信號可被重新安排成在輸出端處所有可能的置換。為了確定所需要的開關(guān)的數(shù)目，我們可以注意到有(n×c)！個可能的輸入置換；因為每個2×2接線器提供一個控制比特，我們可以說O(log2(nc)！)＝O((nc)log2(nc))將會認(rèn)識到，可編程的BSG(例如如上所述的可調(diào)諧的同向定向或反向定向耦合器)可用來形成2×2接線器。因此，每個BSG開關(guān)元件可以為每個輸入波長獨立地提供2×2個功能。有利地，這消除了首先多路分解輸入波導(dǎo)的需要，并減少了所需要的開關(guān)數(shù)目開關(guān)元件的數(shù)目＝O(nlog2n)其中n僅僅是輸入波導(dǎo)的數(shù)目，保持與波長信道的數(shù)目c無關(guān)。(見圖12，顯示了利用6個開關(guān)元件120的4光纖開關(guān)的一個實施例的示意圖。)另一個實施例可以使用分層的2×2BSG開關(guān)元件，其中每個層具有等于n/2的相同數(shù)目的開關(guān)元件，其中n表示輸入波導(dǎo)的數(shù)目，每個輸入波導(dǎo)載送c個波長信道。在此實施例中，開關(guān)可以以下面的方式互相連接·令波導(dǎo)w連接到波導(dǎo)w+2l-1，其中l(wèi)是層的號碼(從1開始)。
·當(dāng)2l＝n時，通過再次設(shè)置l＝1(回繞)來使用以上公式。
這是唯一的一個特定的連線方法，并且可以設(shè)想更多的方法，特別是通過在雙態(tài)交換樹設(shè)計中從現(xiàn)有技術(shù)得出的。
由這類設(shè)計采用的開關(guān)元件的數(shù)目 其中ceil函數(shù)生成大于它的自變量的最小整數(shù)。
將會認(rèn)識到，由這個設(shè)計方法生成的節(jié)省可以是巨大的，并且在表1中進(jìn)行說明。
表1
在超級光柵的情形下開關(guān)元件的數(shù)目由以上的公式給出，在柵格設(shè)計情形下的開關(guān)的數(shù)目由c·n2確定，而在分層的設(shè)計中單波長開關(guān)的數(shù)目由BSG設(shè)計中開關(guān)元件的數(shù)目的c倍來給出。
另外，使用可編程BSG的實施例避免對于復(fù)用器和多路分解器的需要，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)省。單波長設(shè)計也可以采用布拉格光柵而不是BSG的同向定向和反向定向耦合器來實施。
光纖中BSG的直接寫入下面的部分描述在其折射率和/或有效模態(tài)折射率可以經(jīng)由暴露在強(qiáng)烈的和/或高能量激光下而改變的光纖中實施BSG的方法。
單光子的過程參照圖13，顯示了在光纖中實施BSG的一種單光子的方法。在此實施例中，利用雙態(tài)或多層的特性(折射率或有效折射率改變、燒蝕、損耗調(diào)制等等)的光柵通過可切換的、聚焦的激光束13-10被施加在光敏光纖13-1上，當(dāng)它相對于由箭頭指示的激光器的焦點以恒定的或可變的速度運動時，它把光柵信息直接刻印在光纖上。在替換實施例中，光纖是靜態(tài)的并且激光器的焦點被操縱以掃描光纖。
多光子的過程參照圖14，顯示了在光纖中實施BSG的多光子裝置(這里顯示兩個光子)140。類似于以上的方法，除了兩個或多個激光束144、145用于該過程以外，信息(即在折射率上的偏移)優(yōu)選地被刻在這些光束的子集相交143和/或相長干涉的地方。將會認(rèn)識到，這個實施例提供了不管基礎(chǔ)的感光靈敏度機(jī)制是取決于強(qiáng)度還是取決于能量的優(yōu)點。在前者的情形下，N個(相等的幅度)光束的相長干涉產(chǎn)生單個光束強(qiáng)度的N2倍；在后者的情形下，布置可以被安排成使得只在光束相交的場合下才存在聚集的光子能量足以實施所考慮的過渡。
這個實施例允許增加對在其上施加信息的光纖內(nèi)的區(qū)域的控制(例如，如果光束被使得在這里相交，則折射率只能在核心141處改變)，并且也可以簡化制造，因為外部的包層不必像對單光子過程所需要的那樣被剝開。
下面描述了本發(fā)明的替換實施例，它采用超級光柵與以前的部分的模塊單元的某些組合。將會認(rèn)識到，這里提到的任何BSG都可以由更一般的多層超級光柵實施例代替，所述多層超級光柵實施例又可以被按照本發(fā)明教導(dǎo)的可調(diào)諧的和/或可編程的實施例代替。
波長多路分解器多路分解器把多波長(即多個信道)輸入分離成它的組成信道。這個多路分解器的功能可以使用在下面更詳細(xì)描述的各種實施例中的BSG來取得。
按照本發(fā)明教導(dǎo)的多層超級光柵也適于具有不均勻的信道間隔(或任何其他信道間隔方案)的多路分解器和濾波器。將會認(rèn)識到，本發(fā)明的這樣的多路分解器的優(yōu)點有利地減少了諸如SRS(受激拉曼散射)之類的問題，它是在信道按光子頻率(能量)相等地間隔時被增加的。
利用1D超級光柵的多路分解器參照圖15，顯示了利用1D BSG的多路分解器的示意圖。這個器件部分地包括一組使用反向定向和/或同向定向BSG耦合器15-1-15-3耦合的波導(dǎo)，如上所述，效果是通過特定的輸入端口進(jìn)入該器件的多波長光被分成它的波長分量，并且所述波長分量通過它們的指定的輸出端口離開該器件。
特定的實施例包括同向定向和反向定向BSG的級聯(lián)，它們把信道連續(xù)地劃分成兩個子帶直至各個信道都被提取；以及傾斜的單信道光柵的序列，它把各個信道引導(dǎo)到它們各自的輸出波導(dǎo)。
利用2D超級光柵的多路分解器圖16所示的這個實施例包括2D BSG，其效果是通過指定的輸入端口進(jìn)入該器件的多波長光被分成它的波長分量，所述波長分量通過它們的指定的輸出端口離開該器件。
加上/卸下濾波器在這個實施例中，如圖17所示的光的加上/卸下濾波器是一種光學(xué)器件170，它包括“進(jìn)入”端口171，其接受多個波長信道的輸入；“卸下”端口172，從“進(jìn)入”流分離的一個或多個信道通過該“卸下”端口被路由；以及“通過”端口174，從該端口呈現(xiàn)剩余的信道。還可以存在附加的“加上”端口，它接受在從“進(jìn)入”流中被卸下的波長信道上的輸入，并把它們路由到“通過”端口輸出。
靜態(tài)加上/卸下濾波器參照圖18，顯示了本發(fā)明的光學(xué)器件實施例，它包括一個或多個2D BSG和/或一組使用反向定向和/或同向定向BSG耦合器耦合的波導(dǎo)。在此實施例中，通過指定的輸入(“進(jìn)入”)端口181進(jìn)入該器件的一個或多個波長分量被分離并通過指定的輸出(“卸下”)端口184離開該器件。輸入的光的剩余部分通過不同的輸出(“通過”)端口182離開該器件。另外，該器件可包括附加的輸入(“加上”)183端口，其特性是通過該端口進(jìn)入該器件的特定的或所有的波長分量也通過“通過”端口182離開，由此被加到由“進(jìn)入”端口路由到那里的光上。
