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KR20050013165A - Method and apparatus for detecting multiple optical wave lengths - Google Patents

Method and apparatus for detecting multiple optical wave lengths

Info

Publication number
KR20050013165A
KR20050013165A KR10-2004-7021358A KR20047021358A KR20050013165A KR 20050013165 A KR20050013165 A KR 20050013165A KR 20047021358 A KR20047021358 A KR 20047021358A KR 20050013165 A KR20050013165 A KR 20050013165A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
radiation
input
waveguide
superdiffraction
refractive index
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR10-2004-7021358A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
레브너다니엘
페이마틴에프.
쉬징밍
Original Assignee
브라운 유니버시티 리서치 파운데이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 브라운 유니버시티 리서치 파운데이션 filed Critical 브라운 유니버시티 리서치 파운데이션
Publication of KR20050013165A publication Critical patent/KR20050013165A/en
Ceased legal-status Critical Current

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Abstract

다양한 파장들에서 몇 가지의 기능을 수행하는 광학 회절격자는 파장 대역 안에 스펙트럼 정보를 보존하는 다양한 방법으로 형성되고, 기능들은 다음과 같은 것들을 포함한다: 방사를 하나의 도파로로부터 다른 것으로 커플링 하는 것, 외부의 제어신호에 응답하여 다른 파장에서 동작하는 제어가능한 회절격자.Optical diffraction gratings that perform several functions at various wavelengths are formed in various ways to preserve spectral information in the wavelength band, and functions include: coupling radiation from one waveguide to another A controllable diffraction grating operating at a different wavelength in response to an external control signal.

Description

다수의 광파장 검출을 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for detecting multiple optical wave lengths}Method and apparatus for detecting multiple optical wave lengths

회절격자(grating)은 광간섭 효과를 이용하여 파장 의존적인 특성을 획득하는 데에 사용되는 광학 소자이다. 이 파장 의존적인 광학 특성은, 예컨대, 특정 파장의 빛을 반사시키면서 다른 모든 파장의 빛은 투과 또는 회절시키는 데에 기능할 수 있다. 이러한 특성은, 파장 분할 다중(WDM) 광통신 시스템에서 개별적인 파장 채널을 추출하거나, 동조가능한 또는 다파장 반도체 레이저를 위한 파장 특정 피드백을 제공하는 것을 포함하여 광범위한 상황에서 유용하다. 회절격자는 통상 도파 구조의 유효 굴절율을 변조(변화)함으로써 구현된다. 이러한 굴절율의 변화는 입사광 파장이 반사되거나 회절되게 한다. 즉, 두 굴절율 값이 급격하게 변화하는 경계에서, 이 경계면에 직접 입사하는 빛은 잘 알려진 프레스넬 반사 법칙(Fresnel reflection law)에 따라 반사된다.Diffraction gratings are optical devices that are used to obtain wavelength dependent properties using optical interference effects. This wavelength dependent optical property may, for example, function to reflect or diffract light of all other wavelengths while reflecting light of a particular wavelength. This feature is useful in a wide range of situations, including extracting individual wavelength channels in a wavelength division multiplex (WDM) optical communication system or providing wavelength specific feedback for tunable or multiwavelength semiconductor lasers. The diffraction grating is usually realized by modulating (variing) the effective refractive index of the waveguide structure. This change in refractive index causes the incident light wavelength to be reflected or diffracted. That is, at the boundary where the two refractive index values change drastically, light incident directly on the interface is reflected according to the well-known Fresnel reflection law.

"다파장 회절격자(multi-wavelength grating)"란 용어는 일반적으로 몇몇 파장에서 광특성을 보여줄 수 있는 회절격자를 의미한다. 예를 들어, 다파장 회절격자는 몇몇 선택된 파장(이는 특정 광통신 채널에 대응할 수 있다)에서 빛을 반사하면서도 다른 파장에서는 빛을 투과하는 회절격자가 될 수 있다. 그러나, 어떤 상황에서는 특정 파장 값에서가 아니라 파장의 연속적인 범위에서 광특성을 설정할 필요가 있다. 예를 들어, 레이저 공동 및 광증폭기에서 광이득 프로파일의 불균일함을 광학 회절격자를 이용하여 보상하고자 하는 경우이다. 그러나, 연속하는 범위의 파장에서 이러한 과제를 달성하는 것은 전통적인 회절격자 기술로는 어렵다.The term "multi-wavelength grating" generally refers to a diffraction grating that can exhibit optical properties at several wavelengths. For example, a multi-wavelength diffraction grating may be a diffraction grating that reflects light at some selected wavelength (which may correspond to a particular optical communication channel) while transmitting light at other wavelengths. However, in some situations it is necessary to set the optical properties in a continuous range of wavelengths rather than at specific wavelength values. For example, the non-uniformity of the light gain profile in the laser cavity and the optical amplifier is to be compensated using the optical diffraction grating. However, achieving this task in a continuous range of wavelengths is difficult with traditional diffraction grating techniques.

유사하게, 어떤 범위의 광파장은, 단일 광 케이블에 다른 파장의 빛을 이용하여 많은 통신 채널을 인코딩하는 경우(보다 일반적으로 파장 분할 다중화(WDM) 기술이라 한다)에 사용될 수 있다. 이러한 채널들을 분리하거나 처리하는 데에 종종 주기적 회절격자(periodic grating)가 사용된다. 그러나, 주기적 회절격자 기술은 한 파장을 처리하므로, 소자는 다파장을 처리하기 위해 다수의 단일 파장용 주기적 회절격자를 채용할 수밖에 없다. 이것은, 각 회절격자가 발생하는 추가적인 손실에 더하여, 단일 회절격자일지라도 오늘날의 집적 및 미세화 표준에서는 상당한 양의 공간을 차지한다는 점에서 바람직한 해결책은 아니다. 따라서 공간 효율적인 방법으로 몇 개의 파장들을 처리할 수 있는 단일의 소자가 요망된다.Similarly, a range of optical wavelengths can be used when encoding many communication channels using light of different wavelengths in a single optical cable (more commonly referred to as wavelength division multiplexing (WDM) technology). Periodic gratings are often used to separate or process these channels. However, since the periodic diffraction grating technology processes one wavelength, the device has to adopt a plurality of single diffraction gratings for processing a single wavelength. This is not a desirable solution in that, in addition to the additional losses incurred by each diffraction grating, even a single diffraction grating occupies a significant amount of space in today's integration and refinement standards. Therefore, a single device capable of handling several wavelengths in a space efficient manner is desired.

반도체 레이저 분야에서, 반도체 레이저의 출력 파장은 레이저 이득부 주위 또는 내부의 "피드백 요소"의 존재에 의해 주로 결정되는데, 이 피드백 요소는 소망하는 파장의 빛을 반사하여 레이저 안으로 되돌리는 기능을 한다. 다파장에서의 동작을 위해서는 다파장 피드백이 요구된다. 다시 한번, 단일 파장 회절격자 기술로는 이 요구를 단순 회절격자를 늘어 세우는 것으로 해결할 수밖에 없고, 전술한 바와 동일한 (그렇지 않다면 더 두드러진) 손실과 공간의 문제로 귀결된다.In the field of semiconductor lasers, the output wavelength of a semiconductor laser is mainly determined by the presence of a "feedback element" around or inside the laser gain, which feedback function serves to reflect light of the desired wavelength back into the laser. Multiwavelength feedback is required for operation at multiple wavelengths. Once again, the single wavelength diffraction grating technique has no choice but to solve this requirement by lining up a simple diffraction grating, which results in the same (and more prominent) loss and space issues described above.

이러한 단일 파장 회절격자 소자의 하나가 브래그 회절격자(Bragg Grating)이다. 브래그 회절격자는 굴절률의 주기적인 변화로 이루어져 굴절률 패턴의 주기성(피치 Λ로 알려져 있다)과 관련된 단일 파장의 빛을 위한 반사기로서 작용하고, 또한 반도체 시스템과 섬유 광학 시스템에서 빈번하게 사용된다. 그러나, 사실 브래그 회절격자는 실질적으로 기본 피치의 상음(overtone)에 해당하는 몇 개의 파장에서 반사할 수 있다. 그러나, 이 고차 파장들(higher-order wavelengths)은 기본 파장과는 상당히 다른 스펙트럼 영역에 있는 경향이 있고, 따라서 이는 브래그 회절격자가 다파장 반사기로서의 유용성을 덜하게 한다. 게다가, 이 고차 파장들은 다른 것과 독립적으로 동조될 수 없다.One such wavelength diffraction grating element is a Bragg grating. Bragg diffraction gratings consist of periodic changes in the refractive index, acting as reflectors for single wavelengths of light associated with the periodicity of the refractive index pattern (known as pitch Λ), and are also frequently used in semiconductor systems and fiber optical systems. In fact, however, the Bragg diffraction grating can reflect at several wavelengths substantially corresponding to the overtone of the fundamental pitch. However, these higher-order wavelengths tend to be in a spectral region that is significantly different from the fundamental wavelength, thus making the Bragg diffraction grating less useful as a multiwavelength reflector. In addition, these higher order wavelengths cannot be tuned independently of others.

다른 다파장 회절격자 기술들은 다음과 같은 것들을 포함한다: 아날로그 중첩 회절격자, 샘플드 회절격자(Sampled Grating; SG), 수퍼구조 회절격자(Super-Structure Grating; SSG) 및 이진 수퍼회절격자(Binary Supergrating; BSG).Other multiwave diffraction grating techniques include: analog superimposed diffraction gratings, sampled gratings (SG), super-structure gratings (SGS), and binary supergrating gratings (Binary Supergrating) ; BSG).

아날로그 중첩 회절격자는 브래그 회절격자의 일반화이고 이는 중첩의 원리에 뿌리를 두고 있다. 즉, 단일 파장 회절격자의 굴절률 프로파일의 합계로 이루어지는 회절격자 프로파일은 그 구성 파장들의 모두에서 반사한다. 이러한 회절격자는 아날로그 굴절률 변화에 의존한다. 즉, 굴절률이 회절격자의 길이를 따라 연속적으로 변화한다(도 30). 그러나, 잘 알려진 광굴절 효과를 이용하여 강한 아날로그 회절격자를 새기는 것은 어려운데, 이는 조명 하에서 굴절률의 변화는 비선형적으로 변화하고 강한 노광에서 보통 포화되기 때문이다. 마찬가지로, 표면 부조 아날로그 회절격자의 제작은, 표면에 아날로그 형상을 재현가능하게 에칭해 들어가는 것의 어려움 때문에 비실용적으로 된다. 후자의 어려움은 이진 회절격자, 즉 회절격자가 에칭되었는지 아닌지 또는 조명되었는지 아닌지에 상응하는 오직 두 가지의 굴절률 값에 의존하는 회절격자의 소개를 초래한다.The analog superposition diffraction grating is a generalization of Bragg diffraction gratings, which is rooted in the principle of superposition. That is, a diffraction grating profile consisting of the sum of the refractive index profiles of the single wavelength diffraction gratings reflects at all of its constituent wavelengths. This diffraction grating depends on the change of the analog refractive index. That is, the refractive index changes continuously along the length of the diffraction grating (FIG. 30). However, it is difficult to engrave strong analog diffraction gratings using well-known photorefractive effects because the change in refractive index under illumination changes nonlinearly and is usually saturated at strong exposures. Similarly, the fabrication of the surface relief analog diffraction grating becomes impractical due to the difficulty of reproducibly etching the analog shape onto the surface. The latter difficulty results in the introduction of a binary diffraction grating, i.e., a diffraction grating that depends only on two refractive index values corresponding to whether the diffraction grating is etched or not or illuminated.

다파장 이진 회절격자의 두 가지 대표적인 것은 샘플드 회절격자(SG)와 수퍼구조 회절격자(SSG)이다. SG는 도파로 상에 회절격자 및 회절격자가 없는 영역으로 교번하는 영역들로 구성된다. 이 교번하는 영역들은 (전형적으로) 대칭적 포락선 안에 포용된 다중 반사 피크를 가지는 회절 스펙트럼을 만들어낸다. SG는 본질적으로 반사율 피크의 상대강도와 위치의 유연성에서, 또 회절격자가 없는 공간의 비율이 커서 공간적으로 비효율적이라는 점에서 한계가 있다. SG는 따라서 짧은 회절격자가 요구되거나 도파로의 손실이 높은 경우에 특히 부적합하다.Two representatives of the multi-wavelength binary diffraction gratings are sampled diffraction gratings (SG) and superstructure diffraction gratings (SSG). SG is composed of alternating regions of the diffraction grating and the region without the diffraction grating on the waveguide. These alternating regions produce diffraction spectra with multiple reflection peaks (typically) enclosed in symmetrical envelopes. SG is inherently limited in the relative intensities of reflectance peaks and in positional flexibility, and in that the proportion of space without diffraction gratings is large and spatially inefficient. SG is therefore particularly unsuitable for short diffraction gratings or high waveguide losses.

수퍼구조 회절격자(SSG)에서 격자 주기는 하나의 마루-골 싸이클에 대응되는 격자 피치를 미세하게 변화시킴으로써 처핑(chirp)된다. 이는 또는 미세하게 동조된 위상 시프트들의 시퀀스로 생각할 수 있는데, 공통 위상 프로파일은 선형 및 2차 처핑을 포함한다. 이러한 구현은 원리상 임의의 피크 위치와 격자의 마루들의 사이즈의 매우 작은 비율에 대응되는 상대 높이를 허용하지만, 이는 극히 높은 해상도라는 값비싼 비용을 지불해야만 가능하다.The grating period in the superstructure diffraction grating (SSG) is chirped by changing the grating pitch corresponding to one ridge-gol cycle slightly. It can also be thought of as a sequence of finely tuned phase shifts, where the common phase profile includes linear and quadratic chirping. This implementation allows in principle a relative height corresponding to any peak position and a very small proportion of the size of the floors of the grating, but this is only possible at an expensive cost of extremely high resolution.

이진 중첩 회절격자의 합성과 관련한 종래의 기술은 Ivan A. Avrutsky, Dave S. Ellis, Alex Tanger, Hana Anis, 및 Jimmy M. Xu의 "Desing of widely tunablesemiconductor lasers and the concept of Binary Superimposed Gratings (BSG's)", IEEE J. Quantum Electron., vol. 34, pp. 729-740, 1998에 개시되어 있다.Conventional techniques related to the synthesis of binary superimposed diffraction gratings are described by Ivan A. Avrutsky, Dave S. Ellis, Alex Tanger, Hana Anis, and Jimmy M. Xu, "Desing of widely tunable semiconductor icon lasers and the concept of Binary Superimposed Gratings (BSG's). ", IEEE J. Quantum Electron., Vol. 34, pp. 729-740, 1998.

종래 기술에서 다른 방법들은 "다중 피크" 회절격자 - 즉, 여러 개의 "피크"에서 반사되는 특성의 회절격자의 합성에 대해 언급하는데, 이 피크들은 그 위치와 강도에 의해 조절될 수 있다. 이러한 방법들에서 회절격자 엔지니어는 한 세트의 사인 곡선과 함께 시작하는데 각 사인 곡선은 단일 반사 피크에 대응되고 그 피크의 원하는 상대 강도에 따른 가중된다. 이 피크들은 서로 더해져서(즉 중첩된다. 따라서 BSG는 중첩된 회절격자으로 알려져 있다) "아날로그 프로파일"을 생성한다. 이 프로파일은 단순 문턱값 방법에 의해 디지털로 양자화된다. 예를 들어, 아날로그 프로파일 값이 양수(미리 선택된 참조값 위)이면 대응되는 BSG 세그먼트는 하이(high) 또는 이진수 1의 굴절률 값을 가지고, 음수이면 대응되는 BSG 세크먼트는 로우(low) 또는 이진수 0의 굴절률 값을 가진다.Other methods in the prior art refer to the synthesis of "multi-peak" diffraction gratings-ie, diffraction gratings of properties reflected at several "peaks", which peaks can be controlled by their position and intensity. In these methods the diffraction grating engineer starts with a set of sinusoids, each sinusoid corresponding to a single reflection peak and weighted according to the desired relative intensity of that peak. These peaks are added to each other (ie overlapping, thus BSG is known as superimposed diffraction grating) to create an "analog profile". This profile is digitally quantized by the simple threshold method. For example, if the analog profile value is positive (above the preselected reference value), the corresponding BSG segment has a refractive index value of high or binary 1, and if negative, the corresponding BSG segment is low or binary 0. It has a refractive index value.

본 발명은 일반적으로 광학 신호를 검출하는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광학 수퍼회절격자(supergrating)을 가지고 다수의 광파장을 검출하는 것에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to detecting optical signals, and more particularly, to detecting a plurality of optical wavelengths with optical supergrating.

본 발명의 상술한 특징 및 다른 장점들은 다음의 첨부도면과 연관된 후술하는 상세한 설명에서 설명된다.The above described features and other advantages of the present invention are explained in the following detailed description associated with the accompanying drawings.

도 1은 깊은 격자 BSG(deep-grating BSG)의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a deep-grating BSG.

도 2는 기저대역 배제 배후의 이론적 근거를 설명하는 k-공간 도면이다.FIG. 2 is a k-space diagram illustrating the rationale behind baseband exclusion.

도 3은 리지(ridge) 도파로 내의 횡방향 BSG를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a schematic illustration of the transverse BSG in a ridge waveguide.

도 4는 2차원(2D) 수퍼회절격자의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a two-dimensional (2D) superdiffraction grating.

도 5는 2D BSG로 구현된 다중 레벨 1차원(1D) 수퍼회절격자의 개략도이다.5 is a schematic diagram of a multi-level one-dimensional (1D) superdiffraction grating implemented with 2D BSG.

도 6은 3차원(3D) 수퍼회절격자의 개략도이다.6 is a schematic diagram of a three-dimensional (3D) superdiffraction grating.

도 7a 내지 도 7d는 프로그래머블 수퍼회절격자의 실시예들을 보여주는 도면이다.7A-7D illustrate embodiments of a programmable superdiffraction grating.

도 8은 순방향 비대칭 도파로 BSG 커플러를 도시한 개략도이다.8 is a schematic diagram illustrating a forward asymmetric waveguide BSG coupler.

도 9는 역방향 비대칭 도파로 BSG 커플러를 도시한 개략도이다.9 is a schematic diagram illustrating a reverse asymmetric waveguide BSG coupler.

도 10은 역방향 대칭 도파로 BSG 커플러를 도시한 개략도이다.10 is a schematic diagram illustrating a reverse symmetric waveguide BSG coupler.

도 11은 그리드 형상 크로스바 스위치의 개략도이다.11 is a schematic diagram of a grid-shaped crossbar switch.

도 12는 6개의 스위칭 소자를 활용한 4-광섬유 스위치의 일실시예의 개략도이다.12 is a schematic diagram of one embodiment of a four-fiber switch utilizing six switching elements.

도 13은 광섬유 안에 BSG를 구현하는 단일 광자(one-photon) 기법을 도시한 도면이다.FIG. 13 illustrates a one-photon technique for implementing BSG in an optical fiber.

도 14는 광섬유 안에 BSG를 구현하는 다중 광자(multi-photon) 기법(여기서는 2-광자)을 도시한 도면이다.FIG. 14 illustrates a multi-photon technique (here two-photon) for implementing BSG in an optical fiber.

도 15는 1D BSG를 채용한 디멀티플렉서의 개략도이다.15 is a schematic diagram of a demultiplexer employing 1D BSG.

도 16은 2D BSG를 채용한 디멀티플렉서의 개략도이다.16 is a schematic diagram of a demultiplexer employing 2D BSG.

도 17은 정적 애드/드롭(add/drop) 필터의 개략도이다.17 is a schematic diagram of a static add / drop filter.

도 18은 버니어 동조(Vernier-tuning) 동적 애드/드롭 필터의 개략도이다.18 is a schematic diagram of a Vernier-tuning dynamic add / drop filter.