仍舊參照圖18。BSG 1把來自波導(dǎo)A的輸入的λ的子集耦合到波導(dǎo)B。BSG 2把來自B的第一子集的子集耦合到C。這個過程繼續(xù)進(jìn)行直至只有想要的波長在卸下波導(dǎo)中被留下為止。將會認(rèn)識到，BSG-1和BSG-2可被調(diào)諧以選擇在超過固有的調(diào)諧范圍Δλ/λ≈Δn/n的范圍內(nèi)的想要的λ。將會進(jìn)一步認(rèn)識到，在替換實施例中可以采用反向定向耦合。在此實施例中，加上端口183可以通過類似的Vernier方法使λ成為選擇性的。
動態(tài)加上/卸下濾波器參照圖19，顯示了光學(xué)器件的實施例190，它包括一個或多個2DBSG和/或一組波導(dǎo)，其中波導(dǎo)是使用可調(diào)諧的或固定的反向定向和/或同向定向BSG耦合器來耦合的，具有與靜態(tài)BSG加上/卸下濾波器相同的有效功能，但增加的是從“進(jìn)入”端口被引導(dǎo)到“卸下”端口的波長和/或從“加上”端口被引導(dǎo)到“通過”端口的波長是可借助于外部控制信號控制的。
一個特定的實施例利用了Vernier調(diào)諧原理，其設(shè)計由以下事實促成通過折射率調(diào)諧可接入的譜移位常常遠(yuǎn)小于總的想要的調(diào)諧范圍。多信道輸入沿一個波導(dǎo)進(jìn)入，通過多峰值可調(diào)諧的BSG(具有的峰值間隔通常小于可用的調(diào)諧范圍)光被耦合到相鄰的波導(dǎo)。隨后的可調(diào)諧BSG(通常具有不同的間隔的多峰值，該間隔也小于可用的調(diào)諧范圍)把這個第一組的信道的子集耦合到第三波導(dǎo)。這個抽取過程可以按想要的繼續(xù)進(jìn)行，BSG互相相對獨立地調(diào)諧以卸下想要的信道。信道選擇范圍因此可以大大地超過可用的折射率調(diào)諧的譜移位。相同組的BSG可用來加上從第二個輸入卸下的信道，如圖18所示。
另一個實施例使用可編程BSG，使得諸如圖19所示的之類的結(jié)構(gòu)能夠動態(tài)地加上和卸下任何輸入信道的子集。
波長穩(wěn)定性監(jiān)視器為了適當(dāng)?shù)仄鹱饔茫饩W(wǎng)絡(luò)需要信道波長保持在它們標(biāo)稱值的某個范圍內(nèi)。漂移可以由多個因素引起，包括環(huán)境條件的變化、器件老化和機(jī)械破壞。
波長漂移可以通過使用按照本發(fā)明教導(dǎo)的1D超級光柵進(jìn)行監(jiān)視，如圖20a所示。雖然以給定輸入角度入射在傾斜的1D 20a3光柵上的光將標(biāo)稱地只在一個特定的輸出角度上衍射，從中心峰值反射波長的失諧事實上將產(chǎn)生角度的失諧，以及衍射效率的降低。
這個特性可用來檢測波長的移位，或假設(shè)波長是正確的，則檢測器件特性的移位，它們?nèi)缓罂梢酝ㄟ^各種各樣的機(jī)制(例如溫度調(diào)諧)進(jìn)行補(bǔ)償。在一個實施例中，沿著想要的中心波長的衍射路徑20a2對稱地對準(zhǔn)的光電檢測器陣列20a4可用來檢測波長移位；在這種配置下，如果本地波長匹配于想要的數(shù)值，則來自每個的信號將是匹配的。(注意，衍射效率通常故意是低的，以便大部分功率不偏離地通過。)本地波長的偏離然后通過光電檢測器20a4的相對數(shù)值的改變來顯示，其可以通過使它們的輸出通過對數(shù)減法處理器20a5被監(jiān)視(可以采用其他更敏感的功能)。這些偏離然后可以通過使用溫度或任何其他影響參數(shù)被校正。
類似地，替換實施例可以用如圖20b所示的2D BSG 20b4來實施，它可以把衍射的光聚焦到檢測器20b3和/或同時檢測在幾個信道上波長的漂移；或用如圖20c所示(檢測和處理在單元20c3和20c4中完成)的沿波導(dǎo)20c2蝕刻的準(zhǔn)1D(即點源)特性20c3的序列來實施，這將導(dǎo)致在兩個橫向方向上的對稱衍射。鏡子可任選地被蝕刻在一側(cè)，用于散射光的最優(yōu)收集。
分接網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器為了動態(tài)重新配置信道分配(“波長供應(yīng)”)，網(wǎng)絡(luò)需要在信道使用上的反饋；這樣的可重新配置性對于城域光網(wǎng)絡(luò)(MON)是特別需要的。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視可以使用按照本發(fā)明教導(dǎo)的1D或2D超級光柵(圖21顯示2D網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器實施例)以分接輸入的光的一部分(典型地故意是小的)并把它分離成各個信道來完成。分離的信道然后被聚焦在檢測器陣列212上，其中它們的功率被測量并且信息被變換成單個電信號。這個信號可以被處理器214處理并沿電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到城市網(wǎng)的監(jiān)視站(未示出)，以及提供促進(jìn)波長供應(yīng)的診斷數(shù)據(jù)；或幫助識別網(wǎng)絡(luò)中的問題(例如顯示信道損失功率的地方)；匯編負(fù)載統(tǒng)計；以及測量容錯。
多波長均衡器和增益平坦濾波器對于最優(yōu)的運行，光網(wǎng)絡(luò)通常需要波長信道在功率上是平衡的。平衡典型地發(fā)生在放大級內(nèi)或在放大級后，并相應(yīng)地分別稱為“增益平坦”或“均衡”。功率平衡器件可以附加地用來抑制不想要的信號，例如在光放大器中的泵浦波長。
動態(tài)多波長均衡器在這個均衡器實施例中，動態(tài)均衡可以通過把輸入波長路由通過分接網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器(圖22A)而達(dá)到，該監(jiān)視器分離信道并監(jiān)視它們的各個功率電平(見圖22B，顯示了功率對波長的曲線)。信號然后被發(fā)送到電子處理器，它的輸出調(diào)諧(或編程)按照本發(fā)明教導(dǎo)的BSG序列，其例如通過去除在各種波長帶中的功率來均衡信道上的功率。圖22C顯示了被去除的功率作為波長的函數(shù)的例子。用于限幅波長功率的適當(dāng)?shù)姆椒òㄊ褂肂SG把輸入信道以較低的效率耦合到輸出波導(dǎo)或使用BSG以施加較高的散射損耗。圖22D顯示了減去在一組波長帶中的適當(dāng)?shù)墓β柿康慕Y(jié)果，由此在每個頻帶中產(chǎn)生了實際上相等的功率。
一個實施例利用包括“基本功能”的BSG的級聯(lián)，它們可被獨立地調(diào)諧以實現(xiàn)對于均衡所需要的損耗譜；適當(dāng)?shù)幕竟δ馨梢曰ハ嘞鄬σ莆坏碾A梯狀的譜。
增益平坦的光放大器圖23顯示一個替換的信道平衡實施例。在此實施例中，BSG 23-1(圖23A)被直接引入到放大器內(nèi)，所述放大器用來按希望形成增益譜的形狀。增益譜(在圖23上顯示為未擾動的)可被平坦化，或被修改為任何其他輪廓，或許預(yù)期放大后依賴于波長的損耗。圖23c顯示與圖23的增益譜相匹配的損耗系數(shù)譜。圖23D顯示組合的增益系數(shù)譜，它組合介質(zhì)的增益和加到其上的損耗。將會認(rèn)識到，此實施例提供比典型的放大器的后均衡大得多的效率，這是從認(rèn)識到使得增益系數(shù)平坦化(在放大器內(nèi)每個單位長度的增益)比使得放大后的增益平坦化浪費了少得多的功率而得出的。
按照本發(fā)明的教導(dǎo)的增益平坦化可應(yīng)用到任何光放大器，包括拉曼放大器、摻鉺光纖放大器(EDFA)和半導(dǎo)體光放大器(SOA)；以及應(yīng)用到多波長源，例如可調(diào)諧的激光器。
將會認(rèn)識到，增益平坦不僅改進(jìn)效率，而且也可大大地擴(kuò)展放大器的帶寬，特別是在固有的增益譜峰值很強(qiáng)的情形下。這對于半導(dǎo)體光放大器(SOA)是特別正確的，它的帶寬是如此的窄，以致于只對非常少的(常常是一個)信道提供增益。
λ路由器λ路由器--也稱為波長路由器或光的交叉連接，是放置在網(wǎng)絡(luò)接合點處的器件，它把來自特定的光纖輸入端的波長路由到另一個特定的光纖輸出端。λ路由器通常是N×N器件(即具有N個輸入光纖和N個輸出光纖)，每個輸入光纖典型地輸送單個波長信道。
在本發(fā)明的λ路由實施例中，λ路由可以通過把來自基于BSG器件的多路分解的輸入耦合到如圖24a和24b所示的波導(dǎo)陣列(即每個波導(dǎo)一個信道)而完成。將會認(rèn)識到，圖24a-24b在有一個輸入/輸出光纖時表示λ路由器，以及在有多個輸入和輸出光纖時表示縱橫接線器。第二波導(dǎo)陣列存在于第一組下面，每對頂部波導(dǎo)和底部波導(dǎo)由具有以信道波長為中心的平頂譜的BSG進(jìn)行分離(即同向方向或反向方向耦合)?？v橫運行(即在一個波導(dǎo)上的信道光將耦合到另一個波導(dǎo)，以及反之亦然；或?qū)⒈３衷谕粋€波導(dǎo)上)是通過本地調(diào)諧BSG對準(zhǔn)或不對準(zhǔn)信道波長而達(dá)到的。將會認(rèn)識到，加上/卸下功能是此實施例的內(nèi)建的方面。
在圖24b上，柵格拓?fù)渎酚善鹘邮茉谧竺娑嗦窂?fù)用的輸入，在下部波導(dǎo)中的一個信道上具有一個以上的入射波長。在每個交叉點處，通帶BSG把在特定的信道中的波長耦合到上部波導(dǎo)中的波導(dǎo)，在圖上垂直地運行。結(jié)果是λi，j(進(jìn)入第i波導(dǎo)并具有用于第j信道的波長)與來自其他輸入的相同信道的輻射相組合。
圖24A具有與圖12所示的相同的拓?fù)?，它是用于達(dá)到相同結(jié)果的更有效的排列。
色散斜率補(bǔ)償器光網(wǎng)絡(luò)總是與稱為色散的特性斗爭，特別是在牽涉到長的傳輸距離和高的比特速率的場合下。色散是由于有效折射率的波長依賴性引起的，它又對于給定類型和長度的光纖產(chǎn)生依賴于波長的群時延譜。光脈沖的譜的寬度必須是有限的(即非零的)；所以，當(dāng)光脈沖沿光纖行進(jìn)時色散就擴(kuò)散出脈沖，因為它的各個波長分量將以稍微不同的速度行進(jìn)。
色散補(bǔ)償可以通過“啁啾”布拉格光柵來實現(xiàn)沿它的長度z調(diào)制光柵的柵距，如圖25所示。圖25A顯示在其中啁啾的光柵與環(huán)行器相關(guān)的實施例。輻射被引導(dǎo)到光柵、進(jìn)行處理并返回到環(huán)行器。圖25B顯示傳輸光纖設(shè)計。圖25C顯示其中耦合兩個光纖的光柵也執(zhí)行啁啾的反向方向的BSG。圖25D顯示同向方向設(shè)計。這些設(shè)計產(chǎn)生依賴于波長的相位譜，它可以被修改以提供想要的群時延譜τg＝-dφ/dω。對于給定的自由空間波長λ0的延時然后是從到其中本地柵距具有λ0作為它的布拉格波長τg(λ0)＝2neffz(λ0)的地方的來回距離得出的，其中z(λ0)是在Λ(z)＝λ0/2neff時的空間坐標(biāo)。
本發(fā)明的一個色散實施例是從確定理想的(模擬)輸入啁啾函數(shù)開始的，正如從群時延譜τg(λ0)得出的(在光柵上加的延時當(dāng)然應(yīng)當(dāng)是與在輸入端處的相反)。理想的模擬輪廓然后被饋送到產(chǎn)生模擬想要的相位特性的雙態(tài)輪廓的量化濾波器。量化濾波器可以進(jìn)一步對于最小相位噪聲最優(yōu)化。
替換的色散實施例更直接地來源于想要的群時延譜。
將會認(rèn)識到，各種各樣的這些類型的實施例是可能的。一個實施例包括3端口環(huán)行器(光在端口i輸入，在端口i+1離去，端口3“環(huán)繞”到端口1)，它引導(dǎo)光輸入到端口1，經(jīng)由端口2到波導(dǎo)。按照本發(fā)明教導(dǎo)的反射性BSG在波導(dǎo)中實施想要的補(bǔ)償群時延譜，由此把色散補(bǔ)償?shù)墓庖龑?dǎo)回到環(huán)行器的端口2，此后它出現(xiàn)在輸出端口3。
在圖26a和26b上顯示替換實施例，它避免需要(和花費)環(huán)行器采用同向定向和/或反向定向BSG耦合器，該耦合器把來自輸入波導(dǎo)的光耦合到隨后的波導(dǎo)，以便加上想要的群時延譜。根據(jù)諸如補(bǔ)償帶寬、群時延譜的時間范圍和補(bǔ)償是全頻帶還是信道化之類的因素，器件內(nèi)傳播長度可以超過最大想要的器件尺寸。在這種情形下，可以對于連續(xù)的波導(dǎo)耦合實施色散補(bǔ)償，具有的耦合波導(dǎo)被安排成卷繞的級聯(lián)。
將會認(rèn)識到，基于BSG的色散補(bǔ)償器的實施例提供了許多優(yōu)點，例如以比現(xiàn)有方法(現(xiàn)有方法處理色散特性的泰勒展開式中的連續(xù)項，或使用相當(dāng)少的輸入?yún)?shù)得到理想的時延譜的“最佳適合”)更簡單的方式模擬復(fù)雜的啁啾函數(shù)。使用按照本發(fā)明教導(dǎo)的BSG器件的實施例也可提供適合于多個同時信道的各個的色散補(bǔ)償，提供對于在所有的信道上加上同一個校正的解決方案的改進(jìn)。另外，與一些啁啾光柵的方法相反，使用按照本發(fā)明教導(dǎo)的BSG器件的實施例可被設(shè)計成能夠產(chǎn)生一個平坦的信道內(nèi)反射譜。
可調(diào)諧的色散補(bǔ)償器可調(diào)諧的色散補(bǔ)償可以通過具有與上述的同向定向和反向定向BSG的級聯(lián)和早先公開的Vernier調(diào)諧方法、還有連同上述的動態(tài)多波長均衡器的組合的類似性的安排而達(dá)到。參照圖26a，BSG的級聯(lián)包括群時延“基本函數(shù)”，它可以互相相對地獨立調(diào)諧以實施想要的群時延譜。圖26B所示的一個實施例采用兩個可調(diào)諧的反向定向BSG耦合器，每個實施具有以下函數(shù)形式的二次色散函數(shù)D1和D2D1＝a1(λ-λ1)2+C1和D2＝a2(λ-λ2)2+C2，其中中心波長λ1和λ2可以通過例如上面概括的那樣的調(diào)諧機(jī)構(gòu)而被獨立地移位。如果BSG被級聯(lián)并被設(shè)計為a2＝-a1，則所得的色散是Dnet＝D1+D2＝[2a1(λ2-λ1)]λ+[(λ12-λ22)+(C1-C2)]，它可以根據(jù)Δλ＝λ2-λ1被重新寫為