도 19는 프로그래머블 BSG 애드/드롭 필터의 개략도이다.19 is a schematic diagram of a programmable BSG add / drop filter.

도 20a 내지 도 20c는 BSG 기반의 파장 안정도 모니터의 실시예의 개략도들이다.20A-20C are schematic diagrams of an embodiment of a BSG based wavelength stability monitor.

도 21은 2-D BSG 네트워크 모니터의 개략도이다.21 is a schematic diagram of a 2-D BSG network monitor.

도 22는 BSG 동적 WDM 등화기의 개략도이다.22 is a schematic diagram of a BSG dynamic WDM equalizer.

도 23은 이득 평활화된 광증폭기의 개략도이다.23 is a schematic diagram of a gain smoothed optical amplifier.

도 24a 및 도 24b는 람다 라우터(Lambda router) 실시예의 개략도이다.24A and 24B are schematic diagrams of a lambda router embodiment.

도 25a 내지 도 25d는 BSG 분산-구배 보상기 실시예의 개략도이다.25A-25D are schematic diagrams of a BSG variance-gradient compensator embodiment.

도 26a 및 도 26b는 동조가능한 분산 보상기의 개략도이다.26A and 26B are schematic diagrams of tunable dispersion compensators.

도 27a 내지 도 27c는 가변 피드백 수퍼회절격자 레이저의 개략도이다.27A-27C are schematic diagrams of a variable feedback super diffraction grating laser.

도 28은 도파로와 2D BSG가 커플링된 실시예의 빔 결합기의 개략도이다.28 is a schematic diagram of the beam combiner of an embodiment where a waveguide and a 2D BSG are coupled.

도 29a는 BSG 기반의 분리기의 개략도이고, 도 29b 및 도 29c는 4 포트 커플링된 도파로 순환기의 개략도이다.FIG. 29A is a schematic diagram of a BSG based separator, and FIGS. 29B and 29C are schematic diagrams of a four port coupled waveguide circulator.

도 30은 거리(x)에 대한 굴절률 변화 Δn를 도시한 아날로그 굴절률 프로파일이다.30 is an analog refractive index profile showing the refractive index change Δn over distance x.

도 31은 표면 부조 구현예에 대응하여 거리 x에 대한 Δn의 BSG 굴절률 프로파일이다.31 is a BSG refractive index profile of Δn over distance x, corresponding to a surface relief embodiment.

도 32는 델타-시그마 변조를 위한 표준적인 구성을 도시한 블록도이다.32 is a block diagram illustrating a standard configuration for delta-sigma modulation.

도 33은 유도-대칭을 이용한 BSG의 합성 기술을 도시한 도면이다.FIG. 33 is a diagram illustrating a synthesis technique of BSG using induction-symmetry. FIG.

도 34는 수퍼-나이키스트 합성을 이용한 BSG의 합성 기술을 도시한 도면이다.FIG. 34 illustrates a synthesis technique of BSG using super-Nyquist synthesis. FIG.

도 35는 본 발명의 일 실시예에 따라 BSG를 합성하는 방법의 단계들을 도시한 흐름도이다.35 is a flowchart illustrating steps in a method of synthesizing a BSG according to an embodiment of the present invention.

도 36a 및 도 36b는 이산적인 부품들과 비교하여 디멀티플렉서의 단순화된 예를 도시한 도면이다.36A and 36B show simplified examples of demultiplexers in comparison with discrete components.

도 37 내지 도 45는 포토닉 밴드 갭을 제공하는 픽셀 패턴을 채용하는 실시예들을 도시한 도면들이다.37-45 illustrate embodiments employing a pixel pattern that provides a photonic band gap.

그러나, 이러한 접근방식은 적어도 두 가지 이유에서 부적합하다. 첫째, 문턱값 양자화 프로세스는 상호변조를 초래하는데, 이는 이런 방식으로 합성된 BSG의 실제 응용(레이저 피드백 요소 등)에의 응용가능성을 매우 크게 제한한다. 둘째로, 이러한 합성 과정은 다중 피크 회절격자에 한정되고 개별적인 피크 형상의 조절을 거의 또는 전혀 제공하지 않는다. 예를 들어, 어떤 통신 응용에서 요구되는 플랫탑(flattop) 채널의 생성이나, 어떤 이득 보상 및 분산 보상 방법에서 요구되는 거의임의의 반사율 스펙트럼의 생성은 전적으로 불가능하다.However, this approach is inadequate for at least two reasons. First, the threshold quantization process results in intermodulation, which greatly limits the applicability of the BSG synthesized in this way to practical applications (such as laser feedback elements). Second, this synthesis process is limited to multiple peak diffraction gratings and provides little or no control of the individual peak shapes. For example, the creation of a flattop channel required in some communication applications, or the generation of almost any reflectance spectrum required in some gain and dispersion compensation methods is entirely impossible.

BSG 합성을 위한 다른 방법들은 시행착오 방법을 포함하는데 이는 거의 대부분 계산적으로 어렵고 비효율적이다.Other methods for BSG synthesis include trial and error, which are almost always computationally difficult and inefficient.

따라서, 상술한 단점들을 극복하여 광 파장들을 검출하기 위한 수퍼회절격자를 설계하고 합성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.Accordingly, it is desirable to provide a method and apparatus that can overcome the above-mentioned disadvantages and design and synthesize a superdiffraction grating for detecting optical wavelengths.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되나, 본 발명은 많은 변형된 형태의 실시예로 실시될 수 있고 설명되는 실시예들만으로 본 발명이 한정되는것이 아님을 이해하여야 한다.Although the present invention is described with reference to the embodiments shown in the drawings, it should be understood that the present invention may be practiced with many modified forms of the invention and is not limited to the described embodiments.

본 발명의 목적상, 회절격자는 광간섭 효과를 이용하여 파장 의존적인 특성을 얻기 위해 사용되는 광학 소자로 여겨진다.For the purposes of the present invention, a diffraction grating is considered to be an optical element used to obtain wavelength dependent properties using the optical interference effect.

우선, 이진 수퍼회절격자(BSG)와 관련하여, BSG를 다른 회절격자 기술과 차별화시키는 두 가지 주된 속성이 있다는 것을 인식하여야 한다. 첫째, BSG는 불연속적인 개수의 굴절률 레벨들에 의한다는 것이다. 이 개수는 역사적으로 2이고 따라서 BSG는 이진 회절격자으로 알려져 있다. 명확성과 설명의 편의상 본 발명의 이진 실시예에 초점을 맞추어 설명하지만 다른 실시예에서는 적절한 개수의 굴절률의 불연속적인 레벨이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 청구의 범위에서는 특별한 언급이 없는 한, 편의상 수퍼회절격자이란 용어가 둘 또는 그 이상의 굴절률 값을 가지는 회절격자로 언급될 것이다. BSG를 정의하는 두 번째 속성은 회절격자가 샘플 길이에 의해 특징지워지는 샘플드 구조와 유사하다는 것이다. 이는 회절격자의 굴절률 레벨간의 전이는 임의의 위치에서 일어날 수 없고, 오히려 샘플 길이의 배수에서 일어난다는 사실을 의미한다. BSG는 따라서 정의상 디지털 신호 패턴 - 즉, 불연속적으로 샘플링된 파형과 유사하다. 그래서, BSG는 각 샘플링 지점에서의 굴절률 셋팅을 가리키는(도 31) 일련의 (종종 이진) 숫자들에 의해 설명될 수 있다.First of all, with regard to binary superdiffraction gratings (BSG), it should be recognized that there are two main attributes that differentiate BSG from other diffraction grating technologies. First, BSG is based on a discrete number of refractive index levels. This number is historically two and therefore BSG is known as a binary diffraction grating. Although the description focuses on the binary embodiment of the present invention for the sake of clarity and convenience, it should be understood that in other embodiments discontinuous levels of an appropriate number of refractive indices may be used. Unless otherwise stated in the claims, for convenience the term super diffraction grating will be referred to as a diffraction grating having two or more refractive index values. The second property defining BSG is that the diffraction grating is similar to the sampled structure characterized by the sample length. This means that the transition between refractive index levels of the diffraction grating cannot occur at any location, but rather at multiples of the sample length. The BSG is thus by definition analogous to a digital signal pattern—ie, a discretely sampled waveform. Thus, the BSG can be described by a series of (often binary) numbers indicating the refractive index setting at each sampling point (FIG. 31).

이제 도 35를 참조하면, BSG 설계는 몇 개의 중요한 선택들을 수반한다. 단계 351은 물질 파라미터와 리소그래피나 포토인스크립션(photoinscription)의 제약으로부터 결정되는 소자의 굴절률 레벨을 선택한다. 단계 352는 이어서 회절격자의소망하는 파장 범위와 가용한 리소그래피의 해상도를 고려하여 소망하는 샘플 길이를 결정한다. 단계 353은 가용한 물리적 공간 및 새기는 프로세스의 기술적 한계에 의해 제한되는 회절격자의 총 소자길이를 설정한다. 여기에 서술되는 방법은 표면 부조 회절격자의 격자 패턴을 결정하기 위한 것이고, 다른 실시예에서는 이 방법이 광섬유 회절격자 패턴이나 또는 프로그래머블 구현예들에 충분히 변경적용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 다음 단계 354는 소망하는 회절격자의 회절 특성을 푸리에(Fourier) 근사를 이용하여 푸리에 영역으로 변환한다. 이러한 회절 특성은 반사, 투과, 순방향 또는 역방향 커플링, 또는 적절한 산란, 또는 이들의 임의의 조합이 될 수 있다. 본 명세서 전체에서 "반사율" 및 "반사"는 "교차(cross) 투과율" 및 "교차 투과"로 대체될 수 있음을 이해하여야 한다. 푸리에 근사에 의해 안내되면, 설계자는 비로소 그 푸리에 스펙트럼에 의해 회절격자를 설계할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이 단계는 또한 최종 결과를 개선하기 위해 다양한 부정확한 근사 결과에 대해 피드백 수단을 제공한다. 대안으로서, 아날로그 굴절률 프로파일을 설계하여 원하는 굴절 특성을 얻는 데에 적절한 어떠한 방법이라도 좋고, 많은 방법들이 이 분야에 알려져 있다.Referring now to FIG. 35, the BSG design involves several important choices. Step 351 selects the refractive index level of the device determined from the material parameters and the constraints of lithography or photoinscription. Step 352 then determines the desired sample length, taking into account the desired wavelength range of the diffraction grating and the resolution of available lithography. Step 353 sets the total element length of the diffraction grating, which is limited by the available physical space and the technical limitations of the engraving process. The method described herein is for determining the grating pattern of the surface relief diffraction grating, and it should be understood that in other embodiments the method may be sufficiently adapted to optical fiber diffraction grating patterns or programmable implementations. The next step 354 converts the diffraction characteristics of the desired diffraction grating into a Fourier region using a Fourier approximation. Such diffraction properties can be reflection, transmission, forward or reverse coupling, or appropriate scattering, or any combination thereof. It is to be understood that "reflection" and "reflection" throughout this specification may be replaced by "cross transmission" and "cross transmission". Guided by the Fourier approximation, the designer can finally design the diffraction grating by its Fourier spectrum. As described below, this step also provides feedback means for various incorrect approximation results to improve the final result. Alternatively, any method suitable for designing the analog refractive index profile to achieve the desired refractive characteristics may be used, and many methods are known in the art.

다음 단계 355는 아날로그 굴절률 프로파일의 양자화를 수행한다. 델타-시그마 변조는 이러한 양자화 기술의 하나로서 사용될 수 있으며 효율적으로 구현가능하다. 다른 실시예에서는 스펙트럼 대역 내의 푸리에 정보를 보존하는 어떠한 적합한 양자화 기술도 사용될 수 있음은 물론이다. Avrutski 등에 의한 참고 문헌에 개시되어 있는 것과 같은 문턱값 양자화 기술을 사용하는 합성 방법과 그 결과의 회절격자는 스펙트럼 대역 내에 푸리에 정보를 보존하지 않는다는 점에서 적절하지 않으나, 어떤 환경에서는 유용할 수 있다. 2차원 또는 3차원 방사 조작에서, 방사가 2 또는 3차원으로 진행하는 것이 중요하고, 픽셀 어레이가 2 또는 3차원으로 연장하는 것이 중요한 경우에는, 사양에 들어맞는 장치를 설계하는 데에 어떤 양자화 방법도 사용될 수 있다.Next step 355 performs quantization of the analog refractive index profile. Delta-sigma modulation can be used as one of these quantization techniques and can be efficiently implemented. Of course, any suitable quantization technique that preserves Fourier information in the spectral band may be used. Synthesis methods using threshold quantization techniques such as those disclosed in Avrutski et al. And the resulting diffraction gratings are not appropriate in that they do not preserve Fourier information in the spectral band, but may be useful in some circumstances. In two- or three-dimensional radiation operations, where it is important for radiation to proceed in two or three dimensions, and it is important for the pixel array to extend in two or three dimensions, any quantization method in designing devices that meet specifications May also be used.

다음 단계 356은 BSG의 실제 회절 특성을 전이행렬(transfer matrix) 기법이라고 알려진 것과 같은 정확한 기술을 사용하여 결정한다. 이 계산은 푸리에 근사 또는 사용된 다른 합성 방법의 나머지 오차를 결정하고 오차를 정량화하는데, 이 오차는 푸리에 영역으로 되돌려질 수 있으며 만약 단계 357에서 오차가 미리 정해진 문턱값을 초과하면 단계 353의 결과에 더해질 수 있다. 이 과정은 필요에 따라 반복될 수 있는데, 종종 한 번의 반복으로 족하다. 원하는 굴절 특성과 실제의 굴절 특성 간의 차를 결정하는 어떠한 적절한 기술도 사용될 수 있음은 물론이다.The next step 356 determines the actual diffraction characteristics of the BSG using an accurate technique such as what is known as a transfer matrix technique. This calculation determines the residual error of the Fourier approximation or other synthesis method used and quantifies the error, which can be returned to the Fourier region and if the error exceeds a predetermined threshold in step 357 the Can be added. This process can be repeated as needed, often with one iteration. It goes without saying that any suitable technique may be used to determine the difference between the desired and actual refractive properties.

이제 상술한 단계들의 각각을 좀더 상세히 살펴보면, 단계 353에서, 푸리에 근사는 회절격자의 회절 특성(반사, 투과 또는 적절한 산란, 또는 이들의 임의의 조합)과 굴절률 프로파일의 구조를 관계지우는 수학적 관계이다. 환원하면, 단일 파장 회절격자는 주기적 구조에 의해 정확하게 특징지워지는 반사율 스펙트럼을 가지고 있고, 단순 중첩 회절격자는 그 파장 또는 반사율 스펙트럼 성분에 의해 특징지워지는 반사율 스펙트럼을 가지고 있다. 따라서, 회절격자의 회절 스펙트럼은 그 구조의 푸리에 변환과 관련지을 수 있다. 푸리에 변환은 파형의 "파장 속성" 또는 "주파수 속성"을 평가하는 표준화된 방법이다.Turning now to each of the above-described steps in more detail, in step 353, the Fourier approximation is a mathematical relationship that correlates the structure of the refractive index profile with the diffraction characteristics of the diffraction grating (reflection, transmission or appropriate scattering, or any combination thereof). In other words, a single wavelength diffraction grating has a reflectance spectrum that is accurately characterized by a periodic structure, and a simple superimposed diffraction grating has a reflectance spectrum characterized by its wavelength or reflectance spectral component. Thus, the diffraction spectrum of the diffraction grating can be related to the Fourier transform of the structure. Fourier transform is a standardized way to evaluate the "wavelength property" or "frequency property" of a waveform.

따라서, 본 발명은 소망하는 반사율 사양으로부터 아날로그 굴절률 프로파일을 생생하는 수단(역 푸리에 변환)을 제공하기 위해 푸리에 근사를 유용하게 사용한다.Accordingly, the present invention advantageously uses Fourier approximation to provide a means (inverse Fourier transform) for generating an analog refractive index profile from a desired reflectance specification.

또한, 아날로그 굴절률 프로파일의 양자화 단계(단계 355)는 아날로그 프로파일이 어떻게 결정되었는가에 상관없이 수행될 수 있다는 점도 이해되어야 한다. 다시 말해, 아날로그 프로파일은 반드시 푸리에 기반 방법에 의해 얻어지지 않아도 된다.It should also be understood that the quantization step (step 355) of the analog refractive index profile can be performed regardless of how the analog profile has been determined. In other words, the analog profile does not necessarily have to be obtained by the Fourier based method.

다음의 예들은 BSG 합성을 위한 푸리에 근사를 설명한다.The following examples illustrate the Fourier approximation for BSG synthesis.

단순 피크의 합성Simple peak synthesis

레이저 피드백 요소들과 같은 어떤 상황에서는, 주어진 파장들의 세트에서 빛을 반사하는 데에, 그리고 높은 파장 선택성을 가지고 그렇게 하는 것이 가능한 경우 BSG가 바람직하다. 즉, 이 사양은 최소 채널 폭을 가지는 단순 피크를 위한 것이다. 이러한 피크들은 다음 삼각함수 프로파일의 중첩으로부터 유도될 수 있다.In some situations, such as laser feedback elements, BSG is preferred for reflecting light at a given set of wavelengths and where it is possible to do so with high wavelength selectivity. In other words, this specification is for simple peaks with a minimum channel width. These peaks can be derived from the overlap of the next trigonometric profile.

여기서 ai, ωi, 및 φi는 각각 진폭, 공간주파수 및 i 번째 피크의 위상이고, x는 회절격자의 길이방향에서의 위치이다. 대부분의 경우 진폭 계수는 알려진다. 그러나, 많은 경우 위상에 대한 구체적인 것은 요구되지 않는다.Where a i , ω i , and φ i are the phase of the amplitude, spatial frequency and i-th peak, respectively, and x is the position in the longitudinal direction of the diffraction grating. In most cases the amplitude coefficient is known. In many cases, however, no specific details are required for the phases.

일반적으로, 구성성분의 위상은 주어진 구성성분의 진폭 하에서 중첩의 최대높이를 최소화하도록(결과적으로 전체 윤곽을 평탄화하도록) 선택되어야 한다. 편평한 윤곽을 생성하기 위한 위상 정보의 사용은 회절격자의 효율성을 크게 증가시킬 수 있다. 이는 BSG 설계의 일반원리를 설명한다. 즉, 대부분의 경우, 아날로그 굴절률 프로파일(양자화 이전)은 가능한 한 편평한 윤곽을 갖아야 한다. 이것이 바람직한 이유는 편평한 윤곽은 격자 강도의 고른 분포를 나타내고 가용한 굴절률 변조의 좀더 효율적인 사용을 가능하게 하기 때문이다.In general, the phase of a component should be chosen to minimize the maximum height of overlap under the amplitude of a given component (and consequently flatten the entire contour). The use of phase information to generate flat contours can greatly increase the efficiency of the diffraction grating. This explains the general principles of BSG design. That is, in most cases, the analog refractive index profile (prior to quantization) should be as flat as possible. This is desirable because flat contours represent an even distribution of grating intensities and allow more efficient use of the available refractive index modulation.

본 발명에 따른 위상 최적화 단계는 BSG의 반사 효율을 크게 증대시키는 것을 촉진한다. 반사 피크의 수를 늘리는 것은 요구되는 굴절률 변조에서 선형적으로 비례하는 증가를 초래하지는 않는다는 점을 이해하여야 한다. 즉 동일한 피크의 반사율을 유지하면서 피크의 수를 두 배로 늘리기 위해서, 굴절률 스텝도 두 배로 늘어야 할 필요는 없다.The phase optimization step according to the present invention facilitates greatly increasing the reflection efficiency of the BSG. It should be understood that increasing the number of reflection peaks does not result in a linearly proportional increase in the required refractive index modulation. In other words, in order to double the number of peaks while maintaining the reflectance of the same peak, the refractive index step need not be doubled.