Dnet＝[2a1(Δλ)]λ+[(2λ1+Δλ)(2λ1-Δλ)+(C1-C2)]因此，色散斜率2a1(Δλ)可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇Δλ而按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置λ1而設(shè)置截距。這個方法通過采用下一個更高階的色散基本函數(shù)可被應(yīng)用到任意高階的色散。
可變反饋的超級光柵激光器(可調(diào)諧的和/或多波長)參照圖27a-27c，顯示了可變反饋的超級光柵激光器的實施例。在這些實施例中，可編程的BSG與光增益介質(zhì)相組合，以產(chǎn)生具有單波長或多波長運行的可調(diào)諧的激光器。在圖27A上，兩個可編程BSG可以在一個或多個波長上產(chǎn)生諧振。在圖27B上，在增益介質(zhì)內(nèi)的可編程BSG光柵可以控制輸出譜和它的功率分布。在圖27C上，可編程BSG可以改變波長和角度，以使得輸出輻射的波長和角度可被控制。
將會認(rèn)識到，采用光柵作為反饋元件的任何結(jié)構(gòu)包括但不限于DBR、DFB、α激光器和環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，它可以通過用按照本發(fā)明教導(dǎo)的可編程BSG替換在傳統(tǒng)設(shè)計中的一些或所有的相應(yīng)衍射元件而被改進(jìn)。
對于單波長激光器實施例，基于BSG的器件可以控制激光線的位置、它的線寬和/或它的強(qiáng)度。另外，它可以與監(jiān)視以上參數(shù)(直接地或間接地例如通過溫度、電流或電壓)相組合以形成反饋系統(tǒng)、以控制一個或多個這些相同的參數(shù)。
BSG的設(shè)計(或“程序”)可以以相反的類似配置改變以產(chǎn)生多波長激光器，它提供了對于幾個激光器波長中的每個的獨立控制或單個波長的選擇。產(chǎn)生激光的信道可被獨立地調(diào)諧、加上和卸下，并且它們的相對輸出功率可以按要求進(jìn)行平衡。如上所述，可以加上監(jiān)視器以形成反饋環(huán)路來控制這些參數(shù)中的任何一個。
光束組合器(分束器的逆反)如圖28所示作為實施例的光束組合器接受來自一個或多個源的輸入，并使它們流到公共輸出端。在圖28A上，連續(xù)的BSG耦合器把在一個或多個波長上的功率加到沿水平波導(dǎo)從左面流到右面的功率上。在圖28B，二維BSG接受三個輸入，并引導(dǎo)輻射沿波導(dǎo)輸出。應(yīng)用包括組合來自多個激光器的功率(在本文中稱為“功率組合器”)，正如例如由拉曼放大器完成的，以取得足夠的泵浦功率。在這種情形下，把這樣的器件與半導(dǎo)體激光器陣列合并在一起是特別有吸引力的；BSG非常適用于這一用途。
各種各樣的實施例都是可能的，包括一個或多個BSG耦合器與2D超級光柵的某些組合，以把多個光束(可能具有相同的波長)組合成一個光束。在2D超級光柵的情形下，這實際上相應(yīng)于把輸入分離成多個輸出光束的顛倒。
多波長/寬帶隔離器/環(huán)行器光隔離器是阻擋一個或多個波長沿波導(dǎo)在一個或兩個方向上通過的器件。它們被用來抑制后向反射、串?dāng)_和/或不想要的波長帶(例如泵浦波長)。
環(huán)行器是N端口器件，它把在端口i輸入的光路由到端口(i+1)，到端口N的輸入被“環(huán)繞”到端口1，并且常常用來結(jié)合具有從輸入端口呈現(xiàn)的輸出的光學(xué)器件(例如光延遲線、色散補(bǔ)償器和λ路由器的某些實施例)。
圖29a和29b-c分別顯示基于BSG的隔離器實施例和4端口耦合波導(dǎo)環(huán)行器的示意圖。隔離器和環(huán)行器都采用某種破壞時間反轉(zhuǎn)的對稱性的方法即從一個方向到達(dá)器件的光與從相反方向到達(dá)的光被不同地處理。這典型地是利用磁光的和/或光學(xué)活性材料(諸如法拉第旋轉(zhuǎn)器)并結(jié)合雙折射和/或極化元件而達(dá)到的。
圖29A例如顯示了隔離器，其中從左面進(jìn)入的輻射通過了極化器，然后通過把極化旋轉(zhuǎn)45度的法拉第旋轉(zhuǎn)器，然后通過第二極化器。從左面進(jìn)入的輻射被極化，被旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)，并且然后被第二極化器阻擋。
圖29B顯示環(huán)行器的例子，其中從端口1的右面進(jìn)入的輻射被旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)(例如45度)，從端口3反射回來，再次被旋轉(zhuǎn)，然后通過分束器到端口2。
圖29C顯示旋轉(zhuǎn)器的例子，它可與上述的或其他的設(shè)備一起使用。從上部波導(dǎo)的左面進(jìn)入的輻射被BSG耦合器在存在法拉第材料的情形下耦合到下部波導(dǎo)，所以其極化也旋轉(zhuǎn)。
按照本發(fā)明教導(dǎo)的超級光柵可以與磁光的材料和/或極化元件相組合以產(chǎn)生隔離器和環(huán)行器，其提供在預(yù)先選擇的信道或在寬的波長帶上的波長選擇性的運行。
BSG光子帶隙材料在過去幾十年中光學(xué)理論的一個重要的進(jìn)步是光子帶隙(PBG)的概念。材料折射率的二維或三維周期性調(diào)制可以創(chuàng)建其中不管哪個方向光都不能傳播的光波長范圍，這個認(rèn)識在應(yīng)用中證明是效果好的。應(yīng)用包括微點激光器、急劇的波導(dǎo)彎角、高Q光濾波器和波長選擇性光耦合器。
不過PBG實質(zhì)上是布拉格光柵的二維或三維擴(kuò)展。作為布拉格光柵到波長空間的擴(kuò)展的BSG概念可以與PBG組合以創(chuàng)建一個完全新的光材料組。
BSG-PBG材料的高度有利的特性可以非常不同于由傳統(tǒng)的PBG所需要的高的折射率對比度。體現(xiàn)為折射率特性的周期性網(wǎng)格的傳統(tǒng)PBG在不同的方向呈現(xiàn)不同的周期性。所以，每個方向的特征在于不同的有效布拉格光柵，每個光柵又與特定的帶隙有關(guān)-由于光柵的結(jié)果一定范圍的波長被禁止在該方向上傳播。這個波長隙的寬度直接正比于有效光柵的強(qiáng)度，它又相應(yīng)于PBG的折射率對比度。然而，為了禁止特定的波長在所有方向上的傳播，由此形成規(guī)定PBG的“完全的”帶隙，所有的各個波長隙必須在所討論的波長上重疊，因此，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，加上了對于PBG最小折射率對比度。
圖37在圖37A上顯示表示不同折射率的區(qū)域的點的六邊形排列。圖37B顯示在波數(shù)空間中相應(yīng)的六邊形。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，呈現(xiàn)PBG效應(yīng)的普通材料具有規(guī)則的幾何排列，它產(chǎn)生波數(shù)空間中的輪廓。在圖37B上，例如在圖37A上的六邊形的點陣被反映在k空間上的六邊形中。為了抑制(由點圓表示的某個波長的)輻射在所有方向上的傳播，所以，在k空間上的六邊形的厚度必須是使得表示相關(guān)波長的圓可被雕刻在帶隙六邊形內(nèi)。這個要求對于不需要的帶隙抑制加上了要求。例如，在圖37B上的六邊器的外角的區(qū)域是不需要的，因為點線是在內(nèi)角上。同樣地，在邊的中心的區(qū)域也是不需要的，因為點線是在該區(qū)域的外部邊緣上。
不像傳統(tǒng)的PBG，BSG不限于周期性網(wǎng)格以及它的隱含的周期性的方向變化。而是，二維或三維BSG可被設(shè)計成能呈現(xiàn)在任何方向上的幾乎任意的有效周期性帶。這直接相應(yīng)于對于它的衍射譜的一維BSG控制。這個設(shè)計自由避免了對于光柵的折射率對比度的依賴以加厚各個帶隙直至它們重疊。而是，折射率改變的圖案可以幾何地設(shè)置，以增強(qiáng)在第一位置造成重疊的帶隙的折射率圖案。由可用折射率對比度提供的任何額外強(qiáng)度然后可用來使得更多的波長受到PBG效應(yīng)。圖38在圖38A上顯示像素的非周期性排列，它以更加經(jīng)濟(jì)地使用資源的方式提供在特定的波長范圍中在任何方向上傳輸?shù)囊种?。像素圖案的角度依賴性被設(shè)置為使得點線(與圖37所示的相同的點線)被更小的均勻的余量限制。如果想要的話，圖38的余量可以增加，以覆蓋更大的波長范圍。
因此，對于給定的折射率調(diào)制技術(shù)(例如離子注入)，BSG-PBG材料可以排除比傳統(tǒng)的PBG材料更大的波長范圍。
另外，按照本發(fā)明的新材料可以在同一個區(qū)域中排除在第一波長范圍內(nèi)的輻射，并操縱在一個或多個其他波長范圍中的輻射-例如排除泵浦輻射，而偏轉(zhuǎn)、聚焦等在生成的波長帶中的輻射。
由BSG-PBG合成提供的、必要的折射率對比度的驚人減少確實克服了在PBG制造中主要的實際挑戰(zhàn)。然而，這個減少是以此為代價的較低對比度的光柵也隱含光柵通過其影響光的較長的所需相互作用長度。然而，這對于PBG也是正確的，雖然該影響可以是對于某些應(yīng)用的重要考慮，但它可以被緩和、克服或甚至證明對于許多其他應(yīng)用是有益的。
BSG不僅僅可以簡單地改進(jìn)PBG實施方案的實用性。例如，BSG使得材料能夠呈現(xiàn)幾個光子帶隙，其直接來源于模擬幾個疊加的光柵的容量，這激起我們首先的開發(fā)。這樣的材料在許多應(yīng)用中是有用的，主要是利用幾個光波長的那些應(yīng)用，例如具有分開的泵浦和信號波長的系統(tǒng)以及波長轉(zhuǎn)換器。更一般地，BSG允許完全控制光帶結(jié)構(gòu)，包括帶隙的寬度和位置、以及光的狀態(tài)密度和色散關(guān)系。
圖39顯示使用按照本發(fā)明的PBG材料的高效率的太陽能電池或其他光電檢測器的截面圖?；?9-10是呈現(xiàn)光電效應(yīng)的傳統(tǒng)材料，例如硅。層39-20是通常允許傳播相關(guān)波長的光的材料。按照本發(fā)明，BSG-PBG圖案被刻在材料39-20上，以便抑制由箭頭39-17表示的橫向的傳播。否則橫向傳播的輻射然后被BSG-PBG圖案散射并優(yōu)選地造成具有垂直分量的散射(例如按照箭頭39-15)。更大部分的入射輻射因此被光電材料39-10吸收。
圖40顯示以通常的圖案排列的PBG材料40-1的陣列。圖案的兩個點40-2被去除，建立了一對微點激光器(為了清晰起見，傳統(tǒng)的泵浦輻射被省略)。與想要的一樣多的微點激光器可以與任何想要的幾何布局被排列。
圖41顯示BSG-PBG材料41-5的頂視圖，它排除在相關(guān)的波長范圍中的輻射。BSG圖案不延伸到波導(dǎo)41-10，所以它允許在該波長范圍中的輻射通過。具有小于稱為參考值的傳統(tǒng)極限的曲率半徑R的曲線已在波導(dǎo)中形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到，當(dāng)通過具有小于參考值的曲率半徑的曲線時，傳統(tǒng)的材料具有過量的散射。BSG-PBG材料允許形成具有減小損耗的波導(dǎo)。
圖42顯示以BSG-PBG材料42-5形成的一對波導(dǎo)42-10和42-12。作為任選的特性，在兩個波導(dǎo)之間的區(qū)域42-25配有BSG-PBG材料42-25，它在由波導(dǎo)42-10和42-12傳輸?shù)牟ㄩL上具有較長的衰減長度。因此，實現(xiàn)在波導(dǎo)之間的耦合。不同的材料是不必要的，可以使用相同的材料，在波導(dǎo)之間有適當(dāng)?shù)拈g隔(或在波導(dǎo)之間可以省去BSG-PBG材料)。
作為附加的任選項，PBG的總的供應(yīng)可以省去，并且PBG可以放置在波導(dǎo)42-10和42-12之間。在兩個波導(dǎo)之間的材料可被制作來允許波導(dǎo)之間的耦合，例如通過構(gòu)建PBG圖案，以便不允許平行于波導(dǎo)的傳播，而允許在波導(dǎo)之間的傳播(即耦合)。
上述是方向性PBG材料的例子，所述材料是指具有一個抑制在波長帶內(nèi)在選擇方向上的傳播的像素圖案的材料。
圖43說明利用非線性效應(yīng)的單元的頂視圖。矩形43-05表示呈現(xiàn)非線性效應(yīng)并且也以PBG圖案印刻的材料的區(qū)域，所述PGB圖案抑制在波長λ1、λ2和λ3處的傳播。在所顯示的例子中，λ1和λ2是泵浦波長，分別沿波導(dǎo)43-10和43-15傳播，以及λ3是相關(guān)的非線性相互作用的輸出波長，沿輸出波導(dǎo)43-20傳播。波導(dǎo)43-20的初始部分是這個器件中的任選波導(dǎo)，它可用來例如提供在λ3的其上加上非線性相互作用的結(jié)果的輸入輻射。
在λ1和λ2的輻射在重疊的區(qū)域中進(jìn)行組合以產(chǎn)生在λ3的輻射，正如現(xiàn)有技術(shù)所知的。在波導(dǎo)外部的PBG圖案限制了輻射。在波導(dǎo)43-20的部分43-12內(nèi)，像素圖案43-26把輸出輻射聚焦到如所示的一個點。波導(dǎo)43-20的部分43-25反射在輸出波長的輻射，以便它按需要被引導(dǎo)(在圖中是向上)并且不被浪費。如果想要的話，或如果由有限的資源需要的話，由43-07表示的在左面的PBG圖案可被設(shè)置為限制λ1的輻射，以及由43-06表示的在右面的PBG圖案可被設(shè)置為限制λ2的輻射，輻射λ3只被區(qū)域43-12中的圖案限制。因此，PBG圖案的(受限的)能力可被保留只用于需要的地方。
應(yīng)當(dāng)理解，以上的描述僅僅是說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的條件下設(shè)計各種替換例和修正。因此，本發(fā)明打算包括屬于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的替換例、修正和變化。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括在光柵材料的至少一個傳播層中的至少兩個波導(dǎo)，所述這些波導(dǎo)中的第一波導(dǎo)適用于輸送來自第一輸入端口的輸入輻射到從第一輸出端口出去的輸出輻射，以及所述這些波導(dǎo)中的第二波導(dǎo)輸送來自第二輸入端口的輸入輻射到從第二輸出端口出去的輸出輻射，以及還包括一個在光柵材料的調(diào)制層中的一維或二維(雙態(tài))超級光柵，用于把從所述第一和第二輸入端口中的一個端口沿一個相應(yīng)的波導(dǎo)傳播的輸入輻射耦合到所述第一和第二波導(dǎo)中的另一個波導(dǎo)。