대역통과 채널의 합성Bandpass Channel Synthesis

회절격자는 종종 파장 분할 다중 광통신 채널을 분리 또는 선택하는 데에 요구된다. 이 채널들은 그들의 파장(위치) 및 대역폭(폭)으로 서술된다. 회절격자는 또한 전형적으로 채널에서의 스펙트럼 평탄성 및 반사 강도의 사양에 의해 결정된다. 이러한 대역통과 필터 설계는 공통적으로 FIR 필터 이론에서 찾아지고, 따라서 그 해결책을 위한 많은 접근방법도 존재한다. 여기에서 제시하는 기술은 윈도우잉(windowing) 기법에 기반하고 있다.Diffraction gratings are often required to separate or select wavelength division multiple optical communication channels. These channels are described by their wavelength (location) and bandwidth (width). The diffraction grating is also typically determined by the specification of spectral flatness and reflection intensity in the channel. Such bandpass filter designs are commonly found in FIR filter theory, and therefore there are many approaches for their solution. The technique presented here is based on a windowing technique.

대역통과 필터와 같은 구조화된 회절격자 스펙트럼의 합성의 주된 원칙은 근사된 설계 문제의 해석학적으로 결정된 해법을 사용한다는 것이다. 즉, 플랫탑 필터와 같은 특정한 필터 형상은 특정한 수학적 함수와 대응된다고 알려져 있다. 예를 들어, 다음과 같은 형태의 sinc 함수는 대역폭이 δω인 이상적인 저역통과 필터에 대응한다고 알려져 있다.The main principle of the synthesis of structured diffraction grating spectra, such as bandpass filters, is to use analytically determined solutions to approximate design problems. That is, it is known that certain filter shapes, such as flat top filters, correspond to certain mathematical functions. For example, the sinc function of the following form is known to correspond to an ideal lowpass filter with a bandwidth of δω.

여기서 i는 BSG 세그먼트 번호이다. 이 필터는 적절한 삼각함수를 곱함으로써 대략 주파수 ωc에서 중심을 가지는 대역통과 필터로 변환될 수 있는데, 결과적으로 다음과 같다.Where i is the BSG segment number. This filter can be transformed into a bandpass filter centered at approximately the frequency ω c by multiplying the appropriate trigonometric function.

여기서 피크는 약 ωc에 있고 Δω의 폭을 갖는다.The peak here is at about ω c and has a width of Δω.

불행하게도, 이 필터는, 통과대역에서 저지대역으로의 갑작스런 전이에 의해 특징지워지고, 그 구현을 위해서는 무한한 길이를 요구한다. 단순히 필터를 원하는 길이만큼으로 잘라내면(cropping) 깁스(Gibbs) 현상이라고 알려진 바람직하지 않은 발진 특징이 나타난다. 이건은 FIR 설계에서 공통적인 이슈이고, 이 해결책을 위한 하나의 접근방법이 윈도우잉 기법이다.Unfortunately, this filter is characterized by an abrupt transition from passband to stopband and requires infinite length for its implementation. Simply cropping the filter to the desired length results in undesirable oscillation characteristics known as Gibbs. This is a common issue in FIR design, and one approach to this solution is the windowing technique.

윈도우잉 기법에서는 잘라내기를, 잘라내어지는 영역에서 0인 윈도우 함수를 곱한 것으로 본다. 이론적으로, 잘라내는 동작을 유지할 영역 내는 1이고 그밖에 잘라내어질 영역은 0인 "사각형 윈도우"로 곱한 것으로 본다. 이 이론은 이 사각형윈도우가 깁스 현상에 책임이 있다고 주장한다.The windowing technique sees truncation as the product of a window function that is zero in the region to be cropped. Theoretically, it is assumed that the area to keep the cutting operation is 1 and the area to be cut out is multiplied by a "square window" of 0. This theory claims that this rectangular window is responsible for the Gibbs phenomenon.

잘라내기에 사용될 수 있는 윈도우 함수는 일반적으로 대역통과 필터를 비이상적으로 만드는데, 이는 전이(transition)를 위한 대역폭을 필요로 하지 않는 이상적인 필터와 대조적으로, 통과대역과 저지대역 사이에 유한한 "전이 폭(transition width)"을 생성하기 때문이다. 그러나 FIR 필터 이론은 비이상적이긴 하나 몇몇 받아들일 만한 윈도우 함수들을 제공한다.The window function that can be used for truncation generally makes the bandpass filter non-ideal, which is a finite "transition width between passband and stopband, in contrast to an ideal filter that does not require bandwidth for transition. (transition width) ". The FIR filter theory, though ideal, provides some acceptable window functions.

이러한 윈도우 함수의 하나는 카이저 윈도우(Kaiser window)로, 이 윈도우 함수는 이상적인 저역통과(그리고 따라서 대역통과) 필터로 여겨지며, 설계자들로하여금 전이 특성을 파라미터 β를 통해 조절하는 것을 허용한다. 카이저 윈도우는 따라서 BSG 합성에 적합하고 반사율 채널의 형상과 기울기를 조절하는 데에 증가된 유연성을 제공한다. 그러나, 이것은 이 결과를 얻기 위해 사용할 수 있는 많은 FIR 기술의 단지 하나에 지나지 않고, 푸리에 기법에 의한 BSG 합성은 이 특정한 기법으로 한정되는 것은 아니다.One such window function is the Kaiser window, which is considered an ideal lowpass (and thus bandpass) filter, allowing designers to adjust the transition characteristics via parameter β. Kaiser windows are therefore suitable for BSG synthesis and provide increased flexibility in adjusting the shape and slope of the reflectance channels. However, this is only one of many FIR techniques that can be used to achieve this result, and BSG synthesis by Fourier techniques is not limited to this particular technique.

플랫탑 채널에 대응하는 아날로그 프로파일이 회절격자의 중심부의 대부분을 사용하게 한다는 것을 이해하여야 한다. 다중 피크의 경우, 이러한 상황은 회절격자의 중심에서 떨어진 자원의 비효율적인 사용을 초래하므로 바람직하지 않다. 이 문제에 대한 간편한 해결책은, 파형들을 중첩할 때 개별적인 채널들과 관련하여 파형들을 엇갈리게 하는 것이다. 다중 피크 회절격자에 사용된 것과 같은 위상 최적화 기술과 함께 이 기법은 회절격자 자원의 매우 효율적인 사용을 가능하게 할 수 있다.It should be understood that the analog profile corresponding to the flat top channel makes use of most of the center of the diffraction grating. In the case of multiple peaks, this situation is undesirable since it leads to inefficient use of resources away from the center of the diffraction grating. A simple solution to this problem is to stagger waveforms with respect to individual channels when they overlap. Together with phase optimization techniques such as those used for multiple peak diffraction gratings, this technique can enable very efficient use of diffraction grating resources.

어떤 실시예에서 반사율 사양은 대역통과 채널 또는 피크와 같은 특정의 요소 형상과 상응하지 않는다. 광증폭기의 이득 보상 프로파일과 분산 보상 회절격자가 이러한 범주에 속한다. 이러한 실시예들에서 회절격자는 이산 푸리에 변환(DFT)을 이용하여 합성될 수 있다.In some embodiments, the reflectance specifications do not correspond to specific element shapes such as bandpass channels or peaks. The gain compensation profile and dispersion compensation diffraction grating of optical amplifiers fall into this category. In such embodiments the diffraction grating may be synthesized using a Discrete Fourier Transform (DFT).

이산 푸리에 변환과, 관련된 고속 푸리에 변환(FFT)은 유한 개수의 샘플링 지점 상에 연산되는 푸리에 변환의 버전이다. 정규의 푸리에 변환과 관련하여, 푸리에 근사 및 그 BSG 합성에의 내포는 DFT로 넘어간다. 1의 실제 값을 가지는 지점들의 세트에 대한 DFT 연산은 1/2의 독립 주파수 성분들의 세트로 귀결된다. 따라서, 1의 세그먼트들을 가지는 원하는 회절격자는, 파장들 간이 아니라 1/2의 파장들에서 반사율 값이 할당될 것이다.The Discrete Fourier Transform and associated Fast Fourier Transform (FFT) is a version of the Fourier Transform that operates on a finite number of sampling points. Regarding the normal Fourier transform, the Fourier approximation and its inclusion in the BSG synthesis is passed to the DFT. The DFT operation on the set of points with the actual value of 1 results in a set of 1/2 independent frequency components. Thus, a desired diffraction grating having segments of 1 will be assigned a reflectance value at wavelengths of half, not between wavelengths.

DFT를 이용한 BSG 합성예는 다음과 같이 수행된다Example of BSG synthesis using DFT is performed as follows.

주파수 영역 사양들이, 역DFT 연산에 적합한 방식으로, 길이 l, 의도된 소자 길이(샘플의 개수로서)의 어레이에 입력된다. 이는 푸리에 영역 사양의 연속적인 버전을 특정 지점에서 "샘플링"하거나, 또는 대안으로서 그 사양을 직접 DFT에 적합한 형태로 "그려넣음"으로써 수행될 수 있다. 그러면 이 어레이의 역DFT가 결정된다. 주파수 샘플들 사이의 발진 특성을 줄이기 위해 다양하게 알려진 "스무딩(smoothing)"의 형태들이 결과 파형에 적용될 수 있다.The frequency domain specifications are input to an array of length l, intended device length (as number of samples), in a manner suitable for inverse DFT operation. This can be done by "sampling" a continuous version of the Fourier region specification at a particular point, or alternatively "drawing" the specification directly into a form suitable for DFT. The inverse DFT of this array is then determined. Various known forms of "smoothing" can be applied to the resulting waveform to reduce oscillation characteristics between frequency samples.

아날로그 굴절률 프로파일이 합성되면, 몇몇 변형들이 요구될 수 있다. 이러한 변형의 하나는 이산합 필터(discrete-sum filter)에 의한 필터링이다. 다른 변형은 파형을 뒤이을 델타-시그마 변조 스테이지에 적합한 레벨로 스케일링하는 것이다. 예를 들어, 이는 진폭 1을 갖는 파형으로 조절함으로써 달성될 수 있다.If analog refractive index profiles are synthesized, some variations may be required. One such variant is filtering by a discrete-sum filter. Another variant is to scale the waveform to a level suitable for the subsequent delta-sigma modulation stage. For example, this can be achieved by adjusting to a waveform with amplitude one.

양자화 또는 델타-시그마 변조(DSM)Quantization or Delta-Sigma Modulation (DSM)

지금까지 수행된 푸리에 영역 합성은 아날로그 회절격자 프로파일을 생성한다. 그러나, BSG는 오직 적은 수(통상 둘)의 굴절률 값을 활용하는 이산적인 프로파일을 요구한다. 다른 실시예들에서는, 예컨대 8진 수퍼회절격자(OSG)와 같은 어떠한 적절한 이산적인 개수의 값을 사용할 수도 있음은 물론이다. 회절격자 프로파일의 양자화(즉, 이산적인 표현)를 위한 기술의 하나는 델타-시그마 변조이다. 그러나, 어떠한 적절한 양자화 기술이라도 사용될 수 있다.Fourier domain synthesis performed so far produces an analog diffraction grating profile. However, BSG requires a discrete profile that utilizes only a small number (usually two) of refractive index values. Of course, other embodiments may use any suitable discrete number of values, such as an octal superdiffraction grating (OSG). One technique for quantization (ie discrete representation) of diffraction grating profiles is delta-sigma modulation. However, any suitable quantization technique can be used.

푸리에 기법에 의한 아날로그 프로파일의 양자화를 위한 바람직한 요구사항은 중요한 주파수 대역에서의 스펙트럼 정보를 보존하는 것이다. 델타-시그마 변조는, 예컨대, 주어진 주파수 대역에서 스펙트럼 정보는 거의 건들지 않고 놔두면서 그 주파수 대역에서 양자화 노이즈를 "걸러 내도록" 설계되어 있다. 또한 다른 양자화 기법들도, 예컨대 주파수 영역에서 명백하지 않은 격자 효과를 고려하는 것과 같은 개선점을 가지고, 적용될 수 있다. 어떤 경우라도, 푸리에 근사에서 요구된 바와 같이, 선택된 양자화 기법은 중요한 대역에서 저진폭 스펙트럼 특징들을 보존하는 것이 바람직한데, 이는 저진폭 영역에서 명확해진다.A desirable requirement for quantization of analog profiles by Fourier technique is to preserve spectral information in critical frequency bands. Delta-sigma modulation is designed, for example, to "filter out" quantization noise in that frequency band while leaving little spectral information in a given frequency band. Other quantization techniques can also be applied, with improvements such as taking into account non-obvious grating effects in the frequency domain. In any case, as required by the Fourier approximation, the selected quantization technique is desirable to preserve low amplitude spectral features in the critical band, which becomes apparent in the low amplitude region.

푸리에 기법에 의한 BSG 합성 방법과 후술하는 양자화 기법은 델타-시그마 양자화에 한정되는 것이 아님을 이해하여야 한다.It should be understood that the BSG synthesis method by the Fourier technique and the quantization technique described below are not limited to delta-sigma quantization.

도 32를 참조하면, DSM 피드백 프로세스(320)이 도시되어 있는데, 이는 측정된 양자화 에러(321)를 사용함으로써 루프 필터(322)의 뒤에 수행되는 양자화를 증진한다. 즉, DSM은 그 입력을 유닛(323)의 문턱값을 이용하여 양자화하지만, 유닛(323) 내의 양자화에 의해 손실되는 어떤 중요한 정보의 통로도 유지하고 이 정보를 필터(322)의 입력으로 피드백한다. 다른 실시예에서는 어떤 적절한 디지털 양자화기가 사용될 수도 있음은 물론이다.Referring to FIG. 32, the DSM feedback process 320 is shown, which enhances the quantization performed behind the loop filter 322 by using the measured quantization error 321. That is, the DSM quantizes its input using the threshold of unit 323, but maintains a path of any important information lost by quantization in unit 323 and feeds this information back to the input of filter 322. . Of course, any suitable digital quantizer may be used in other embodiments.

오차 피드백과 반복Error feedback and iteration

푸리에 격자 반사율 스펙트럼이 양자화되면 합성은 거의 완료된다. 회절격자의 성능은 합성 오차를 결정하기 위한 전이행렬 기법과 같은 표준적인 테스트를 이용해 평가될 수 있다. 합성 오차란 원하는 반사율 스펙트럼과 전이행렬 기법에 의해 측정된 스펙트럼과의 차이를 말한다. 일 실시예에서 이 오차는 평가되고 회절격자의 주파수 영역 사양에서 오차를 차감함으로써 설계사양을 보정하는 데에 사용될 수 있다. 그러면 새로운 사양으로 합성 과정을 반복해서 개선된 회절격자를 생성하는 데 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 주파수 영역에서 측정된 오차는 공간 영역으로 적절히 변환될 수 있고 아날로그 격자 프로파일(양자화 이전의 격자)에 더해질 수 있다. 이 후자의 형태가 주파수 영역에서 사용된 합성 기법과 독립적으로 활용될 수 있는 일반적이고 강력한 기술이다. 오차 피드백 프로세스는 원한다면 반복될 수 있지만, 종종 한 번의 반복으로 족하다. 저진폭 주파수 영역을 위한 피드백 프로세스의 수렴성은 전술한 푸리에 근사에 의해 보증된다.When the Fourier grating reflectance spectrum is quantized, the synthesis is almost complete. The performance of the diffraction grating can be evaluated using standard tests such as transition matrix techniques to determine the synthesis error. Synthetic error is the difference between the desired reflectance spectrum and the spectrum measured by the transition matrix technique. In one embodiment this error can be evaluated and used to correct the design specification by subtracting the error from the frequency domain specification of the diffraction grating. The new specification can then be used to repeat the synthesis process to create an improved diffraction grating. In another embodiment, the error measured in the frequency domain can be properly converted to the spatial domain and added to the analog grating profile (the grating before quantization). This latter form is a general and powerful technique that can be used independently of the synthesis techniques used in the frequency domain. The error feedback process can be repeated if desired, but is often enough for one iteration. The convergence of the feedback process for the low amplitude frequency domain is ensured by the Fourier approximation described above.

본 발명은 설계자로 하여금 회절특성 영역에서의 왜곡을 정정하기 위한 오차피드백 정정과 회절격자 정정기술을 비교할 수 있게 한다는 것을 주목해야 한다. 예를 들어, 어떤 피크들은 반사율 영역에서 왜곡된 특징적인 형상을 가질 수 있는데, 전술한 오차 피드백의 어는 것이라도 이를 정정할 수 있다. 본 발명은 설계자로 하여금 오차 피드백의 장점들을 격자 자원의 응용과 비교하여 평가할 수 있도록 한다.It should be noted that the present invention allows a designer to compare error feedback correction and diffraction grating correction techniques for correcting distortion in the diffraction characteristic region. For example, some peaks may have a characteristic shape that is distorted in the reflectance region, which can correct any of the error feedback described above. The present invention allows designers to evaluate the benefits of error feedback compared to the application of grid resources.

BSG 합성의 다른 실시예Other Examples of BSG Synthesis

유도-대칭(Induced-Symmetry) 합성Induced-Symmetry Synthesis

도 33을 참조하면, 샘플링된 신호들의 기본적인 속성은, 그들의 푸리에 스펙트럼이 나이키스트 주파수(Nyquist frequency)로 알려진 특성 주파수의 대략 정수배에서 대칭성을 보인다는 점이다. 많은 수의 동일한 피크들을 가진 필터와 같은 어떤 응용에서는, 반사율 사양에서도 유사한 대칭성이 존재한다. 유도-대칭 합성의 원리는 이 반사율 사양의 대칭성이 나이키스트 주파수 근처에서 재현될 수 있고, 회절격자의 자원들은 스펙트럼 특징의 반을 생성하는 데에만 사용될 수 있다는 점이다.Referring to FIG. 33, the basic property of the sampled signals is that their Fourier spectra show symmetry at approximately integer multiples of the characteristic frequency known as the Nyquist frequency. In some applications, such as a filter with a large number of identical peaks, similar symmetry exists in the reflectance specification. The principle of induction-symmetry synthesis is that the symmetry of this reflectance specification can be reproduced near the Nyquist frequency, and the resources of the diffraction grating can only be used to generate half of the spectral characteristics.

이 기법의 좋은 예가 10개의 균등한 간격의 반사율 피크들을 가진 필터의 합성이다. 유도-대칭 합성의 원리를 이용하여, 설계자는 나이키스트 주파수를 10개의 피크의 정확히 중앙, 즉 사양의 대칭선 상에 위치시키는 샘플링 길이를 선택할 수 있다. 그런 연후 설계자는 하위 5개의 피크들을 위한 회절격자를 합성할 수 있다. 상위 5개의 피크들은 주파수 영역 대칭성에 기해 자동적으로 나타난다.A good example of this technique is the synthesis of a filter with 10 evenly spaced reflectance peaks. Using the principle of induction-symmetry synthesis, the designer can choose a sampling length that places the Nyquist frequency exactly center of the 10 peaks, ie on the line of symmetry of the specification. After that, the designer can synthesize a diffraction grating for the lower five peaks. The top five peaks appear automatically based on frequency domain symmetry.

수퍼-나이키스트(Super-Nyquist) 합성Super-Nyquist Synthesis

종종 회절격자를 새기는 데에 요구되는 해상도가 가용 해상도를 넘는다. 예를 들어, 1550nm 파장 범위를 위한 BSG를 갈륨-아세나이드(n=3.2)로 설계할 때, 나이키스트 속도(Nyquist rate)를 샘플 길이 약 120nm에 대응되는 1550nm에 두는 것(예컨대 유도-대칭 합성을 이용하여)이 편리하다. 이 특성 사이즈는 광학 포토리소그래피에는 너무 작고, 좀더 비싼 전자빔 리소그래피의 사용을 요구한다.Often the resolution required to engrave the diffraction grating exceeds the available resolution. For example, when designing a BSG for the 1550 nm wavelength range as gallium-arsenide (n = 3.2), placing the Nyquist rate at 1550 nm corresponding to a sample length of about 120 nm (e.g., inductive-symmetric synthesis). Using) is convenient. This feature size is too small for optical photolithography and requires the use of more expensive electron beam lithography.