2.按照權(quán)利要求1的器件，其中所述一維或二維超級光柵把在所述第一波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到所述第二波導(dǎo)，從而以基本上平行于所述第一方向的第二方向行進(jìn)。
3.按照權(quán)利要求1的器件，其中所述一維或二維超級光柵把在所述第一波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到所述第二波導(dǎo)，從而以基本上與所述第一方向相反的第二方向行進(jìn)。
4.按照權(quán)利要求1的器件，其中所述第一和第二波導(dǎo)是對稱的，以及所述一維或二維超級光柵包括具有高的和低的折射率數(shù)值的第一圖案的、處在所述第一和第二波導(dǎo)之間的中心部分；以及具有與所述第一圖案相反意義的、高的和低的折射率數(shù)值的第二圖案的第一和第二外圍部分，由此所述一維或二維超級光柵抑制在所述第一和第二波導(dǎo)中的后向反射。
5.按照權(quán)利要求1的器件，其中所述二維超級光柵包括一個響應(yīng)于一組控制信號的可控制裝置的陣列，用于以至少兩個模式改變在所述陣列中在相應(yīng)的像素中的模態(tài)折射率數(shù)值，所述兩個模式包括第一模式，其中所述器件把在所述第一波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到所述第二波導(dǎo)，從而以基本上平行于所述第一方向的第二方向行進(jìn)，以及包括第二模式，其中所述器件把在所述第一波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到所述第二波導(dǎo)，從而以基本上與所述第一方向相反的第二方向行進(jìn)。
6.按照權(quán)利要求5的器件，其中所述一維或二維超級光柵包括一個響應(yīng)于一組控制信號的可控制裝置的陣列，其適用于響應(yīng)于所述控制信號的相應(yīng)數(shù)值，以所述第一和第二模式在所述第一和第二波導(dǎo)之輸入信道、一組與所述輸入信道串聯(lián)連接的依賴于波長的超級光柵耦合器，所述耦合器組中的每個適用于把來自所述輸入信道的、在輻射帶中的輻射耦合到輸出信道。
12.按照權(quán)利要求11的器件，其中每個所述耦合器處理所述N個信道的單個信道的輻射。
13.按照權(quán)利要求11的器件，其中至少一些所述耦合器處理一定范圍信道的輻射，以及后面的耦合器完成分離每個所述N個信道的過程。
14.一種用于接收N個輸入波長的光輻射并把它劃分成N個物理上分開的信道的器件，包括輸入信道、二維依賴于波長的超級光柵，其適用于偏轉(zhuǎn)不同的波長的輻射并把偏轉(zhuǎn)的輻射引導(dǎo)到一組輸出信道。
15.按照權(quán)利要求14的器件，其中一維或二維依賴于波長的超級光柵把輻射以取決于波長的角度偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離輸入的行進(jìn)方向，以及把該輻射聚焦到用于每個波長信道的一組波導(dǎo)。
16.一種用于處理具有一組波長的光輻射的器件，包括一組具有至少一個輸入端口和至少一個輸出端口的波導(dǎo)，其中在輸入波導(dǎo)上行進(jìn)的輸入的輻射束傳送通過至少一個依賴于波長的超級光柵耦合器，所述耦合器耦合被選擇的波長帶使其進(jìn)入輸入波導(dǎo)或從輸入波導(dǎo)外出，這樣，在輸入波導(dǎo)中剩余的光束具有被附加的波長范圍或從選擇的波長帶中減去的波長范圍。
17.按照權(quán)利要求16的器件，其中所述依賴于波長的超級光柵耦合器把來自第二輸入端口的輻射附加到所述輸入光束。
18.按照權(quán)利要求16的器件，其中所述依賴于波長的超級光柵耦合器從所述輸入光束中減去在波長相減范圍中的輻射。
19.按照權(quán)利要求16的器件，其中至少兩個超級光柵耦合器被串聯(lián)連接，其第一超級光柵耦合器控制第一波長范圍，以及第二超級光柵耦合器控制第二波長范圍。
20.一種用于監(jiān)視在波導(dǎo)中的輻射強(qiáng)度的器件，包括包含在選擇的波長范圍中的輻射的輸入波導(dǎo)；以及依賴于波長的超級光柵耦合器，它截取所述輻射并把所述輻射的一部分偏轉(zhuǎn)出所述波導(dǎo)和加到響應(yīng)于照射到其上的輻射的功率的輻射間切換N個不同的波長中的任何波長的輻射，由此所述器件可被控制來把來自任何的所述輸入端口的、在N個波長中的任一個波長的輻射傳送到任何的所述輸出端口，由此形成依賴于波長的超級光柵2×2耦合器。
7.按照權(quán)利要求1的器件，其中所述一維或二維超級光柵包括一個響應(yīng)于一組控制信號的可控制裝置的陣列，用于以至少兩個模式改變在所述陣列中在相應(yīng)的像素中的折射率數(shù)值，所述兩個模式包括第一模式，其中所述器件把在所述第一波導(dǎo)中的輸入輻射耦合到所述第二波導(dǎo)，以及還包括第二模式，其中所述器件把在所述第二波導(dǎo)中的輸入輻射耦合到所述第一波導(dǎo)。
8.按照權(quán)利要求7的器件，其中所述一維或二維超級光柵包括一個響應(yīng)于一組控制信號的可控制裝置的陣列，其適用于響應(yīng)于所述控制信號的相應(yīng)數(shù)值，以所述第一和第二模式在所述第一和第二波導(dǎo)之間切換N個不同的波長中的任何波長的輻射，由此所述器件可被控制來把來自任何的所述輸入端口的、在N個波長中的任一個波長的輻射傳送到任何的所述輸出端口，由此形成依賴于波長的超級光柵2×2耦合器。
9.一種用于把從N個輸入端口的任一端口選擇的波長的輻射可控地引導(dǎo)到M個輸出端口的任一端口的N×M系統(tǒng)，它包括一組依賴于波長的超級光柵耦合器，其被安排來接受在輸入波長范圍中的進(jìn)入的輻射和把進(jìn)入到所述N個輸入端口的任何端口的輻射耦合到所述M個輸出端口的任何端口，其中包括第一行的N/2個輸入耦合器、最后一行的M/2個耦合器、以及一組把來自前面行中的一個或多個耦合器的輻射耦合到下一行中的一個或多個耦合器的中間混合耦合器。
10.按照權(quán)利要求9的器件，其中所述一維或二維超級光柵包括一個響應(yīng)于一組控制信號的可控制裝置的陣列，其適用于響應(yīng)于所述控制信號的相應(yīng)數(shù)值，在所述第一和第二波導(dǎo)之間切換N個不同的波長的任何波長的輻射，由此所述器件可被控制來把來自任何的所述輸入端口的、在N個波長的任一個波長的輻射傳送到任何的所述輸出端口，由此形成依賴于波長的超級光柵縱橫制耦合器。
11.一種用于接收N個輸入波長的光輻射并把它劃分成N個物理上分開的信道的器件，包括表，由此偏轉(zhuǎn)的輻射的幅度是在波導(dǎo)中行進(jìn)的輻射的幅度的度量。