그러나, 나이키스트는 나이키스트 한계를 넘는 주파수 내용은 나이키스트 한계 이하의 스펙트럼 정보의 복제-이미지로 알려져 있다-의 반복으로 구성된다고 말하였다. 따라서, 나이키스트 속도를 넘는 격자 특징(수퍼-나이키스트)은 나이키스트 한계 이하에서 발견되는 그 격자 이미지를 합성함으로써 생성될 수 있다.However, Nyquist said that frequency content above the Nyquist limit consists of a repetition of the spectral information below the Nyquist limit, known as an image. Thus, grating features above the Nyquist rate (super-Nyquist) can be generated by synthesizing those grating images found below the Nyquist limit.

이런 방식으로, 수퍼-나이키스트 합성은, 예를 들어, 전술한 1550nm 갈륨-아세나이드 회절격자에 요구되는 해상도를 줄이는 데에 유용하다. "3차" 합성을 선택하면, 설계자는 도 34에 도시된 바와 같이, 1550nm 영역이 나이키스트 주파수의 세 배에 대응되도록 샘플길이를 선택할 수 있다. 그리고 설계자는 푸리에 영역 격자 특성들을 샘플링 속도(나이키스트 주파수의 두 배)의 정수 배만큼 시프트하여 그들이 "기저대역", 나이키스트 주파수 아래로 들어가도록 할 수 있다. 이러한 시프트된 특성들로 합성된 회절격자는, 이미징 현상 때문에 나이키스트 주파수의 세 배 바로 이하에서 의도된 격자 특성들을 보여준다. 나아가, 이 새로운 회절격자의 샘플 길이는 360nm인데, 이는 광학 리소그래피에 좀더 적합한 범위이다. 수퍼-나이키스트 합성을 해상도 요구를 감소시키는 데에 유용하게 적용할 수 있다는 것을 알 수 있다.In this way, super-Nyquist synthesis is useful, for example, for reducing the resolution required for the 1550 nm gallium-acenide diffraction grating described above. Selecting "3rd order" synthesis, the designer can select a sample length such that the 1550 nm region corresponds to three times the Nyquist frequency, as shown in FIG. The designer can then shift the Fourier domain grating characteristics by an integer multiple of the sampling rate (double the Nyquist frequency) so that they fall below the "baseband", Nyquist frequency. The diffraction grating synthesized with these shifted properties shows intended grating properties just below three times the Nyquist frequency because of the imaging phenomenon. Furthermore, the sample length of this new diffraction grating is 360 nm, which is a more suitable range for optical lithography. It can be seen that super-Nyquist synthesis can be usefully applied to reduce resolution requirements.

수퍼회절격자 응용Super Diffraction Grid Application

수퍼회절격자 산란 감소Reduced Super Diffraction Scattering

도 1을 참조하면 코어(12) 및 하부 클래딩(11)과 함께 구조를 형성하는 상부 클래딩(13) 안에 형성된 깊은 격자 BSG(14)가 개략적으로 도시되어 있다. 수퍼회절격자 설계에서 관심은, 회절격자의 낮은 공간주파수 성분에서 나오는 방사적인 클래딩 모드에 기인한 산란 손실이다. 이 산란은 회절격자에 수직한 방향으로 위상 매칭 조건의 불완전한 충족에서 초래되는데, 얕은 격자에서 좀더 일반적이다.1, there is schematically shown a deep grating BSG 14 formed in an upper cladding 13 that forms a structure with a core 12 and a lower cladding 11. Of interest in the superdiffraction grating design is the scattering loss due to the radial cladding mode resulting from the low spatial frequency component of the diffraction grating. This scattering results from incomplete fulfillment of phase matching conditions in a direction perpendicular to the diffraction grating, which is more common in shallow gratings.

본 발명의 더 깊게 식각된 특징은 수직한 방향에서 더 큰 거리를 차지함으로써 이 산란을 감소시키는데, 이는 호이겐스(Huygens) 원리와 푸리에 조건으로 잘 알려져 있고, 이는 수직한 방향에서 좀더 완전한 위상 매칭 요건을 이끌어 내며, 결과적으로 (원하지 않는) 산란 효율을 감소시킨다. 좀더 정량적으로, 격자 형상은 이상적으로는 클래딩의 물질 파장(λmat0/nclad)을 넘는 깊이까지 깊게 들어가고, 모드 꼬리의 붕괴 상수는 회절격자 영역에서 1/λmat보다 적어야 한다(대안으로서 BSG는 모드의 중심에서 코어 영역(12) 안에 구현될 수 있고, 이 경우 코어(12)는 λmat보다 넓어야 하거나, 또는 이런 식으로 굴절률 섭동은 전체 모드 프로파일에 걸쳐야 한다). 이는 회절격자의 정상적인 한도에서 상대적으로 균일한 기여를 보장하고, 그럼으로써 산란된 성분들의 소멸을 강화한다.The deeper etched features of the present invention reduce this scattering by occupying a greater distance in the vertical direction, which is well known by the Huygens principle and Fourier conditions, which leads to more complete phase matching requirements in the vertical direction. And consequently reduce (unwanted) scattering efficiency. More quantitatively, the lattice shape ideally goes deeper than the material wavelength of the cladding (λ mat = λ 0 / n clad ), and the decay constant of the mode tail should be less than 1 / λ mat in the diffraction grating region (alternatively) BSG can be implemented in the core region 12 at the center of the mode, in which case the core 12 must be wider than [lambda] mat , or in this way the refractive index perturbation must span the full mode profile). This ensures a relatively uniform contribution at the normal limit of the diffraction grating, thereby enhancing the disappearance of the scattered components.

굴절률 프로파일과 모드 프로파일(15)의 적(product)을 고려하면 다음과 같은 분석이 나온다. 즉 이 적이 넓고 평탄하면 할수록, 그 푸리에 변환은 좁고, 따라서 수직 방향에서의 k-공간 표현은 좁아진다. 위상 매칭 조건에 대한 이 증대된 제한은 안내된 파동이 방사 모드와 커플링될 수 있는 범위(예컨대, 출력 각도의 용어에서)를 감소시키고, 따라서 전체로서 산란 손실을 줄인다.Considering the product of the refractive index profile and the mode profile 15, the following analysis results. In other words, the wider and flatr this enemy, the narrower its Fourier transform, and thus the narrower the k-space representation in the vertical direction. This increased constraint on the phase matching condition reduces the range (eg, in terms of output angle) within which the guided wave can be coupled with the radiation mode, thus reducing scattering losses as a whole.

또한 도 2를 참조하면 기저대역 배제 배후의 이론적 근거를 설명하는 k-공간이 도시되어 있다. k-공간 기저대역(즉, 낮은 공간주파수)을 부가적인 "관심 영역"으로서 포함시키면 작은 k 성분에 의해 개재된 원하지 않는 고차 커플링을 철저하게 줄임으로써 합성을 개선할 수 있다.Also shown in FIG. 2 is a k-space illustrating the rationale behind baseband exclusion. Including the k-space baseband (ie, low spatial frequency) as an additional "region of interest" can improve synthesis by drastically reducing unwanted higher order couplings interposed by small k components.

다른 실시예에서, 수퍼회절격자는 표면 부조 실시예(도 31 참조)를 포함하여 유효(또는 모드) 굴절률을 변화시키는 어떠한 수단을 이용하여서도 구현될 수 있다. 하나의 대안은 1차원 도파로의 횡방향 크기를 조절함으로써 모드 굴절률을 변화시키는 것이다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이, 리지(ridge) 도파로(30)의 경우에 그 폭을 논리 0에서 논리 1의 값까지 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 이 실시예는 다음과 같은 많은 장점을 가진다. 즉, 도파로(30)와 BSG(31)은 함께 패터닝 및 식각될 수 있고, 따라서 제조가 단순화된다. 도파로와 회절격자는 자동적으로 자리 정렬되어 허용 공차를 경감할 수 있다. 그리고, 다중 레벨 수퍼회절격자도 2 레벨 BSG 만큼 쉽게 만들 수 있다.In other embodiments, the superdiffraction grating may be implemented using any means for varying the effective (or mode) refractive index, including surface relief embodiments (see FIG. 31). One alternative is to change the mode refractive index by adjusting the transverse magnitude of the one-dimensional waveguide. This can be accomplished by changing the width from logic 0 to the value of logic 1 in the case of ridge waveguide 30, as shown in FIG. This embodiment has many advantages as follows. That is, the waveguide 30 and the BSG 31 can be patterned and etched together, thus simplifying manufacturing. Waveguides and diffraction gratings can be automatically aligned to reduce tolerances. And a multilevel super diffraction grating can be as easy as a two-level BSG.

2D(2차원) 수퍼회절격자2D Super Diffraction Grid

일 실시예에서, BSG는 고굴절률과 저굴절률의 1차원 시퀀스 라인의 형태를 취하고, k 벡터(즉 공간주파수 성분)를 동일한 방향에 크기만 달리하여 거의 임의의 중첩을 할 수 있다. BSG는 2차원까지도 확장될 수 있는데, 이 경우 고굴절률 및 저굴절률 픽셀들의 매트릭스가 평면 도파로의 평면내에 구현된 형태를 취하는데, 이는 나아가 임의의 수의 이산적인 레벨들을 포함하는 데까지 확장될 수 있다. 2D BSG(및 좀더 일반적인 2D 수퍼회절격자)는 크기와 방향(회절격자의 평면 안에서)을 달리함으로써 k 벡터의 거의 임의의 중첩을 에뮬레이트 할 수 있다. 실용적으로, 이는 2D BSG가 파장 및 면내 입력 및 출력 각도에 따라 빛을 라우팅하고 포커싱할 수 있고, 따라서 빔의 모양짓기(beam-shaping), 파장 선택적 렌징(lensing), 및 공간 다중화 및 디멀티플렉싱과 같은 기능들을 허용함을 의미한다.In one embodiment, the BSG takes the form of a one-dimensional sequence line of high refractive index and low refractive index, and can make almost any overlap by varying the magnitude of the k vector (ie, spatial frequency component) in the same direction. The BSG can be extended to two dimensions, in which case a matrix of high and low refractive pixels is implemented in the plane of the planar waveguide, which can further be extended to include any number of discrete levels. . 2D BSG (and more general 2D superdiffraction gratings) can emulate almost any overlap of k vectors by varying their size and direction (in the plane of the diffraction gratings). Practically speaking, this means that the 2D BSG can route and focus light according to wavelength and in-plane input and output angles, thus providing beam-shaping, wavelength selective lensing, and spatial multiplexing and demultiplexing. It allows the same functions.

2D 수퍼회절격자 실시예2D Super Diffraction Grid Example

이제 도 4를 참조하면 개략적인 2D "수퍼회절격자"(40, 이진 수퍼회절격자로 대표되는 BSG로 지칭된다)가 도시되어 있다. 2D 수퍼회절격자는 2차원 어레이의 굴절률 변조된, 유효 굴절률 변조된, 이득 변조된, 및/또는 손실 변조된 픽셀들을 가지는 광학 소자로서, 각 픽셀은 말 그대로 둘 또는 그 이상의 레벨의 변조된 파라미터(들)의 유한한 집합을 채용하고, 그 빛은 그 어레이의 평면 내에서 전파되어 간다. 용어 "전파층"은 빛이 그를 통하여 진행해 가는 층을 말할 때 쓰일 것이다. 용어 "변조층"은 구조체의 모드 굴절률 내에서 변화를 야기하는 물리적 변화를 수행하는 층을 말할 때 쓰일 것이다. 어떤 경우들에서, 예컨대 이온 주입이 사용되었을 때, 두 층은 같을 것이다. 다른 경우에, 그들은 클래딩층이 식각되었을 때 또는 전파층과 접촉을 야기하기 위해 제어가능한 지시물이 적용되었을 때에 따라 다를 것이다. 이 분야의 숙련자들이라면 이러한 용어들이 사용되었을 때 충분히 이해할 것이다. 픽셀은 어떠한 순서 또는 주기적 구조(예컨대 격자 배열)로 배열될 수도 있고, 어떠한 임의의, 그러나 반복적인 형상을 채용할 수도 있다. 해칭된 픽셀은 고굴절률 값을 그리고 비어있는 픽셀은 저굴절률 값을 나타낸다. 사각형 어레이 상의 사각형 픽셀들의 어레이, 삼각형 망상으로 퍼져나가는 점, 또는 육각형 망 안의 육각형 픽셀들 등의 예를 들 수 있다. 이 소자의 제조된 형태는 완전한 물리적 구조를 생산하기 위한 기술적 어려움 때문에 이진이 아니거나 심지어 변조 레벨들이 연속적으로 되더라도, 픽셀들은 소자를 2D BSG로 되게 하는 이상적인 집합의 레벨에 상응하는 파라미터들의 유한한 집합으로 새김 기법에 의해 새겨진다. 이러한 소자는 거울과 렌즈와 같은 전통적인 광학 부품들을 모방하는 것 외에, 각도 및 파장 특정의 광학 프로세싱을 허용할 수 있다.Referring now to FIG. 4, a schematic 2D “superdiffraction grating” (40, referred to as a BSG represented by a binary superdiffraction grating) is shown. A 2D superdiffraction grating is an optical element having a two-dimensional array of refractive index modulated, effective refractive index modulated, gain modulated, and / or loss modulated pixels, each pixel literally having two or more levels of modulated parameters ( Employs a finite set of light, and the light propagates in the plane of the array. The term "wave layer" will be used when referring to the layer through which light travels. The term "modulation layer" will be used when referring to a layer that performs a physical change causing a change in the mode refractive index of the structure. In some cases, for example, when ion implantation is used, the two layers will be the same. In other cases, they will differ when the cladding layer is etched or when controllable instructions have been applied to cause contact with the propagation layer. Those skilled in the art will fully understand when these terms are used. The pixels may be arranged in any order or periodic structure (eg lattice arrangement), and may employ any arbitrary but repetitive shape. Hatched pixels represent high refractive index values and empty pixels represent low refractive index values. Examples include an array of square pixels on a square array, points that spread out into a triangle network, or hexagon pixels in a hexagonal network. The fabricated form of this device is not binary due to technical difficulties to produce a complete physical structure, or even if the modulation levels are continuous, the pixels are a finite set of parameters corresponding to the level of the ideal set that makes the device a 2D BSG. Engraved by the engraving technique. Such devices can allow for angle and wavelength specific optical processing, in addition to mimicking traditional optical components such as mirrors and lenses.

2D BSG의 픽셀들은 회절격자의 2차원 공간주파수 표현에서 관심 있는 하나 또는 그 이상의 영역 내의 푸리에 정보를 유지하는(중요한 추가나 삭제가 없는) 방법에 의해 양자화된 아날로그 프로파일의 양자화된 표현으로서, 상기 관심 있는 영역은 각도 및 파장 특정의 회절 특성의 관점에서의 관심 영역에 대응된다.The pixels of a 2D BSG are quantized representations of analog profiles quantized by a method (without significant additions or deletions) that maintains Fourier information within one or more regions of interest in the two-dimensional spatial frequency representation of the diffraction grating. The region corresponds to the region of interest in terms of diffraction characteristics specific to the angle and wavelength.

2D 수퍼회절격자의 합성Synthesis of 2D Super Diffraction

2차원 수퍼회절격자를 합성하는 한 가지 방법은 다음과 같다.One way to synthesize a two-dimensional superdiffraction grating is as follows.

A) 모든 동작 모드와 파장에서 BSG의 입력과 출력에서의 전자기장을 기술하는 수학적 조건들의 집합을 결정한다.A) Determine the set of mathematical conditions that describe the electromagnetic fields at the input and output of the BSG at all operating modes and wavelengths.

B) 입출력 조건에 상응하는 경계조건을 가지고 보른(Born) 근사에 대응되는 시스템의 방정식을 풀어 아날로그 프로파일을 계산한다.B) Calculate the analog profile by solving the equation of the system corresponding to the Born approximation with the boundary conditions corresponding to the input and output conditions.

C) 하나 또는 그 이상의 관심 영역 내의 푸리에 성분을 유지하도록 설계된 2차원 기술을 이용하여 아날로그 프로파일을 디지털화 한다. 하나의 적합한 기법이 플로이드-스타인베르그 디더링(Floyd-Steinberg dithering)으로서, 각 픽셀에서 생성된 양자화 오차는 관심 영역(들) 내의 스펙트럼 정보를 포함하는 유한 임펄스 응답 함수를 이용하여 양자화될 픽셀들로 확산된다.C) Digitize the analog profile using a two-dimensional technique designed to maintain Fourier components within one or more regions of interest. One suitable technique is Floyd-Steinberg dithering, where the quantization error generated at each pixel is converted to pixels to be quantized using a finite impulse response function containing spectral information in the region of interest (s). Spreads.

회절격자 합성의 프로세스는 단순화된 예를 들어 설명될 수 있다. 도 36a는 두 가지 파장 La 및 Lb를 가지고 도파로(36-2) 아래로부터 들어오는 방사를 분리해서 각각 단일 파장의 두 경로(36-4 및 36-6)로 나가게 하는 간단한 디멀티플렉서(36-10)를 도시한다. 도 36b는 동일한 기능을 수행하는 이산적인 부품들을 이용한 간단한 디멀티플렉서를 도시한다. 도 36b의 예는 들어오는 파장들을 두 경로(24' 및 26')로(두 빔 모두 동일한 방향으로 굽는다) 분리하기 위해 프리즘(3)을 사용한다. 분리된 방사 빔은 프리즘(34 및 36)에 의해 출력 도파로(4 및 6)로 입사하는 정확한 경로로 다시 굽는다. 이어서 빔들은 렌즈(34' 및 36')에 의해 도파로(4 및 6)으로 집속된다.The process of diffraction grating synthesis can be described by a simplified example. FIG. 36A shows a simple demultiplexer 36-10 having two wavelengths La and Lb to separate the incoming radiation from under the waveguide 36-2 and exit into two paths 36-4 and 36-6, respectively, of a single wavelength. Illustrated. 36B shows a simple demultiplexer with discrete components that perform the same function. The example of FIG. 36B uses a prism 3 to separate the incoming wavelengths into two paths 24 'and 26' (both bend in the same direction). The separated radiation beam bends back into the correct path entering the output waveguides 4 and 6 by the prisms 34 and 36. The beams are then focused into waveguides 4 and 6 by lenses 34 'and 36'.

도 36a는 고상(solid-state) 기술에 의한 평면 도파로로 형성된 실시예에 의해 수행되는 동일한 기능을 보여준다. 박스(36-10)의 왼쪽 가장자리와 아래쪽을 따라 선으로 표시된 X-Y(화살표 36-15에 의해 가리켜지는 방향) 픽셀 어레이가 거리에 따라 다른 각도(각도 A1 및 A2와 B1 및 B2)로 빔을 분리(이 경우 한 파장은 왼쪽으로 다른 파장은 오른쪽으로)하는 기능을 수행하는 BSG를 형성한다. 묶음표 36-34 및 36-36으로 표시된 영역에서 각도들은 역전되고, 픽셀들은 각도 변경을 수행하고 방사를 집속한다. 박스(36-10)의 아래쪽 부분에서 파면은 직선으로 표시했고 위쪽 부분에서는 출력 도파로(36-4 및 36-6)으로 집속되는 결과를 표현하도록 곡선으로 표시하였다.36A shows the same functionality performed by the embodiment formed of a planar waveguide by solid-state technology. XY (indicated by arrow 36-15) pixel arrays, represented by lines along the left edge and bottom of box 36-10, split the beam at different angles (angles A1 and A2 and B1 and B2) over distance It forms a BSG that performs the function of (in this case one wavelength to the left and the other to the right). The angles are reversed in the areas indicated by groups 36-34 and 36-36, and the pixels perform an angle change and focus radiation. In the lower part of the box 36-10, the wavefront is indicated by a straight line and in the upper part by a curve to represent the result of focusing to the output waveguides 36-4 and 36-6.

도 36a의 예는 위쪽 부분의 픽셀들은 방사가 공간 상에서 분리되었으므로 단일 파장을 처리하는 것만으로 단순화되었다. 디멀티플렉서의 많은 실제 실시예에서 출력 경로들은 가깝거나 중첩되어 있고 픽셀들은 하나의 파장 이상을 처리해야 할 것이다. 본 발명의 유리한 특징은 요구되는 기능을 수행하기 위한 굴절률 프로파일의 합성이, 종래의 첫 번째 간섭 패턴에 의해 물질층을 조사하고 두 번째 패턴 등등으로 하는 것이 아니라 수학적으로 이루어진다는 점이다.The example of FIG. 36A simplifies the pixels in the upper part simply by processing a single wavelength since radiation is separated in space. In many practical embodiments of the demultiplexer the output paths are close or overlapping and the pixels will have to handle more than one wavelength. An advantageous feature of the present invention is that the synthesis of the refractive index profile to perform the required function is done mathematically, rather than irradiating the material layer with a conventional first interference pattern, with a second pattern and so forth.

도 5를 참조하면, 2D BSG가 잠재적인 장점을 제공하기 위해 1D 수퍼회절격자(50) 또는 다른 유형의 회절격자를 사용하는 응용 및 소자에 사용될 수 있다. 이러한 장점들은 2차원 회절격자가 회절격자 평면의 두 차원에서 잘 정의된 커플링 파동 벡터를 가지고 있어 방사 모드에서 커플링에 대한 직접적인 제어를 제공하고, 따라서 잠재적으로 산란이 감소된다는 사실에서 유래한다. 반면에, 1D 회절격자(50)는 종종 그 좁은 폭 때문에 도파로에 수직한 방향에서는 잘 정의되지 못하는커플링 파동 벡터를 가지고 있다.Referring to FIG. 5, 2D BSG can be used in applications and devices that use 1D superdiffraction grating 50 or other types of diffraction gratings to provide potential advantages. These advantages stem from the fact that two-dimensional diffraction gratings have well-defined coupling wave vectors in two dimensions of the diffraction grating plane, providing direct control of the coupling in the radiation mode, thus potentially reducing scattering. On the other hand, the 1D diffraction grating 50 often has a coupling wave vector that is not well defined in the direction perpendicular to the waveguide because of its narrow width.

주어진 2차원 회절격자에 대응되는 "유효 1차원 회절격자"는 2D 회절격자를 1차원 도파관에 수직한 횡방향 선을 따라 집적함으로써 유도된 1D 굴절률 프로파일로 간주될 수 있다. 이 유효 1D 회절격자는 두 이진 레벨간에서 폭넓은 범위의 값으로 펼쳐지는 굴절률 레벨을 가지고, 충분히 높은 횡방향 샘플링으로 거의 성질상 아날로그가 될 수 있다(레벨 수는 l 이진 횡방향 샘플에 대해 2l이 될 것이다). 아날로그 회절격자가 양자화 문제를 가지고 있지 않듯이, 이것은 이진-유사 물리적 구조의 튼튼함과 제조의 용이성을 여전히 가지는 다중 레벨 회절격자 설계를 위한 한 방법으로서 사용될 수 있다.An "effective one-dimensional diffraction grating" corresponding to a given two-dimensional diffraction grating may be regarded as a 1D refractive index profile derived by integrating the 2D diffraction grating along a lateral line perpendicular to the one-dimensional waveguide. This effective 1D diffraction grating has a refractive index level that spans a wide range of values between two binary levels, and can be nearly analogous in nature with sufficiently high lateral sampling (the number of levels is 2 for l binary transverse samples). will be l ). As analog diffraction gratings do not have quantization problems, they can be used as a method for multilevel diffraction grating designs that still have the robustness of binary-like physical structures and ease of manufacture.

본 방법은 다음의 단계들을 포함하여 요약될 수 있다.The method can be summarized including the following steps.

·종래기술의 기법에서처럼 아날로그 프로파일을 계산한다.Calculate the analog profile as in the conventional technique.

·각 픽셀을 1D 회절격자 축에 수직인 횡방향으로 늘어선, 이진(또는 다중 레벨) 픽셀의 라인으로 변환하되, 그 라인을 따라 취한 평균이 소망하는 아날로그 값에 가깝게 들어맞는 방식으로 한다. 이 픽셀 집합은 더 높은 모드로의 커플링을 줄이기 위하여 특정 대칭 속성을 유지하도록 속박되는 것이 바람직하다(가용한 횡방향 평균의 수를 제한한다는 트레이드오프와 함께). 이 라인은 DSM-유사한 프로세스(원하는 평균치 또는 원하는 횡방향 프로파일이 입력되는)를 이용하여, 무작위 탐색 최적화 기법(적은 수의 픽셀들의 경우)과 함께, 또는 다른 기법들에 의해, 계산될 수 있다.Convert each pixel to a line of binary (or multi-level) pixels lined transversely perpendicular to the 1D diffraction grating axis, in such a way that the average taken along that line closely matches the desired analog value. This set of pixels is preferably bound to maintain certain symmetry properties to reduce coupling to higher modes (along with a tradeoff that limits the number of available transverse averages). This line can be calculated using a DSM-like process (where the desired average or desired lateral profile is input), in conjunction with a random search optimization technique (for a small number of pixels), or by other techniques.

2D 수퍼회절격자는 먼저 1D 도파로를 2D 수퍼회절격자를 포함하도록 충분히 넓히는 것에 의해 1차원 구성으로 구현될 수 있다. 도파로는 영역을 넘어 확장될 수 있고 그 경우 더 작은(어쩌면 단일 모드) 사이즈로 줄어든다. 부가적으로, 두 도파로는 2D 회절격자 영역이 되도록 확장될 수 있고(그리고 유사하게 다른 쪽에서는 줄어든다) 도파로 커플러를 형성한다. 2D 수퍼회절격자는 또한 수퍼회절격자 도파로 커플러로 결합되어 구현되었을 때 감소된 산란을 제공한다.The 2D superdiffraction grating can be implemented in a one-dimensional configuration by first widening the 1D waveguide to include the 2D superdiffraction grating. The waveguide can extend beyond the area and then reduce to a smaller (possibly single mode) size. In addition, the two waveguides can be extended (and similarly reduced on the other side) to be a 2D diffraction grating region and form a waveguide coupler. The 2D superdiffraction grating also provides reduced scattering when implemented in conjunction with the superdiffraction grating waveguide coupler.

3D(3차원) 수퍼회절격자3D Super Diffraction

BSG는 고굴절률과 저굴절률 픽셀의 3차원 어레이 형태를 취하여 3차원까지도 확장될 수 있다. 이전처럼, 이러한 정의는 어떤 수의 이산적인 레벨들을 포함하도록 확장될 수 있다. 3D BSG(및 좀더 일반적인 3D 수퍼회절격자)는 3D 공간주파수 공간 내에서 정의된 하나 또는 그 이상의 관심 영역 내의 어떠한 크기와 방향을 가진 k 벡터라도 거의 임의의 중첩을 에뮬레이트 할 수 있다. 실용적으로, 이는 3D BSG가 파장 및 입력 각도(즉 극선 및 방위각) 및 출력 각도에 따라 빛을 라우팅하고 포커싱할 수 있고, 따라서 2차원 회절격자에서 기술한 바와 같은 기능들을, 3차원의 파장, 편각 및 방위각에서 허용함을 의미한다.The BSG can be extended to three dimensions by taking the form of a three-dimensional array of high and low refractive pixels. As before, this definition can be extended to include any number of discrete levels. 3D BSG (and more general 3D superdiffraction gratings) can emulate almost any superposition of k vectors of any size and orientation in one or more regions of interest defined in 3D spatial frequency space. Practically speaking, this allows the 3D BSG to route and focus light according to wavelength and input angles (ie polar and azimuth) and output angles, thus providing features as described in two-dimensional diffraction gratings, And at the azimuth angle.

도 6을 참조하면 3D 수퍼회절격자(60)의 개략도가 도시되어 있는데, 굴절률, 유효 굴절률, 이득, 및/또는 손실 변조된 픽셀들의 3차원 어레이를 포함하고, 각 픽셀은 말 그대로 유한한 둘 또는 그 이상의 레벨들의 변조된 파라미터(들)을 채용하는 광학 소자의 형태이다. 픽셀들은 어떠한 순서나 주기적인 구조로도 배열될 수있으며 임의의 그러나 반복하는 형상을 채용할 수 있다. 이 소자의 제조된 형태는 완전한 표본을 생산하기 위한 기술적 어려움 때문에 또는 설계상 이진이 아니거나 심지어 변조 레벨들이 연속적으로 되더라도, 픽셀들은 소자를 3D BSG로 되게 하는 이상적인 집합의 레벨에 상응하는 파라미터들의 유한한 집합으로 새김 기법에 의해 새겨진다. 이러한 소자는 거울과 렌즈와 같은 전통적인 광학 부품들을 모방하는 것 외에, 각도 및 색채에 특정한 광학 프로세싱을 허용할 수 있다.Referring to FIG. 6, a schematic diagram of a 3D superdiffraction grating 60 is shown, comprising a three dimensional array of refractive index, effective refractive index, gain, and / or loss modulated pixels, each pixel being literally two finite or two. It is a form of optical element that employs more levels of modulated parameter (s). The pixels may be arranged in any order or periodic structure and may employ any but repeating shape. The fabricated form of this device is due to technical difficulties to produce a complete sample, or by design, even if it is not binary or even modulation levels are continuous, the pixels are finite of parameters corresponding to the level of the ideal set that makes the device a 3D BSG. Engraved by the engraving technique as a set. In addition to mimicking traditional optical components such as mirrors and lenses, these devices can allow optical processing specific to angle and color.

3D 수퍼회절격자의 합성Synthesis of 3D Super Diffraction

3D 수퍼회절격자의 합성 방법은 2D 수퍼회절격자에 대해 전술한 그것과 매우 유사한 접근방식을 포함한다. 다만, 방정식들이 3차원 공간에서 서술되고 양자화 기법도 3차원 임펄스 응답 함수를 사용하여 양자화 오차를 분포시킨다.The synthesis method of the 3D superdiffraction grating includes an approach very similar to that described above for the 2D superdiffraction grating. However, equations are described in three-dimensional space, and the quantization technique also uses a three-dimensional impulse response function to distribute the quantization error.

2 또는 3차원 수퍼회절격자는 완전한 또는 불완전한 포토닉 밴드 갭(photonic band-gap; PBG)을 특징지우는 구조를 생성하도록 설계될 수 있다. 이는 소망하는 밴드 갭 안의 또는 근처에서 충분한 강도와 밀도를 가지고 갭을 생성하도록 스펙트럼 특징들을 가지는 임의의 BSG 설계 기법을 이용하여 회절격자를 설계함으로써 수행될 수 있다. 합성은 전체 적용가능한 영역을 포함시키거나, 또는 덮여서 더 넓은 영역을 커버하는 패턴을 생성하도록 더 작은 스케일로 적용될 수도 있다. 설계는 또한 감소된 해상도 요구를 허용하도록 더 고차의 합성 기법들을 이용할 수 있다.Two- or three-dimensional superdiffraction gratings can be designed to create structures that characterize complete or incomplete photonic band-gaps (PBGs). This can be done by designing the diffraction grating using any BSG design technique with spectral features to create a gap with sufficient intensity and density in or near the desired band gap. The synthesis may be applied on a smaller scale to cover the entire applicable area, or to create a pattern that covers and covers a wider area. The design may also use higher order synthesis techniques to allow for reduced resolution requirements.

완전한 포토닉 밴드 갭 물질은 그 전달방향에 무관하게 매체를 통해 전파할수 없는 주파수 범위를 보여주는 것이다. 이러한 매체의 응용처는 보고서에 의하면 많고 풍부하다. 몇 개의 예를 들면, 광학 필터와 공진기, 광학 방사 억제기 또는 증대기, (수퍼)프리즘 물질, 새로운 레이저 및 검출기 구조의 환경, 및 광 가이딩 및 배선을 위한 기판 등이 있다.A complete photonic band gap material shows a range of frequencies that cannot propagate through the medium, regardless of its direction of propagation. Applications of these media are reportedly plentiful and abundant. Some examples include optical filters and resonators, optical radiation suppressors or enhancers, (super) prismatic materials, environments of new laser and detector structures, and substrates for light guiding and wiring.

BSG 기반의 포토닉 밴드 갭은 통상의 PBG 물질에 비하여, 더 낮은 비굴절률차의 요구조건, 및 완화된 해상도 요구조건(양자 모두 광학 소자 및 제조 용이성과 더 높은 친화성을 이끌어낸다)을 포함하는 주된 장점을 제공한다.BSG-based photonic band gaps include lower specific refractive index requirements and relaxed resolution requirements (both lead to optical devices and ease of manufacture and higher affinity) compared to conventional PBG materials. It offers a major advantage.

최적화에 의한 수퍼회절격자의 합성Synthesis of Super Diffraction Grids by Optimization

1, 2 또는 3차원 변화 수퍼회절격자를 설계하는 일반적인 방법은 상술한 방법에 더해 다음과 같이 제시된다.A general method of designing a one, two or three dimensional change superdiffraction grating is presented as follows in addition to the method described above.

·첫 번째 합성 방법에 개시된 바와 같은 절차로 아날로그 프로파일을 생성한다(이 함수를 P라 함).Generate an analog profile by the procedure described in the first synthesis method (this function is called P).

·중요한 파장범위(들)(그 안에서는 스펙트럼 특징들이 보존된다)과 그 가중치를 결정하는 필터 H를 생성한다. H는 필수적으로 각 주파수에 대하여 가중치를 할당하는데, 높은 가중치는 낮은 가중치에 비해 스펙트럼 정보를 더 잘 보존한다. 필터 H는 다음 단계의 행렬 해를 구하게 하는 행렬 연산자의 형태로 쓰여질 수 있지만, 임펄스 응답 또는 극점-영점(pole-zero) 형태를 취할 수도 있다.Create a filter H that determines the critical wavelength range (s) (in which spectral features are preserved) and its weight. H essentially assigns weights to each frequency, with higher weights conserving spectral information better than lower weights. The filter H can be written in the form of a matrix operator that leads to a matrix solution of the next step, but can also take the form of an impulse response or a pole-zero.

·최적화 문제를 푼다:Solve optimization problems:

여기서 X는 BSG의 값들을 포함하는 벡터이고, V는 라그랑지 곱수(Lagrange multiplier)의 벡터, 그리고 L은 최적화를 위한 놈(norm)의 유형을 결정한다(L=2는, 예컨대 최소자승(least-square) 최적화에 대응된다). 라그랑지 곱수는 BSG 값들을 허용된 굴절률 값(nlow또는 nhigh)의 어느 하나로 강제하여 이진 형태를 이끌어낸다. 함수는 본 발명의 기술에 따라 다중치 수퍼회절격자를 허용하도록 변형될 수 있다.Where X is a vector containing the values of BSG, V is a vector of Lagrange multiplier, and L is the type of norm for optimization (L = 2 is, for example, least squares). -square)). The Lagrange product multiplies the BSG values to either of the allowed refractive index values (n low or n high ) to derive a binary form. The function can be modified to allow multivalued superdiffraction gratings in accordance with the techniques of the present invention.

최적화는 임의의 최적화 기법을 사용하여 수행될 수 있지만, 방정식의 행렬 성질 때문에 뉴톤-타입(Newton-type) 기법이 특히 유용하고 바람직하다.Optimization can be performed using any optimization technique, but Newton-type techniques are particularly useful and desirable because of the matrix nature of the equations.

이 접근방식은 대응되는 합성 기법에 의해 생성된 아날로그 프로파일을 취하고 유사한 최적화 절차를 수행함으로써 2D 및 3D 회절격자의 합성에 적용될 수 있는데, 최적화 절차에서 행렬 방정식은 차원을 고려하여 적절히 변형된다. 이는 2차원 회절격자의 행(row)들을 X 변수의 한 행 안으로 쌓고(stacking), P 변수에도 유사하게 하여, 대응하는 H 행렬을 합성함으로써 수행될 수 있다. H 행렬은 주어진 임펄스 응답 함수의 토플리츠 행렬(Toeplitz matrix)로서, 또는 다음을 포함하는 다른 기법을 가지고 생성될 수 있다:This approach can be applied to the synthesis of 2D and 3D diffraction gratings by taking analog profiles generated by corresponding synthesis techniques and performing similar optimization procedures, in which the matrix equations are properly transformed taking into account dimensions. This can be done by stacking the rows of the two-dimensional diffraction grating into one row of the X variable, and similarly to the P variable, to synthesize the corresponding H matrix. The H matrix can be generated as a Toeplitz matrix of a given impulse response function, or with other techniques, including:

hf를 공간주파수 f의 중요도 가중치를 나타내는 벡터라 하자. 그러면 H는 다음과 같이 주어진다:Let h f be a vector representing the importance weight of the spatial frequency f. H is then given by:

H = F-1diag(hf)FH = F -1 diag (h f ) F

여기서 n차원의 F는 다음과 같이 주어지는 푸리에 행렬이다:Where n-dimensional F is a Fourier matrix given by:

행렬 F에 의한 곱셈은 벡터의 푸리에 변환을 취하는 것과 동등하고, 연산은 고속 푸리에 변환(FFT) 기법을 이용함으로써 빨라질 수 있다. 이 사실은 이러한 종류의 H 필터에도 cost 함수와 그 n차 도함수 log(n)의 계산 속도를 높이기 위해 사용될 수 있다.Multiplication by the matrix F is equivalent to taking the Fourier transform of the vector, and the operation can be faster by using the Fast Fourier Transform (FFT) technique. This fact can be used for this type of H filter to speed up the computation of the cost function and its nth derivative, log (n).

다른 대안은 P와 X 변수 모두 그 푸리에 표현(F를 곱함으로써 생성된)을 감안함으로써 푸리에 영역에서 최적화를 수행하고, 그 동등성 제약을 적절히 변환하는 것이다:Another alternative is to perform optimizations in the Fourier domain by taking into account the Fourier representation (generated by multiplying F) for both P and X variables, and converting their equivalence constraints accordingly:

이 표현은및/또는 hf벡터들이 희소한 표현이 되도록 허용하여 계산 시간을 줄이는데 도움이 된다는 장점을 가질 수 있다.This expression And / or allowing h f vectors to be sparse representation, which helps to reduce computation time.

수퍼회절격자의 동조(tuning) 메커니즘Tuning Mechanism of the Super Diffuser

수퍼회절격자의 스펙트럼 특성은 유효 모드 굴절률에 변화를 만드는 임의의 메커니즘에 의해 시프트될 수 있다. 이는 전기광학(electro-optic), 압전(electro-strictive), 자기광학(magneto-optic), 전기변색(electrochromic), 및/또는 감광 매체가, 하나 또는 그 이상의 설계 파라미터가 전자적 제어를 이용하여 변형되는 것을 허용하는 소자의 부품으로서 존재한다면 달성될 수 있다. 대안으로서, 설계 파라미터의 하나 또는 그 이상의 변형은 온도의 변화, 기계적 스트레스의 인가, 및/또는 전체 소자 또는 부분의 조명을 이용하여 수행될 수도 있다.The spectral characteristics of the superdiffraction grating can be shifted by any mechanism that makes a change in the effective mode refractive index. This can be accomplished by electro-optic, electro-strictive, magneto-optic, electrochromic, and / or photosensitive media, where one or more design parameters are modified using electronic control. It can be achieved if it exists as part of a device that allows it to be. As an alternative, one or more modifications of the design parameters may be performed using changes in temperature, the application of mechanical stress, and / or illumination of the entire device or portion.