21.一種用于改變進(jìn)入的光束的輸入功率譜并把所述進(jìn)入的光束變換成具有輸出功率譜的外出的光束的光學(xué)器件，包括一組N個可控的波長敏感的功率去除模塊，用于從所述進(jìn)入的光束中去除在波長范圍中的可控制的功率量，由此所述輸入功率譜通過減去來自選擇的波長范圍中的功率而變換成所述輸出功率譜。
22.一種包括增益介質(zhì)的光放大器，用于接收具有輸入功率譜的輸入光束并增加它的能量，由此形成具有輸出功率譜的輸出光束包括功率控制單元，用于從所述進(jìn)入的光束中去除在至少一個波長范圍中的可控制的功率量，由此所述輸入功率譜可被調(diào)節(jié)，以使得所述輸出功率譜具有想要的輪廓。
23.按柵格排列的波導(dǎo)陣列，包括一組輸入波導(dǎo)，用于接收包括至少一個跨過一組輸出波導(dǎo)的波長的多路復(fù)用輸入，每個輸入波導(dǎo)具有一系列依賴于波長的超級光柵耦合器，每個耦合器把選擇的輸出波長范圍的輻射耦合到相應(yīng)的輸出波導(dǎo)，由此進(jìn)入到輸入波導(dǎo)的帶有多個波長的輻射被分類到一組輸出波導(dǎo)，每個輸出波導(dǎo)載送一個輸出波長范圍。
24.按照權(quán)利要求23的器件，其中至少一些所述輸出波長范圍覆蓋單個波長信道。
25.一種光學(xué)器件，用于接收具有輸入的依賴于波長的群時延譜的輸入光束并施加補(bǔ)償?shù)娜簳r延譜，由此生成輸出光束，包括用于接收所述輸入光束的輸入端口；至少一個依賴于波長的超級光柵，用于把補(bǔ)償?shù)摹⒁蕾囉诓ㄩL的時延加到行進(jìn)通過它的輻射上；以及輸出端口。
26.按照權(quán)利要求25的器件，其中所述輸入端口被連接到光環(huán)行器，所述光環(huán)形器把輸入輻射耦合到反射式超級光柵，所述超級光柵把輻射反射回所述環(huán)行器，其中在該輻射上施加所述依賴于波長的時延。
27.按照權(quán)利要求25的器件，其中所述輸入端口是具有傳輸式超級光柵的第一波導(dǎo)的第一末端，所述超級光柵把通過其的輻射傳輸?shù)剿龅谝徊▽?dǎo)的第二末端，其中在該輻射上施加所述依賴于波長的時延。
28.按照權(quán)利要求25的器件，其中所述輸入端口被連接到反射式超級光柵，它把在所述第一波導(dǎo)中以第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到第二波導(dǎo)并以與所述第一方向基本上相反的第二方向行進(jìn)，其中在該輻射上施加所述依賴于波長的時延。
29.按照權(quán)利要求25的器件，其中所述輸入端口被連接到傳輸式超級光柵，它把在所述第一波導(dǎo)中以第一方向行進(jìn)的輸入輻射耦合到第二波導(dǎo)，從而以與所述第一方向基本上平行的第二方向行進(jìn)，其中在該輻射上施加所述依賴于波長的時延。
30.一種包括輸入端口的光學(xué)器件，所述輸入端口用于接收入射的輻射并引導(dǎo)輻射到包括超級光柵的像素陣列，每個像素具有從一組折射率數(shù)值中選擇的一個模態(tài)折射率，像素陣列集中處理入射的輻射并把至少一個輸出輻射束引導(dǎo)到至少一個輸出端口，其中至少該像素陣列中的一些像素被連接到控制裝置，用于響應(yīng)于控制信號可控制地設(shè)置相應(yīng)像素的模態(tài)折射率數(shù)值，以使得施加到入射輻射的處理過程可以由施加到控制裝置的控制信號確定。
31.一種激光器，包括增益介質(zhì)、用于建立在所述增益介質(zhì)中的倒置的泵浦裝置以及用于使得光輻射在所述增益介質(zhì)中諧振的裝置，其中所述用于使得光輻射在所述增益介質(zhì)中諧振的裝置包括至少一個包含超級光柵的像素陣列，每個像素具有從一組折射率數(shù)值中選擇的一個模態(tài)折射率，像素陣列集中處理入射的輻射，其中至少像素陣列中的一些像素被連接到控制裝置，用于響應(yīng)于控制信號可控制地設(shè)置相應(yīng)像素的模態(tài)折射率數(shù)值，以使得施加到入射輻射的處理過程可以由施加到控制裝置的控制信號確定。
32.按照權(quán)利要求31的激光器，其中所述超級光柵使輻射以由所述控制信號設(shè)置的各個損耗在至少兩個波長范圍內(nèi)諧振，由此建立由所述控制信號確定的功率譜。
33.按照權(quán)利要求31的激光器，其中所述超級光柵位于所述增益介質(zhì)的外面。
34.按照權(quán)利要求31的激光器，其中所述超級光柵位于所述增益介質(zhì)的里面。
35.按照權(quán)利要求31的激光器，其中所述超級光柵位于所述增益介質(zhì)里面，以及所述超級光柵引導(dǎo)不同的波長的輻射沿著不同的路徑通過所述增益介質(zhì)，由此建立通過所述諧振器的依賴于波長的長度。
36.一種用于在至少一個物理上分開的信道上接收至少兩個輸入波長的光輻射并把它組合成單個輸出信道的器件，包括至少兩個輸入信道；一維或二維依賴于波長的超級光柵，適用于偏轉(zhuǎn)不同的波長的輻射并引導(dǎo)偏轉(zhuǎn)的輻射到所述輸出信道。
37.按照權(quán)利要求36的器件，其中一維或二維依賴于波長的超級光柵把輻射以依賴于波長的角度偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離輸入行進(jìn)方向，以及把該輻射聚焦到用于輸出波長信道的波導(dǎo)。
38.一種光學(xué)器件，包括由在相反方向上具有不同衰減的不對稱光學(xué)裝置連接的至少一個輸入端口和至少一個輸出端口，還包括把在通帶內(nèi)的輻射從輸入端口耦合到輸出端口的超級光柵。
39.按照權(quán)利要求38的器件，其中超級光柵把沿第一方向行進(jìn)的輻射從第一波導(dǎo)耦合到在第二波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輻射。
40.按照權(quán)利要求38的器件，其中超級光柵把在輸入波導(dǎo)中沿第一方向行進(jìn)的輻射耦合到在輸出波導(dǎo)中沿與第一方向相反的第二方向行進(jìn)的輻射。
41.按照權(quán)利要求40的器件，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是相同的。
42.按照權(quán)利要求40的器件，其中輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是在物理上分開的。
43.一種光學(xué)器件，包括由在相反方向上具有不同衰減的不對稱的光學(xué)裝置連接的至少一個輸入端口和至少一個輸出端口，還包括把在通帶內(nèi)的輻射從輸入端口耦合到按順序的下一個端口的超級光柵。
44.一種光學(xué)器件，包括沿光軸布置的并由超級光柵連接的輸入端口和輸出端口，該超級光柵把在通帶內(nèi)的輻射從輸入端口耦合到輸出端口，還包括一組沿兩個橫向方向擴(kuò)展的橫向像素，表示一個形成一組設(shè)計的波前的模擬輪廓。
45.按照權(quán)利要求44的光學(xué)器件，其中所述超級光柵的像素組由可控裝置進(jìn)行控制，所述可控裝置響應(yīng)于一組控制信號，用于改變在所述陣列中相應(yīng)像素中的折射率值。