동조 메커니즘은 다음의 것들을 비한정적으로 포함할 수 있다: 즉, 열, 전기광학, 자기광학, 광제한적(opto-restrictive), 기계적 스트레인(외부적, 피에조, 정전기적, 정자기적, 음향적), 전류 주입, 광 조사, 액정, 재구성 분자, 화학적 반응, 및 기계적 전이.Tuning mechanisms may include, but are not limited to: thermal, electro-optical, magneto-optical, opto-restrictive, mechanical strain (external, piezo, electrostatic, electrostatic, acoustical), Current injection, light irradiation, liquid crystal, reconstituted molecules, chemical reactions, and mechanical transitions.

어떤 소자들에서는, 이득이 스펙트럼 특성 강도의 시프트 또는 변화에 대응하고, 다른 소자들에서는 이것을 넘어서는 기능성들이 출현한다. 어떤 경우에든, 본 특허 출원을 통틀어, 그리고 모든 소자에 대한 다음의 서술들에서, 정적인 수퍼회절격자를 채용하는 소자의 기능은 동조가능한 수퍼회절격자로 대체함으로써 훨씬 더 향상될 수 있다는 것은 절대적이다.In some devices, the gain corresponds to a shift or change in spectral characteristic intensity, and in others, functionalities appear beyond this. In any case, throughout this patent application and in the following descriptions of all devices, it is absolute that the function of a device employing a static superdiffraction grating can be further improved by replacing it with a tunable superdiffraction grating. .

프로그래머블 수퍼회절격자Programmable Super Diffuser

도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 프로그래머블 수퍼회절격자의 예시적인 실시예들이 도시되어 있다. 프로그래머블 수퍼회절격자는, 부분적으로, 전기적으로 어드레스 가능한 전극들을 적절한 매체와 함께 포함하고, 따라서 전극들은 매체 안에서 회절격자 패턴을 구축하는 소자이다. 회절격자 패턴은 프로그램 가능하거나, 동적이거나, 또는 고정되어 있을 수 있다. 회절격자 패턴은 유한 개수의 변조된 레벨들(예컨대 BSG의 경우 두 레벨, 수퍼회절격자를 위해서는 더 많은 레벨)을 활용하거나, 또는 연속적인 변조 레벨들을 활용한다.7A-7D, exemplary embodiments of a programmable superdiffraction grating are shown. The programmable superdiffraction grating comprises, in part, electrically addressable electrodes with a suitable medium, so that the electrodes are a device for building a diffraction grating pattern in the medium. The diffraction grating pattern can be programmable, dynamic or fixed. The diffraction grating pattern utilizes a finite number of modulated levels (eg two levels for BSG, more for a superdiffraction grating), or successive modulation levels.

다른 실시예(도 7a)는 하나 또는 그 이상의 도파로(7a3) 위에 위치한 MEMS(micor- electro- mechanical system) 핑거(7a2)의 어레이를 포함하고, 각 핑거는 BSG의 "비트"에 대응되고, 그래서 개별적으로 아래쪽으로 편향되어 도파로(7a2) 표면과 접촉할 수 있다. 교호적으로, "오프" 상태는 핑거와 도파로 간의 접촉에 대응되고, "온"은 위쪽으로 편향되어 도파로로부터 떨어져 있다. 어떤 경우라도, 도파로와 접촉한 상태는 일반적으로 더 높은 유효 굴절률을 초래할 것이고, 접촉이 없는 상태는 더 낮은 굴절률을 초래할 것이다. 바람직한 실시예는 오프-도파로 분리를 충분히 크게 하여 이 값의 미소한 오차가 더 낮은 유효 굴절률을 변화시키더라도 무시가능하게 함으로써 진정한 이진 동작을 촉진한다.Another embodiment (FIG. 7A) comprises an array of microelectromechanical system (MEMS) fingers 7a2 located above one or more waveguides 7a3, each finger corresponding to a “bit” of the BSG, and so on. Individually deflected downwards may contact the waveguide 7a2 surface. Alternately, the "off" state corresponds to the contact between the finger and the waveguide, and the "on" is deflected upward and away from the waveguide. In any case, the contact with the waveguide will generally result in a higher effective refractive index, and the absence of contact will result in a lower refractive index. The preferred embodiment facilitates true binary operation by making the off-waveguide separation sufficiently large so that even a small error of this value changes even lower effective refractive index.

또 다른 실시예는 도 7b에 도시된 바와 같이, 전파에 영향을 미치는 봉입된 액정들(7b2)(LCs) 위에 배치된 복수의 전극들을 포함한다. 네마틱 상에서 액정은 전압에 의해 동조되는 복굴절성을 띠고, 따라서 유효 굴절률을 동조하는 수단을 가지게 된다. 이 전압 의존성은 전형적으로 그 위에서는 굴절률 변화가 거의 또는 전혀 일어나지 않는 어떤 문턱 전압 Vt(네마틱 액정의 전 배향에 상응하는)를 가진다.V=0과 V>Vt의 전압제어를 채용하는 방법은, 전기장 가장자리와 같은 혼란 효과에 직면하더라도 진정한 이진 동작을 수행하게 해 준다.Another embodiment includes a plurality of electrodes disposed over the enclosed liquid crystals 7b2 (LCs) that affect propagation, as shown in FIG. 7B. Liquid crystals on the nematic phase are birefringent tuned by voltage, and thus have a means of tuning the effective refractive index. This voltage dependency typically has some threshold voltage V t (corresponding to the full orientation of the nematic liquid crystal), with little or no refractive index change thereon. Employing voltage control of V = 0 and V> V t The method allows for true binary operation even in the face of chaotic effects such as electric field edges.

순 및 역방향 비대칭 도파로 BSG 커플러Forward and Reverse Asymmetric Waveguides BSG Couplers

많은 좀더 복잡한 소자들중 두 기본적인 요소들에 대해 서술함으로써 시작하도록 한다. 즉, 순방향 및 역방향 비대칭 도파로 BSG 커플러이다. 이 요소들(참으로 그 자체가 소자일 수 있다) 빛을 하나의 도파로에서 다른 평행한 도파로로 소망의 스펙트럼 응답과 함께 커플링한다. 즉, 어느 주어진 파장에서 빛은 소망하는 위상과 함께 완전히, 부분적으로 커플링될 수 있거나, 또는 전혀 커플링되지 않을 수 있다. 일반적인 실시예, 도 7c는 유효 모드 굴절률 (neff)1및 (neff)2이 다르고, 따라서 다른 전파 벡터 k10)=2π(neff)10및 k20)=2π(neff)20(여기서 λ0는 자유공간 파장이다)를 가지는 두 평행한 비대칭 도파로를 포함한다. 유효 굴절률은 일반적으로 파장 λ0에 의존할 것이다. 전자적 구동기(7c3)로부터의 신호가 7c2로 지칭된 전극들에 인가되면 모드 분포를 변화시켜 커플링을 유도한다.Begin by describing two basic elements of many more complex devices. That is, the forward and reverse asymmetric waveguide BSG coupler. These elements (which can indeed be devices themselves) couple light with the desired spectral response from one waveguide to another parallel waveguide. That is, light at any given wavelength may be fully, partially coupled with the desired phase, or not coupled at all. 7C shows that the effective mode refractive indices (n eff ) 1 and (n eff ) 2 are different and thus different propagation vectors k 10 ) = 2π (n eff ) 1 / λ 0 and k 20 ) Two parallel asymmetric waveguides with 2π (n eff ) 2 / λ 0 where λ 0 is the free-space wavelength. The effective refractive index will generally depend on the wavelength λ 0 . When a signal from the electronic driver 7c3 is applied to the electrodes referred to as 7c2, the mode distribution is changed to induce coupling.

각각의 모드 프로파일이 오버랩된다면 빛은 한 도파로에서 다른 이웃하는 도파로로 순방향으로 커플링될 것이고, 이는 본래적인 커플링으로 알려져 있고 일반적으로 모든 입력 도파로에서 일어날 것이다. 본래적인 커플링은 BSG 향상 커플링의 맥락에서 기생적인 효과이고, 최적의 설계는 후자가 전자를 위축시킨다는 것을확실하게 하는 것을 추구한다. 이 조건은 도파로의 비대칭성(즉 (neff)1및 (neff)2간의 차이)이 증가할수록 만족되기 쉬워진다.If each mode profile overlaps, light will be forward coupled from one waveguide to another neighboring waveguide, which is known as inherent coupling and will generally occur at all input waveguides. Inherent coupling is a parasitic effect in the context of BSG enhanced coupling, and the optimal design seeks to ensure that the latter shrinks the former. This condition is likely to be satisfied as the waveguide asymmetry (ie, the difference between (n eff ) 1 and (n eff ) 2 ) increases.

순방향 비대칭 도파로 BSG 커플러Forward Asymmetric Waveguide BSG Coupler

도 8을 참조하면, 순방향 비대칭 도파로 BSG 커플러(80)가 도시되어 있다. 한 도파로(81)에서 이웃하는 도파로(82)로의 순방향 커플링(즉 모드 프로파일이 오버랩되는)은 만약 도파로들의 유효 굴절률이 공간주파수 Kg0)=k10)-k20)와 함께 섭동된다면 특정 파장 λ0에서 강화될 것이다. 이는, BSG(83)를 두 도파로 사이에 위치시키는 것, 또는 BSG들을 하나 또는 두 도파로에 가로로 구현하는 것, 그리고 전술한 것들을 비한정적으로 포함하여 임의의 BSG 실시예를 이용하여 달성될 수 있다. 임의의 스펙트럼 커플링 특성은 BSG(83)를 적절한 스펙트럼 Kg0)를 에뮬레이트하게 함으로써 달성된다.Referring to Figure 8, a forward asymmetric waveguide BSG coupler 80 is shown. Forward coupling from one waveguide 81 to a neighboring waveguide 82 (i.e., the mode profile overlaps) indicates that the effective refractive indices of the waveguides have a spatial frequency K g0 ) = k 10 ) -k 2 ( If perturbed with λ 0 ) it will be enhanced at a particular wavelength λ 0 . This can be accomplished using any BSG embodiment, including placing the BSG 83 between two waveguides, or translating the BSGs into one or two waveguides, and without limitation. . Any spectral coupling characteristic is achieved by having the BSG 83 emulate the appropriate spectrum K g0 ).

역방향 비대칭 도파로 BSG 커플러Reverse Asymmetric Waveguide BSG Coupler

도 9를 참조하면, 도파로들(91 및 92)을 커플링하는 역방향 비대칭 도파로 BSG 커플러(90)의 개략도가 도시되어 있다. 이 실시예에서 주어진 입력 파장 λ0에 대하여 만약 굴절률 섭동이 공간주파수 Kg0)=k10)+k20)를 대신에 포함하면 역방향 커플링은 일어날 것이다. BSG(93)는 관심 있는 전체 스펙트럼 대역을 통틀어 공간주파수 2k10) 및 2k20)로부터 자유로워야 하는데, 이는 이들이 각각의 도파로 내에서 후방반사를 만들어내고, 따라서 커플링 효율을 감소시키며 바라지 않은 후방반사를 일으킬 것이기 때문이다. 이 조건을 만족하기 위해서는 관심 파장 영역(들) 전체를 통틀어, 도파로간 커플링 및 도파로 내부의 커플링을 초래하는 회절격자 공간주파수들(Kg's) 간의 어떤 오버랩도 회피될 수 있도록 도파로의 비대칭성이 충분할 것이 요구된다. 이는 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다:Referring to FIG. 9, a schematic diagram of a reverse asymmetric waveguide BSG coupler 90 coupling waveguides 91 and 92 is shown. For a given input wavelength λ 0 in this embodiment the reverse coupling will occur if the refractive index perturbation instead includes the spatial frequency K g0 ) = k 10 ) + k 20 ). The BSG 93 should be free from the spatial frequencies 2k 10 ) and 2k 20 ) throughout the entire spectral band of interest, which creates back reflections within each waveguide, thus reducing coupling efficiency. This will reduce and cause unwanted back reflections. To satisfy this condition, any overlap between the diffraction grating spatial frequencies (K g 's), which results in coupling between the waveguides and coupling within the waveguide, throughout the wavelength region (s) of interest, can be avoided. It is required that asymmetry be sufficient. This can be expressed mathematically as:

k11)+k21)≠2k12) 및 k11)+k21)≠2k22)k 11 ) + k 21 ) ≠ 2 k 12 ) and k 11 ) + k 21 ) ≠ 2k 22 )

여기서 k1및 k2는 파장 의존적인 굴절률과 함께 먼저 정의되었고, λ1및 λ2는 관심 영역(들) 내에 있는 임의의 파장의 조합이다.Where k 1 and k 2 are defined first together with the wavelength dependent refractive index, and λ 1 and λ 2 are any combination of wavelengths within the region of interest.

만약 도파로들중의 어느 것이라도 다중 모드라면 다른 오버랩, 다시 말해 회절격자 주파수들의 범위 간에 소망한 그리고 소망하지 않은 커플링과 관련한(순방향 또는 역방향인지 여부) 오버랩들도 또한 회피되어야 한다.If any of the waveguides are multimode, other overlaps, i.e. overlaps with regard to desired and undesired coupling between the range of diffraction grating frequencies (whether forward or reverse), should also be avoided.

역방향 대칭 도파로 BSG 커플러Reverse Symmetric Waveguide BSG Coupler

도 10을 참조하면 역방향 대칭 도파로 BSG 커플러의 개략도가 도시되어 있다. 대칭적 BSG 역방향 커플러는 비대칭 역방향 커플러와 동일한 기능을 수행(프로그래머블, 동적 또는 정적)하지만 두 도파로들은 그들의 유효 굴절률에서 약하게 비대칭이거나 심지어 대칭이다. 따라서, 보통 도파로내 반사를 일으키기는 하지만,이전의 수식에서 표현되었던 한계점들을 초과할 수 있다. 아래에 요약된 방법은 도파로내 반사를 억제하면서 이웃하는 대칭적 도파로들 간의 효율적인 커플링이 가능하게 한다.Referring to FIG. 10, a schematic of a reverse symmetric waveguide BSG coupler is shown. The symmetrical BSG reverse coupler performs the same function as the asymmetrical reverse coupler (programmable, dynamic or static) but the two waveguides are weakly asymmetric or even symmetrical at their effective refractive index. Thus, although it usually causes in-waveguide reflections, it can exceed the limitations expressed in the previous equation. The method summarized below enables efficient coupling between neighboring symmetric waveguides while suppressing reflection in the waveguide.

이 소자는 두 도파로들(대칭적 또는 그렇지 않은)을 그 사이에 위치한 BSG(612)와 함께 포함한다. BSG는 필요에 따라 정적, 동조가능한, 또는 프로그래머블일 수 있다. 중간의 BSG와 동일하지만 반대로 대조되는(1들은 0들로 0들은 1들로 된) 두 개의 다른 BSG들(611 및 622)은 두 도파로들의 각 다른 쪽에 위치하여 그들은 대응하는 도파로에 관하여 중심 BSG 쪽으로 반사시킨다.This device includes two waveguides (symmetrical or not) with a BSG 612 located between them. The BSG can be static, tunable, or programmable as needed. Two other BSGs 611 and 622, which are identical to the middle BSG but contrasted in contrast (ones to zeros and zeros to ones), are located on each other side of the two waveguides so that they are towards the center BSG with respect to the corresponding waveguide. Reflect.

동작의 원리는 다음과 같다. m1을 도파로 1의 모드 프로파일이라 하고 m2를 도파로 2의 모드 프로파일이라 하자. 간략한 수식으로, 두 도파로에 관한 커플링 계수는 회절격자 강도에서 제1차로 쓰여진다:The principle of operation is as follows. as mode profile of the waveguide 1 to m 1 and m 2 Let mode profile of the waveguide 2. In short, the coupling coefficients for the two waveguides are written as the first order in the diffraction grating intensities:

여기서 G12는 중심의 회절격자이고 G11및 G22는 각각 도파로 1 및 2의 바깥쪽에 있는 회절격자이다. 두 번째 항은 두 개의 측면 회절격자는 반대되는 도파로로부터 매우 멀리에 있기 때문에 무시할 수 있다(좀더 엄밀하게는, 반대되는 도파로의 모드 프로파일은 이 영역에서 무시할 수 있다).Where G 12 is the center diffraction grating and G 11 and G 22 are the diffraction gratings outside of waveguides 1 and 2, respectively. The second term is negligible because the two lateral diffraction gratings are very far from the opposite waveguide (more precisely, the mode profile of the opposite waveguide can be ignored in this region).

그러나, 첫 번째 도파로로부터 그 자신으로의 커플링 계수(도파로 내부 반사에 대응된다)는 다음과 같다:However, the coupling coefficient from the first waveguide itself (corresponding to the waveguide internal reflection) is:

(왜냐하면 G11= -G22이고 대칭이므로)(Because G 11 = -G 22 and symmetry)

결과는 두 번째 도파로에서도 동일하다. 이렇게 지우기 위해 오직 필요한 가정은 두 도파로의 모드 프로파일이 기본적으로 대칭이고(그들의 도파에 대해, 반드시 서로 동일할 필요는 없다. 도파로 커플링은 일반적으로 최소한의 비대칭 요소를 야기한다는 점을 이해하여야 한다), 회절격자는 도파로에 대해 적절하게 대칭되게 배치되었다는 점이다. 이 지우기는 도파로의 유효 굴절률과 같은 많은 물질 파라미터와도, 이 물질 파라미터들이 독립적으로 변화할지라도, 독립적이다.The result is the same for the second waveguide. The only necessary assumption to make this clear is that the mode profiles of the two waveguides are basically symmetrical (for their waveguides, they do not necessarily have to be identical to each other. It should be understood that waveguide coupling generally results in the least asymmetrical element). The diffraction gratings are properly symmetrically arranged with respect to the waveguide. This erasure is independent of many material parameters, such as the effective refractive index of the waveguide, even if these material parameters change independently.

횡방향 도파로 변형예를 이용한 BSG 커플링BSG Coupling Using Transverse Waveguide Variation

BSG를 구현하는 이 특별한 실시예는, 후술하겠지만 다음과 같은 특정한 난해함 뿐만 아니라, 그 특별한 장점 때문에 여기서 특별한 취급을 받는다: 비대칭 도파로 커플링에서 각 도파로 내의 상대적인 BSG 강도를 특별히 감안한 최적 폭의 변동; 및 도파로 내부 반사를 최소화하기 위하여 대칭 도파로 커플러의 역대조(reverse-contrast) 회절격자를 어떻게 설계할 것인가.This particular embodiment of implementing the BSG is specially handled here for its particular advantages, as well as the following particular difficulties, as described below: variation in the optimum width, taking into account the relative BSG strength in each waveguide in asymmetric waveguide coupling; And how to design a reverse-contrast diffraction grating of a symmetric waveguide coupler to minimize internal reflection of the waveguide.

본 실시예의 장점들은 상술한 것들과 유사하다. 다만 이제 두 개(또는 그 이상)의 도파로가 있고 도파로의 정렬이 중요하다는 점에서 구별된다. 도파로와 BSG는 장점을 살리도록 서로 패터닝 및 식각될 수 있고, 따라서 제조를 간편하게 할 수 있으며, 나아가 도파로와 회절격자는 자동적으로 자기정렬되어 공차를 완화해줄 수 있다는 점을 알아야 한다.The advantages of this embodiment are similar to those described above. However, there are now two (or more) waveguides, and the alignment of the waveguides is important. It should be noted that the waveguide and BSG can be patterned and etched together to take advantage of the advantages, thus simplifying manufacturing, and furthermore, the waveguide and diffraction grating can be automatically self-aligned to mitigate tolerances.

BSG 크로스바 스위치BSG Crossbar Switch

도 11을 참조하면, 그리드 형상의 크로스바 스위치의 개략도가 도시되어 있다. 크로스바 스위치는 몇 개의 입력 도파로에서 몇 개의 출력 채널(통상 입력 도파로의 수와 매칭된다)로 파장 채널을 라우팅하는 소자이다. 크로스바 스위치는 일반적으로 어떤 입력 도파로로부터 어떠한 출력 도파로로 어떠한 파장에 대해서도 라우팅할 수 있어야 한다. 이러한 스위치는 전형적으로 N x N 형식으로 표기되는데, 여기서 N은 입력/출력 도파로의 수와 파장 채널의 수의 곱을 나타낸다. 예컨대, 4 입력 도파로, 4 출력 도파로, 그리고 도파로당 16 파장 채널이 있는 스위치는 64 x 64 스위치로 불리운다.Referring to Figure 11, a schematic diagram of a grid-shaped crossbar switch is shown. Crossbar switches are devices that route wavelength channels from several input waveguides to several output channels (typically matching the number of input waveguides). Crossbar switches should generally be able to route any wavelength from any input waveguide to any output waveguide. Such switches are typically denoted in the form of N x N, where N represents the product of the number of input / output waveguides and the number of wavelength channels. For example, a switch with four input waveguides, four output waveguides, and 16 wavelength channels per waveguide is called a 64 x 64 switch.

전통적인 크로스바 스위치는 그리드 형상을 사용하는데, 여기서 n 입력 도파로의 각각은 먼저 c 파장 채널로 디멀티플렉싱되어, 결과적으로 n×c 입력 "행"들이 n×c 출력 "열"들과 교차된다. 이 열들은 다시 멀티플렉싱되어 n 출력 도파로로 묶여 들어간다. 라우팅은 행과 열의 각 교차점에 위치하는 광학 스위치를 사용하여 이루어진다. 이러한 설계는 특별히 MEMS를 사용하여 각 스위치가 움직이는 거울을 이용하여 구현된다는 점에서 공통적이다. 분명히 이 구조는 (n×c)2의 스위칭 소자를을 필요로 한다.Traditional crossbar switches use a grid shape, where each of the n input waveguides is first demultiplexed into a c wavelength channel such that the n × c input “rows” intersect the n × c output “columns”. These columns are then multiplexed back into the n output waveguide. Routing is done using optical switches located at each intersection of rows and columns. This design is common in that each switch is implemented using a moving mirror, especially using MEMS. Clearly this structure requires a switching element of (n × c) 2 .

다른 구조는 2x2 스위치를 사용할 수 있다. 즉, 스위칭 소자에는 두 입력(I1및 I2)과 두 출력(O1및 O2)이 있고, I1과 O1및 I2와 O2, 또는 I1과 O2및 I2와 O1의 어느 것을 연결한다. 문제는 입력 광신호들이 모든 가능한 순열의 출력으로 재배열될 수 있도록 스위치들의 배열과 개수를 선택하는 데에 있다. 스위치의 개수를 결정하는 데에 요구되는 것이라고 우리가 언급할 수 있는 것은 (n×c)!의 가능한 입력의 순열이 존재하고 모든 2x2 스위치는 1 비트의 제어비트를 제공하므로 이렇게 말할 수 있다:Other architectures can use 2x2 switches. That is, the switching element has two inputs (I 1 and I 2 ) and two outputs (O 1 and O 2 ), and I 1 and O 1 and I 2 and O 2 , or I 1 and O 2 and I 2 and O Connect any of 1 . The problem lies in choosing the arrangement and number of switches so that the input optical signals can be rearranged to the output of all possible permutations. We can say that what is required to determine the number of switches is that since there is a permutation of possible inputs of (n × c)! And all 2x2 switches provide one bit of control bits:

O(log2(nc)!) = O((nc)log2(nc))O (log 2 (nc)!) = O ((nc) log 2 (nc))

2x2 스위치를 형성하는 데에 프로그래머블 BSG(예컨대, 전술한 동조가능한 순방향 또는 역방향 커플러)가 사용될 수 있다. 따라서, 각 BSG 스위칭 소자는 각 입력 파장에 독립적으로 2x2 기능을 제공할 수 있다. 이는 입력 파장들을 먼저 디멀티플렉싱할 필요를 없애고 필요한 스위치들의 수를 줄인다는 점에서 매우 유리하다:A programmable BSG (eg, the tunable forward or reverse coupler described above) can be used to form a 2x2 switch. Thus, each BSG switching element can provide a 2x2 function independently of each input wavelength. This is very advantageous in that it eliminates the need to demultiplex the input wavelengths first and reduces the number of switches needed:

스위칭 소자의 개수 = O(nlog2n)Number of switching elements = O (nlog 2 n)

여기서 n은 입력 도파로의 개수 만으로, 파장 채널의 개수 c와 전혀 무관하다(6 개의 스위칭 소자(120)를 활용한 4-광섬유 스위치의 일 실시예의 개략도를 도시한 도 12를 참조하라).Where n is only the number of input waveguides, and has nothing to do with the number of wavelength channels c (see FIG. 12, which shows a schematic diagram of one embodiment of a four-fiber switch utilizing six switching elements 120).

다른 실시예는 적층된 2x2 BSG 스위칭 소자를 사용할 수 있는데, 여기서 각 층은 n/2의 동일한 개수의 스위칭 소자들을 가지고, 여기서 n은 입력 도파로의 개수를 나타내고, 도파로 각각은 c 파장채널을 수반한다. 이 실시예에서 스위치들은다음과 같은 방식으로 서로 연결된다.Other embodiments may use stacked 2x2 BSG switching elements, where each layer has the same number of switching elements of n / 2, where n represents the number of input waveguides, each carrying a c wavelength channel. . In this embodiment, the switches are connected to each other in the following manner.

·도파로 w가 도파로 w+2l-1에 연결되도록 한다. 여기서, l은 층 번호(1부터 시작)이다.Ensure that the waveguide w is connected to the waveguide w + 2 l-1 . Where l is the floor number (starting at 1).

·2l= n 일 때 l=1로 설정하여 위 수식을 다시 사용한다(되감기).Rewrite (rewind) the above equation by setting l = 1 when 2 l = n.

이것은 오직 하나의 특별한 배선 기법이고 다른 많은 기법들이 특히 이진 스위칭 트리 설계에 관한 종래기술로부터 이끌어냄으로써 생각될 수 있다.This is only one special wiring technique and many other techniques can be thought of as drawing from the prior art, particularly with regard to binary switching tree design.

이러한 유형의 설계에서 채용된 스위칭 소자의 개수는 다음과 같이 주어진다:The number of switching elements employed in this type of design is given by:

여기서 ceil 함수는 그 인수보다 큰 가장 작은 정수를 생성한다.Here the ceil function produces the smallest integer greater than its argument.

이 설계 기법에 의해 생기는 절약은 막대할 수 있으며 표 1에 나타나 있다.The savings resulting from this design technique can be enormous and are shown in Table 1.

입력 도파로(n)Input waveguide (n) 입력당파장 채널(c)Wavelength channel per input (c) 스위칭 소자Switching element 그리드 설계Grid design 단일 파장적층 설계Single wavelength stack design 다파장적층 설계Multiwavelength Lamination Design 44 1616 256256 9696 66 66 3232 11521152 384384 1212 88 6464 40964096 10241024 1616

수퍼회절격자 경우의 스위칭 소자들의 수는 위의 수식에 의해 주어지지만, 그리드 설계의 경우에서 스위치의 수는 c·n2으로 특정되며, 적층 설계에서 단일 파장 스위치의 개수는 BSG 설계에서의 스위칭 소자들의 수에 c 배를 한 수가 된다.The number of switching elements in the case of superdiffraction grating is given by the above formula, but in the case of grid design the number of switches is specified as c · n 2 , and in the stacked design the number of single wavelength switches is the switching elements in the BSG design. C times the number of fields.

게다가, 프로그래머블 BSG를 이용한 실시예들은 멀티플렉서 및 디멀티플렉서에 대한 수요를 피할 수 있어 더욱 절감이 가능하다. 단일 파장 설계는 BSG 대신에 브래그 회절격자를 채용하는 순방향 및 역방향 커플러로 구현될 수 있다.In addition, embodiments using a programmable BSG can further reduce the need for multiplexers and demultiplexers. Single wavelength designs can be implemented with forward and reverse couplers employing Bragg diffraction gratings instead of BSGs.

광섬유에 BSG의 직접 배선Direct Wiring of BSG to Fiber Optics

다음은 강렬한 및/또는 고에너지 레이저 광으로 노광함으로써 그 굴절률 및/또는 유효 모드 굴절률이 바뀔 수 있는 광섬유 안에 BSG를 구현하는 기법에 대해 설명한다.The following describes a technique for implementing BSG in an optical fiber in which its refractive index and / or effective mode refractive index can be changed by exposure to intense and / or high energy laser light.

단일 광자(one-photon) 프로세스One-photon process

도 13을 참조하면 광섬유 안에 BSG를 구현하는 단일 광자 기법이 도시되어 있다. 이 실시예에서 이진 또는 다중 레벨 특징(굴절률 또는 유효 굴절률 변화, 제거, 손실 변조 등)을 채용한 회절격자는 감광 광섬유(13-1) 위에 스위칭 가능한 집속된 레이저 빔(13-10)을 이용해서 새겨진다. 여기서 레이저 빔은 광섬유가 레이저의 초점에 대해 일정한 또는 가변의 속도로 움직임에 따라, 화살표로 표시된 바와 같이, 회절격자 정보를 광섬유 상에 직접 새긴다. 다른 실시예에서는 광섬유가 정지해 있고 레이저 초점이 광섬유를 스캔하도록 조작된다.Referring to Figure 13, a single photon technique for implementing BSG in an optical fiber is shown. In this embodiment, the diffraction grating employing binary or multilevel features (refractive or effective refractive index change, elimination, loss modulation, etc.) uses a focused focused laser beam 13-10 over the photosensitive optical fiber 13-1. Engraved. Here the laser beam engraves the diffraction grating information directly on the optical fiber, as indicated by the arrow, as the optical fiber moves at a constant or variable speed relative to the laser's focus. In another embodiment, the optical fiber is stationary and the laser focus is manipulated to scan the optical fiber.

다중 광자(multi-photon) 프로세스Multi-photon process

도 14를 참조하면 광섬유 안에 BSG를 구현하는 다중 광자 소자(여기서는 2-광자)(140)가 도시되어 있다. 본 기법은, 2 또는 그 이상의 레이저 빔(144, 145)가 프로세스에 채용된다는 점, 정보(즉, 굴절률의 시프트)는 우선적으로 이 빔들의 교점(143)의 교집합 및/또는 구조적으로 간섭하는 곳에 새겨진다는 점을 제외하고는전술한 바와 유사하다. 이 실시예는 기반이 되는 감광 메커니즘이 강도 의존적인지 또는 에너지 의존적인지에 따라 장점을 제공한다. 전자의 경우에 N 빔(동일 진폭)의 구조적인 간섭은 단일 빔의 강도의 N2배가 되고, 후자의 경우에 빔들의 교차점에서만 집합적인 광에너지가 문제의 전이가 일어나기에 충분하도록 설정한다.Referring to FIG. 14, there is shown a multi-photon device (here two-photon) 140 implementing BSG in an optical fiber. This technique involves the fact that two or more laser beams 144, 145 are employed in the process, where the information (ie, shift in refractive index) preferentially intersects and / or structurally interferes with the intersection 143 of these beams. Similar to the above, except that it is engraved. This embodiment provides advantages depending on whether the underlying photosensitive mechanism is intensity dependent or energy dependent. In the former case the structural interference of the N beam (same amplitude) is N 2 times the intensity of the single beam, and in the latter case the collective light energy is set at only the intersection of the beams so that the transition of the problem occurs.

이 실시예는 정보가 새겨지는 광섬유의 영역에 대한 증대된 제어를 허용하고(예를 들면, 굴절률은 빔이 코어에 교차하도록 되었을 때 코어(141)에서만 바뀔 수 있다), 단일 광자 프로세서에서 요구되었던 것과 같은 외부 클래딩이 반드시 벗겨져야 할 필요는 없으므로 제조과정이 단순해진다.This embodiment allows increased control over the area of the fiber where information is engraved (e.g., the index of refraction can only change in the core 141 when the beam is allowed to cross the core) and has been required in a single photon processor. An external cladding such as this does not have to be stripped off, simplifying the manufacturing process.

다음은 이전의 설명에서의 수퍼회절격자와 모듈 요소의 소정 조합을 채용한 본 발명의 다른 실시예들에 대한 설명이다. 여기서 언급된 어떠한 BSG도 본 발명의 사상에 따라 좀더 일반적인 다중 레벨 수퍼회절격자 실시예로 대체될 수 있으며, 나아가 동조가능한 및/또는 프로그램 가능한 실시예들로 대체될 수 있음을 이해하여야 한다.The following is a description of other embodiments of the present invention employing certain combinations of superdiffraction gratings and module elements in the previous description. It should be understood that any of the BSGs mentioned herein may be replaced with more general multilevel superdiffraction embodiments in accordance with the teachings of the present invention, and furthermore may be replaced with tunable and / or programmable embodiments.

파장 디멀티플렉서Wavelength Demultiplexer

디멀티플렉서는 다파장(즉 다중 채널) 입력을 그 지정 채널로 분리한다. 이 디멀티플렉서 기능은 상세히는 후술하는 다양한 실시예의 BSG를 사용하여 달성될 수 있다.The demultiplexer separates the multiwavelength (ie multichannel) input into its designated channel. This demultiplexer function may be achieved using the BSG of various embodiments described in detail below.

본 발명의 사상에 따른 다중 레벨 수퍼회절격자는 불균일한 채널 간격(또는 임의의 다른 채널 간격 구조)을 가진 디멀티플렉서와 필터에 또한 적합하다. 본 발명의 이러한 디멀티플렉서 실시예의 장점은, 채널들이 광 주파수(에너지)의 관점에서 동등한 간격으로 될 때 생성되는 SRS(stimulated Raman scattering)와 같은 문제들을 효과적으로 경감해 준다는 것이 인식될 것이다.Multilevel superdiffraction gratings in accordance with the teachings of the present invention are also suitable for demultiplexers and filters having non-uniform channel spacing (or any other channel spacing structure). It will be appreciated that the advantages of this demultiplexer embodiment of the present invention effectively alleviate problems such as stimulated raman scattering (SRS) generated when channels are spaced at equal intervals in terms of optical frequency (energy).

1D 수퍼회절격자를 채용한 디멀티플렉서Demultiplexer with 1D Super Diffraction

도 15를 참조하면 1D BSG를 채용한 디멀티플렉서의 개략도가 도시되어 있다. 이 소자는, 부분적으로, 전술한 바와 같이, 역방향 및/또는 순방향 BSG 커플러(15-1 내지 15-3)를 이용하여 커플링된 도파로 세트를 포함하는데, 이는 특정의 입력 포트를 통해 소자로 입사하는 다파장 광을 그 파장 성분으로 분할하고 할당된 출력 포트를 통해 소자를 떠나도록 한다.Referring to FIG. 15, a schematic diagram of a demultiplexer employing 1D BSG is shown. This device, in part, as described above, comprises a set of waveguides coupled using reverse and / or forward BSG couplers 15-1 to 15-3, which enter the device through a particular input port. It splits the multiwavelength light into its wavelength components and leaves the device through its assigned output port.

본 실시예는, 개별적인 채널들이 추출될 때까지 연속하여 채널들을 두 개의 서브 대역으로 나누는 BSG의 순방향 및 역방향의 직렬 연결, 및 개별적인 채널들이 그들의 각 출력 도파로로 향하게 하는 경사진 단일 채널 회절격자들의 시퀀스를 포함한다.This embodiment is a forward and reverse serial connection of the BSG that divides the channels into two subbands in sequence until the individual channels are extracted, and a sequence of sloped single channel diffraction gratings that direct the individual channels to their respective output waveguides. It includes.

2D 수퍼회절격자를 채용한 디멀티플렉서Demultiplexer with 2D Super Diffraction

이 실시예는 도 16에 도시된 바와 같이, 2D BSG를 포함하는데, 이는 특정의 입력 포트를 통해 소자로 입사하는 다파장 광을 그 파장 성분으로 분할하고 할당된 출력 포트를 통해 소자를 떠나도록 한다.This embodiment includes a 2D BSG, as shown in FIG. 16, which splits the multiwavelength light incident on the device through a particular input port into its wavelength component and leaves the device through its assigned output port. .

애드/드롭(add/drop) 필터Add / drop filter

이 실시예에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 광학 애드/드롭 필터는 다중 파장채널 입력을 받아들이는 "입력" 포트(171), "입력" 스트림으로부터 분리해낼 하나 또는 그 이상의 채널이 라우팅되는 "드롭" 포트(172), 및 나머지 채널들이 빠져나가는 "통과" 포트(174)를 포함하는 광학 소자(170)이다. 부가적인 "추가" 포트가 있을 수 있는데, 이는 파장채널이 "입력" 스트림으로부터 드롭되는 곳에서 입력을 받아들이고 라우팅하여 "통과" 출력으로 보낸다.In this embodiment, as shown in FIG. 17, the optical add / drop filter includes an " input " port 171 that accepts multiple wavelength channel inputs, " routed " one or more channels to be separated from the " input " stream. Optical element 170 including a "drop" port 172 and a "pass" port 174 through which the remaining channels exit. There may be additional "extra" ports, which accept and route input to the "pass" output where the wavelength channel is dropped from the "input" stream.

정적 애드/드롭 필터Static add / drop filter

도 18을 참조하면, 하나 또는 그 이상의 2D BSG 및/또는 역방향 커플링된 한 세트의 도파로, 및/또는 순방향 BSG 커플러를 포함하는 본 발명의 광학소자 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 특정의 입력("입력") 포트(181)을 통해 소자로 입사하는 광의 하나 또는 그 이상의 파장 성분은 분리되고 특정 출력("드롭") 포트(184)를 통해 소자를 떠난다. 입력 광의 나머지는 다른 출력("통과") 포트(182)를 통해 소자를 떠난다. 부가적으로, 이 소자는, 그 포트를 통해 특정의 또는 모든 파장 성분들이 소자로 들어오는 속성을 가진 추가적인 입력("추가") 포트(183)를 포함할 수 있는데, 또한 들어온 빛은 "통과" 포트(182)를 통해 떠남으로써 "입력" 포트로부터 라우팅된 빛에 더해진다.Referring to FIG. 18, there is shown an optical device embodiment of the present invention that includes one or more 2D BSG and / or a reversely coupled set of waveguides and / or forward BSG couplers. In this embodiment, one or more wavelength components of light entering the device through a particular input (“input”) port 181 are separated and leave the device through a particular output (“drop”) port 184. The remainder of the input light leaves the device through another output ("pass") port 182. Additionally, the device may include an additional input (“additional”) port 183 having the property that certain or all wavelength components enter the device through the port, and the incoming light may also be a “pass” port. Leaving through 182 adds to the light routed from the "input" port.

계속해서 도 18을 참조하면, BSG 1은 입력 λ의 부분집합을 도파로 A에서 도파로 B로 커플링한다. BSG 2는 제1부분집합의 부분집합을 B에서 C로 커플링한다. 이 과정은 소망하는 파장(들) 만이 드롭 도파로에 남을 때까지 계속된다. BSG 1 및 BSG 2는 본래적인 동조범위 Δλ/λ≒Δn/n을 넘는 범위에서 소망하는 λ를 선택하도록 동조될 수 있음을 알아야 한다. 나아가서 다른 실시예에서 역방향 커플링이 채용될 수 있음도 물론이다. 본 실시예에서 추가 포트(183)는 유사한 버니어(Vernier) 접근방식을 통해 λ선택적으로 만들어질 수 있다.18, BSG 1 couples a subset of the input lambda from waveguide A to waveguide B. BSG 2 couples a subset of the first subset from B to C. This process continues until only the desired wavelength (s) remain in the drop waveguide. It should be noted that BSG 1 and BSG 2 can be tuned to select the desired λ in the range beyond the original tuning range Δλ / λ ≒ Δn / n. Furthermore, of course, reverse coupling may be employed in other embodiments. In this embodiment the additional port 183 can be made lambda selectively via a similar Vernier approach.