46.一種三維光學(xué)器件，包括在光柵材料的第一傳播層中的至少一個波導(dǎo)，用于把來自第一輸入端口的輸入輻射輸送到從第一輸出端口外出的輸出輻射；以及在光柵材料的調(diào)制層中的二維超級光柵，用于把從所述第一端口傳播出所述第一傳播層的輸入輻射耦合到在與所述第一傳播層的不同的位置處沿第三維的軸布置的至少一個其他傳播層，并具有在其上形成的用于處理所述輻射的量化像素；以及用于把處理的輻射引導(dǎo)到所述第一輸出端口的裝置。
47.一種包括在用于傳輸波長范圍中的輻射的參考平面中的一層光學(xué)傳播材料的材料，所述材料用一個折射率改變的圖案來進(jìn)行刻印，以使得在參考面中的傳播被抑制，該折射率改變的圖案根據(jù)一個模擬折射率輪廓而被數(shù)字化。
48.按照權(quán)利要求47的材料，其中折射率改變的圖案被修正以允許在一個被限制的區(qū)域內(nèi)和沿一個被限制的方向傳播該波長范圍中的輻射。
49.按照權(quán)利要求47的材料，它被放置在光電材料的基片上，由此使得投射在光電材料上的輻射的傳播比未投射在光電材料上的輻射的傳播更容易。
50.按照權(quán)利要求47的材料，它能夠在激光器波長上進(jìn)行激光作用，并具有至少一個允許傳播在激光器波長上的的輻射的本地化區(qū)域，由此使得在激光器波長上的受激發(fā)射被限制為在本地化區(qū)域內(nèi)諧振。
51.按照權(quán)利要求47的材料，它包含一個波導(dǎo)，在該波導(dǎo)內(nèi)不存在折射率改變的圖案，以使得輻射在波導(dǎo)內(nèi)傳播，在該材料中，波導(dǎo)是遵循著具有小于參考值的曲率半徑的曲線的。
52.按照權(quán)利要求47的材料，它包含兩個波導(dǎo)，在兩個波導(dǎo)之間有分開的區(qū)域，該分開的區(qū)域具有在至少一個衰減長度內(nèi)傳播輻射的能力。
53.按照權(quán)利要求52的材料，其中分開的區(qū)域具有折射率改變的圖案，它允許以大于波導(dǎo)之間的間隔的距離的衰減長度進(jìn)行傳播。
54.按照權(quán)利要求47的材料，其中材料支持在兩個輸入波長之間的用于生成輸出波長的輻射的非線性交互作用，并且該折射率改變的圖案抑制該兩個輸入波長和輸出波長的傳播；以及在該材料中形成至少一個用于傳播輸入和輸出波長的波導(dǎo)。
55.一種在光柵材料的調(diào)制層中形成用于把從輸入源傳播通過光柵材料的傳播層的輸入輻射變換成在至少一個輸出路徑上從所述光柵外出的輸出輻射的二維超級光柵的方法，包括以下步驟在調(diào)制層中生成二維模擬折射率輪廓，實現(xiàn)與輸入輻射和輸出輻射的電磁場特性有關(guān)的轉(zhuǎn)移函數(shù)；將模擬折射率輪廓數(shù)字化，以便通過使用保留所述二維模擬折射率輪廓的二維空間頻率表示的一個或多個區(qū)域內(nèi)的傅里葉信息的二維技術(shù)，生成在具有數(shù)字化的折射率數(shù)值的調(diào)制層中的像素陣列；以及把表示數(shù)字化的折射率輪廓的像素陣列施加到調(diào)制層上。
56.按照權(quán)利要求55的方法，還包括以下步驟選擇網(wǎng)格像素的二維采樣網(wǎng)格；設(shè)置總的器件長度和寬度；其中數(shù)字化步驟包括設(shè)置在總的采樣網(wǎng)格的每個網(wǎng)格像素中的折射率的數(shù)值。
57.按照權(quán)利要求55的方法，其中數(shù)字化步驟包括計算中間采樣的折射率輪廓，其中在采樣的折射率輪廓的每個采樣點處的數(shù)值等于在采樣網(wǎng)格的相應(yīng)點處模擬折射率輪廓的折射率的數(shù)值。
58.按照權(quán)利要求55的方法，還包括以下步驟把轉(zhuǎn)移函數(shù)的反射技術(shù)規(guī)范變換到傅里葉域；規(guī)定在傅里葉域中的光柵參數(shù)；以及把光柵參數(shù)變換到空間域，由此確定在空間域中的模擬輪廓。
59.按照權(quán)利要求55的方法，還包括規(guī)定模擬折射率輪廓的分量的相位，以使得模擬折射率輪廓的最大折射率數(shù)值最小化。
60.一種在光柵材料的調(diào)制層中形成有效的一維超級光柵的方法，該光柵用于把從輸入源沿一個軸傳播通過光柵材料的傳播層的輸入輻射變換成在所述軸上從所述光柵外出的輸出輻射包括以下步驟在調(diào)制層中生成二維模擬折射率輪廓，實現(xiàn)與輸入輻射和輸出輻射的電磁場特性有關(guān)的轉(zhuǎn)移函數(shù)；將模擬折射率輪廓數(shù)字化，以便通過使用保持在所述二維模擬折射率輪廓的二維空間頻率表示的一個或多個區(qū)域內(nèi)的傅里葉分量的二維技術(shù)，生成在具有數(shù)字化的折射率數(shù)值的調(diào)制層中的像素陣列；以及把表示數(shù)字化的折射率輪廓的像素陣列施加到從該軸橫向擴(kuò)展一定橫向距離的調(diào)制層的一部分上。
61.一種在光柵材料的調(diào)制體積中形成用于把從輸入源傳播通過光柵材料的輸入輻射變換成在至少一個輸出路徑上從所述光柵外出的輸出輻射的三維超級光柵的方法，包括以下步驟在調(diào)制體積中生成三維模擬折射率輪廓，實現(xiàn)與輸入輻射和輸出輻射的電磁場特性有關(guān)的轉(zhuǎn)移函數(shù)；將模擬折射率輪廓數(shù)字化，以便通過使用保留在所述二維模擬折射率輪廓的三維空間頻率表示的一個或多個區(qū)域內(nèi)的傅里葉信息的三維技術(shù)，生成在具有數(shù)字化的折射率數(shù)值的調(diào)制層中的像素陣列；以及把表示數(shù)字化的折射率輪廓的像素陣列施加到調(diào)制層上。
62.一種在光柵材料的調(diào)制層中形成用于把從輸入源傳播通過光柵材料的傳播層的輸入輻射變換成在至少一個輸出路徑上從所述光柵外出的輸出輻射的一維或二維或三維超級光柵的方法，包括以下步驟在調(diào)制層中生成一維模擬折射率輪廓P，實現(xiàn)與輸入輻射和輸出輻射的電磁場特性有關(guān)的轉(zhuǎn)移函數(shù)；生成用于選擇一個空間頻率范圍的濾波器函數(shù)H，在該空間頻率范圍中譜信息被保留并將權(quán)因子指定給它；求解由下式表示的最優(yōu)化問題minX,VC=minX,V[Σ|H(P-X)|L+ΣiVi(Xi-nlow)(Xi-nhigh)],]]>其中X是一個包含雙態(tài)超級光柵的折射率數(shù)值的矢量，V是拉格朗日乘數(shù)矢量，L確定最優(yōu)化的類型，以及nlow或nhigh分別是雙態(tài)超級光柵的低的和高的折射率數(shù)值；由此計算在用于把輸入輻射變換到輸出輻射的調(diào)制層中的雙態(tài)超級光柵的折射率輪廓P；以及把表示數(shù)字化的折射率輪廓的像素陣列施加到調(diào)制層上，由此使輸入輻射被變換成輸出輻射。
全文摘要
執(zhí)行在各種波長上的多個功能的光柵是通過各種保存波長帶內(nèi)的譜信息的方法來形成的，所述功能包括把輻射從一個波導(dǎo)耦合到另一個，可控制的光柵在不同波長上工作以響應(yīng)于外部控制信號。
文檔編號G02F1/065GK1692295SQ03819991
公開日2005年11月2日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者D·萊夫納, M·F·費, J·徐 申請人:布朗大學(xué)研究基金會