동적 애드/드롭 필터Dynamic add / drop filter

도 19를 참조하면, 다음과 같은 요소들을 포함하는 광학소자 실시예(190)가 도시되어 있다. 즉, 이 광학소자는 하나 또는 그 이상의 2D BSG, 및/또는 동조가능한 또는 고정된 역방향 및/또는 순방향 BSG 커플러를 사용하여 커플링되어 정적 BSG 애드/드롭 필터와 동일한 기능을 달성하지만, 추가적으로 "입력" 포트에서 "드롭" 포트로 방향지워진 파장(들) 및/또는 "추가" 포트로부터 "통과" 포트로 방향지워진 파장(들)이 외부 제어 신호에 의해 제어가능한 한 세트의 도파로를 포함한다.Referring to FIG. 19, there is shown an optical device embodiment 190 that includes the following elements. That is, the optics are coupled using one or more 2D BSG, and / or tunable or fixed reverse and / or forward BSG couplers to achieve the same functionality as a static BSG add / drop filter, but additionally “input” The wavelength (s) directed from the "port" to the "drop" port and / or the wavelength (s) directed from the "additional" port to the "pass" port comprise a set of waveguides controllable by an external control signal.

본 실시예는 굴절률 동조를 통해 억세스 가능한 스펙트럼상의 시프트는 종종 전체 원하는 동조범위보다 훨씬 적다는 사실에 동기를 둔 설계로서, 버니어 동조원리를 사용하고 있다. 다채널 입력은 하나의 도파로를 따라 들어오고, 빛은 다중 피크(피크 간격은 일반적으로 가용 동조범위보다 적다) 동조가능한 BSG에 의해 인접한 도파로로 커플링된다. 후속하는 동조가능한 BSG(일반적으로 다른 간격을 가진다중 피크 또한 이 간격이 가용한 동조범위보다 적다)는 이 채널들의 첫 번째 집합의 부분집합을 세 번째 도파로로 커플링한다. 이 솎아내기(decimation) 과정은 소망에 따라 계속할 수 있고, BSG는 서로 상대적으로 드롭하길 바라는 채널(들)에 맞추어 독립적으로 동조된다. 채널 선택 범위는 따라서 가용한 굴절률 동조 스펙트럼 시프트를 크게 초과할 수도 있다. BSG의 동일한 집합이 두 번째 입력에서 드롭된 채널들을 추가하기 위해 도 18에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다.This embodiment uses the vernier tuning principle as a design motivated by the fact that spectral shifts accessible through refractive index tuning are often much less than the overall desired tuning range. The multichannel inputs enter one waveguide, and light is coupled to adjacent waveguides by multiple peaks (peak spacing generally less than the available tuning range) tunable BSG. Subsequent tunable BSGs (typically with different spacing peaks, which are less than the tuning range available) couple a subset of the first set of these channels to a third waveguide. This decimation process can continue as desired and the BSGs are independently tuned to the channel (s) they wish to drop relative to each other. The channel selection range may thus greatly exceed the available refractive index tuned spectral shifts. The same set of BSGs can be used as shown in FIG. 18 to add the dropped channels at the second input.

다른 실시예는 프로그래머블 BSG를 사용하여 도 19에 도시된 것과 같은 구조가 되게 하여 입력 채널들의 어떠한 부분집합일지라도 동적으로 추가 및 드롭할 수 있다.Another embodiment may employ a programmable BSG to have a structure as shown in FIG. 19 to dynamically add and drop any subset of the input channels.

파장 안정도 모니터Wavelength stability monitor

광학 네트워크는 기능상 채널파장들이 그들의 기본값(nominal value)의 어떤 범위 내에 머물 것을 요구한다. 표류(drifting)는 여러 가지 요소에 의해 일어나는데, 환경조건의 변화, 소자 노화, 및 기계적 혼란을 포함한다.Optical networks functionally require channel wavelengths to stay within some range of their nominal value. Drifting is caused by a number of factors, including changes in environmental conditions, device aging, and mechanical disruption.

파장 표류는, 본 발명의 사상에 따라 도 20a에 도시된 바와 같이, 1D 수퍼회절격자를 이용하여 모니터링될 수 있다. 경사진 1D 회절격자(20a3)에 주어진 입사각을 가지고 입사한 광은 특정 출사각으로만 회절될 것이지만, 중심 피크 반사율파장에서 디튠(detune)된 경우는 실제로 각도에서 디튠되고 회절효율도 감소할 것이다.Wavelength drift can be monitored using a 1D superdiffraction grating, as shown in FIG. 20A in accordance with the teachings of the present invention. Light incident at a given angle of incidence on the inclined 1D diffraction grating 20a3 will be diffracted only at a particular exit angle, but if detuned at the central peak reflectance wavelength will actually detune at an angle and reduce diffraction efficiency.

이러한 반응은 파장 시프트를 검출하는 데에 사용될 수 있다. 아니면, 파장이 정상이라고 가정하면, 소자 특성에서의 시프트는 다양한 메커니즘(예컨대 온도 조절)을 통해 보상될 수 있다. 일실시예에서, 소망하는 중심 파장의 회절 경로(20a2)를 따라 대칭적으로 배열된 광검출기 어레이(20a4)가 파장 시프트를 검출하는 데에 사용될 수 있다. 이 구성에서 국부적인 파장이 원하는 값과 일치한다면 각각으로부터의 신호는 일치할 것이다(보통 회절 효율은 계획적으로 낮을 것이고, 따라서 대부분의 파워는 벗어나지 않고 통과할 것이라는 점을 주목하라). 그러면 국부적인 파장에서의 편차는 광검출기(20a4)의 상대값의 변화로 나타나고 대수적 감산 처리기(20a5)(다른 더 민감한 수단이 채용될 수 있다)를 통과하면서 모니터링 될 수 있다.This reaction can be used to detect wavelength shifts. Or, assuming that the wavelength is normal, the shift in device characteristics can be compensated for through various mechanisms (such as temperature control). In one embodiment, photodetector arrays 20a4 symmetrically arranged along the diffraction path 20a2 of the desired center wavelength may be used to detect wavelength shifts. In this configuration, if the local wavelength matches the desired value, the signals from each will match (note that usually the diffraction efficiency will be intentionally low, so most of the power will pass through). The deviation in the local wavelength then appears as a change in the relative value of the photodetector 20a4 and can be monitored as it passes through the logarithmic subtraction processor 20a5 (other more sensitive means may be employed).

유사하게, 다른 실시예는 도 20b에 도시된 바와 같이, 2D BSG(20b4)를 가지고 구현될 수 있는데, 이 2D BSG는 회절된 빛을 검출기(20b3)로 포커싱하고, 및/또는 여러 채널들의 파장에서의 표류를 동시적으로 검출하거나, 또는 도 20c에 도시된 바와 같이, 두 횡방향에서 대칭적 회절을 유도할, 도파로(20c2)를 따라 식각된 의사-1D(즉, 점원) 속성(20c3)의 시퀀스를 가지고 구현될 수 있다(검출과 처리는 유닛 20c3 및 20c4에서 이루어진다). 산란광의 수집의 최적화를 위해 선택적으로 거울의 일면이 식각될 수 있다.Similarly, another embodiment may be implemented with 2D BSG 20b4, as shown in FIG. 20B, which focuses diffracted light onto detector 20b3 and / or wavelengths of various channels. Pseudo-1D (i.e. point source) attribute 20c3 etched along waveguide 20c2, which will simultaneously detect drift in or induce symmetrical diffraction in both transverse directions, as shown in FIG. 20C. It can be implemented with a sequence of (detection and processing take place in units 20c3 and 20c4). One side of the mirror may optionally be etched to optimize the collection of scattered light.

분기기(Tap-off) 네트워크 모니터Tap-off network monitor

동적 재구성 채널 할당("파장 감시")을 위해, 네트워크는 채널 사용량을 피드백할 것을 요구하고, 이러한 재구성 가능성은 특히 대도시 광 네트워크(MONs)에 필요하다.For dynamic reconfiguration channel assignment (“wavelength monitoring”), the network requires feedback of channel usage, and this reconfigurability is particularly necessary for metropolitan optical networks (MONs).

네트워크 모니터링은 본 발명의 사상에 따라(도 21은 2D 네트워크 모니터의 실시예) 입력광의 일부(전형적으로 설계상 작다)를 떼어내어 분리하고 이를 개별 채널로 보내는 곳에 1-D 또는 2-D 수퍼회절격자를 이용하여 수행될 수 있다. 분리된 채널은 검출기 어레이(212) 상에 집속되는데, 여기서 그 파워가 측정되고 정보가 단일 전기적 신호로 변환된다. 이 신호는 프로세서(214)에 의해 처리될 수 있고 대도시 네터워크 내의 모니터링 기지(미도시)로 전기 네트워크를 통해 전송되어, 파장 감시를 용이하게 하는 진단 데이터를 제공하거나, 네트워크의 문제(예컨대 채널이 파워를 손실하고 있는 곳을 보여주는 등)를 파악하는 데, 부하 통계를 내는 데, 그리고 결함 공차를 측정하는 데에 도움을 준다.Network monitoring is a 1-D or 2-D superdiffraction where a portion of the input light (typically small in design) is removed, separated and sent to separate channels in accordance with the spirit of the present invention (FIG. 21 is an embodiment of a 2D network monitor). This can be done using a grid. Separated channels are focused on detector array 212, where the power is measured and information is converted into a single electrical signal. This signal may be processed by the processor 214 and transmitted over an electrical network to a monitoring base (not shown) in a metropolitan network to provide diagnostic data to facilitate wavelength monitoring, or to troubleshoot To show where you are losing power, to generate load statistics, and to measure fault tolerances.

다파장 등화기 및 이득 평활화 필터Multiwavelength Equalizer and Gain Smoothing Filter

최적화된 기능을 위해 광학 네트워크는 일반적으로 파장채널이 균형잡힌 파워를 가질 것을 요구한다. 밸런싱은 전형적으로 증폭단계 내에서 또는 증폭단계에 이어서 나타나고, 각각 대응하여 "이득 평활화" 또는 "등화"로 불리워진다. 파워 밸런싱 소자는 부가적으로 광증폭기 내의 펌프 파장과 같은 바람직하지 않은 신호를 억제하는 기능을 할 수 있다.For optimized functionality, optical networks typically require wavelength channels to have balanced power. Balancing typically occurs within or following the amplification step, and is correspondingly called "gain smoothing" or "equalization", respectively. The power balancing element may additionally function to suppress undesirable signals such as pump wavelengths in the optical amplifier.

동적 다파장 등화기Dynamic multiwavelength equalizer

이 등화기 실시예에서, 동적 등화는 입력 파장들을, 채널들을 분리하고 그 각각의 파워 레벨을 감시하는(파워 대 파장의 곡선을 보여주는 도 22b 참조) 분기기 네트워크 모니터(도 22a)를 통해 라우팅함으로써 달성될 수 있다. 신호들은 전자적 프로세서로 전달되고, 그 출력은 본 발명의 사상에 따라 BSG의 시퀀스를 동조(또는 프로그램)하고, 예컨대 다양한 파장 대역에서 파워를 제거함으로써 채널들에 걸쳐 파워를 등화한다. 도 22c는 파장의 함수로서 제거되는 파워의 예를 보여준다. 파장 파워를 잘라내기 위한 적절한 방법들은 BSG를 이용하여 입력 채널들을 출력 도파로로 낮은 효율로 커플링하거나 BSG를 사용하여 더 높은 산란손실을 부과하는 것을 포함한다. 도 22d는 한 세트의 파장 대역에서 적절한 양의 파워를 빼서 실질적으로 각 대역에서 동등한 파워를 생성하는 결과를 보여준다.In this equalizer embodiment, dynamic equalization is accomplished by routing the input wavelengths through a branch network monitor (FIG. 22A) that separates the channels and monitors their respective power levels (see FIG. 22B showing the curve of power versus wavelength). Can be achieved. The signals are passed to an electronic processor, the output of which equalizes power over the channels by tuning (or programming) the sequence of BSGs and removing power in various wavelength bands, for example. 22C shows an example of power removed as a function of wavelength. Suitable methods for cutting wavelength power include using BSG to couple input channels to the output waveguide at low efficiency or using BSG to impose higher scattering losses. 22D shows the result of subtracting an appropriate amount of power from one set of wavelength bands to produce substantially equivalent power in each band.

일실시예는 등화에 요구되는 손실 스펙트럼을 이루도록 독립적으로 동조될 수 있는 "기저 함수(basis functions)"를 포함하는 BSG들의 직렬연결을 채용하는데, 적절한 기저함수는 서로 상대적으로 시프트될 수 있는 계단-유사 스펙트럼을 포함한다.One embodiment employs a series of BSGs including "basis functions" that can be tuned independently to achieve the loss spectrum required for equalization, with the appropriate base functions being a step-shift that can be shifted relative to each other. Includes similar spectra

이득 평활화된 광증폭기Gain smoothed optical amplifier

도 23은 다른 채널 밸런싱 실시예를 도시한다. 이 실시예에서 이득 스펙트럼을 원하는 모양으로 형상짓는 BSG(23-1)(도 23a)가 증폭기 내에 직접 통합된다. 이득 스펙트럼(도 23b에서 섭동되지 않은 것으로 도시됨)은 아마도 증폭에 따르는 파장 의존적 손실을 예상하고 평활화되거나, 다른 임의의 프로파일에 맞추어질 수 있다. 도 23c는 도 23b의 이득 스펙트럼에 매칭된 손실계수 스펙트럼을 보여준다. 도 23d는 결합된 이득계수 스펙트럼을 보여주는 것으로, 매체의 이득과 그에 부과된 손실을 결합한 것이다. 본 실시예는 전형적인 증폭후 등화에 비해 훨씬 큰 효율을 제공한다는 것을 알아야 하는데, 이는 이득계수(증폭기 내에서 단위 길이당 이득)를 평활화 하는 것이 증폭후 이득 평활화보다 훨씬 더 전력소비가 적다는 인식에 따른 결과이다.23 illustrates another channel balancing embodiment. In this embodiment the BSG 23-1 (FIG. 23A), which shapes the gain spectrum into the desired shape, is integrated directly into the amplifier. The gain spectrum (not shown as not perturbed in FIG. 23B) may be smoothed and possibly tailored to any other profile in anticipation of wavelength dependent losses following amplification. FIG. 23C shows a loss factor spectrum matched to the gain spectrum of FIG. 23B. Figure 23d shows the combined gain factor spectrum, which combines the gain of the medium with the losses imposed on it. It should be noted that this embodiment provides much greater efficiency than typical post-amplification equalization, which is useful in recognizing that smoothing the gain coefficient (gain per unit length in the amplifier) is much less power consuming than post-amplification gain smoothing. Result.

본 발명의 사상에 따른 이득 평활화는, 동조가능한 레이저와 같은 다파장 광원 뿐만 아니라, 라만(Raman) 증폭기, 어븀 도핑된 광섬유 증폭기(EDFA), 및 반도체 광증폭기(SOA)를 포함하는 어떠한 광증폭기에도 적용될 수 있다.Gain smoothing in accordance with the teachings of the present invention is applicable to any optical amplifier, including Raman amplifiers, erbium doped fiber amplifiers (EDFAs), and semiconductor optical amplifiers (SOAs), as well as multi-wavelength light sources such as tunable lasers. Can be applied.

이득 평활화는 효율성을 증진시킬 뿐만 아니라, 특히 본래적인 이득 스펙트럼이 강한 피크를 가질 때 증폭기 대역폭을 엄청나게 확장할 수 있다. 이는 특히 그 대역폭이 너무 좁아 이득을 매우 적은(대개 한) 채널에만 제공하는 반도체 광증폭기(SOA)에 유효하다.Gain smoothing not only improves efficiency, but also greatly expands the amplifier bandwidth, especially when the original gain spectrum has a strong peak. This is especially true for semiconductor optical amplifiers (SOAs) where the bandwidth is too narrow to provide only a very small (usually) gain.

람다 라우터(Lambda router)Lambda router

람다 라우터-또한 파장 라우터로도 불린다- 또는 광학 크로스 커넥트(cross-connect)는. 파장(들)을 특정 광섬유 입력측에서 다른 특정 광섬유 출력측으로 라우팅하는 네트워크의 연결점에 위치하는 소자들이다. 람다 라우터는 일반적으로NxN 소자(즉, N 입력 광섬유와 N 출력 광섬유가 있다)이고, 전형적으로 각 입력 광섬유는 단일 파장 채널을 전달한다.Lambda routers-also called wavelength routers-or optical cross-connects. Devices located at the junction of a network that route wavelength (s) from one fiber-optic input side to another. Lambda routers are typically NxN devices (ie, there are N input fibers and N output fibers), and typically each input fiber carries a single wavelength channel.

본 발명의 람다 라우팅 실시예에서, 람다 라우팅은 도 24a 및 도 24b(즉, 도파로당 한 채널)에 도시된 바와 같이, 디멀티플렉싱된 입력을 BSG 기반 소자로부터 도파로 어레이로 커플링함으로써 수행될 수 있다. 도 24a 및 도 24b는 하나의 입력/출력 광섬유가 있을 때의 람다 라우터와 다중 입력 및 출력 광섬유가 있을 때의 크로스바 스위치들을 표현한 것이라는 점을 주의하여야 한다.In the lambda routing embodiment of the present invention, lambda routing may be performed by coupling the demultiplexed input from the BSG based device to the waveguide array, as shown in FIGS. 24A and 24B (ie, one channel per waveguide). . It should be noted that Figures 24A and 24B represent lambda routers when there is one input / output fiber and crossbar switches when there are multiple input and output fiber.

두 번째 도파로 어레이가 첫 번째 집합의 아래에 존재하고, 위쪽 도파로와 아래쪽 도파로의 각 쌍은 채널파장에 중심이 위치한 플랫탑 스펙트럼을 가진 BSG에 의해 분리된다(즉, 순방향 또는 역방향 커플링). 크로스바 동작(즉, 한 도파로 상의 채널광을 다른 도파로로 커플링하는 것, 그 반대, 또는 동일한 도파로 내에 머물게 하는 것)은 BSG를 채널파장과 정렬상태에 있도록 또는 정렬상태로부터 벗어나도록 국부적으로 동조함으로써 달성된다.A second waveguide array is below the first set, and each pair of top waveguides and bottom waveguides is separated by a BSG with a flat top spectrum centered at the channel wavelength (ie, forward or reverse coupling). Crossbar operation (i.e., coupling channel light on one waveguide to the other waveguide, vice versa, or staying in the same waveguide) is achieved by locally tuning the BSG to be in alignment with or away from the alignment of the channel wavelength. Is achieved.

도 24b에서, 그리드 형상 라우터는 왼쪽에서 다중화된 입력을 받는데, 하부 도파로 내의 채널 상에 하나 이상의 입사파장을 갖는다. 각 교차점에서 대역통과 BSG가 특정한 채널에 있는 파장들을 도면에서 수직하게 뻗은 상부 도파로 내의 도파로로 커플링한다. 결과는 λi,j(i번째 도파로에 들어온 j번째 채널의 파장을 가지는 파장 람다)가 다른 입력에서 온 동일한 채널의 방사와 결합된다.In FIG. 24B, the grid-shaped router receives multiplexed inputs on the left side, with one or more incident wavelengths on the channel in the lower waveguide. At each intersection, a bandpass BSG couples the wavelengths in a particular channel into the waveguide in the upper waveguide that extends vertically in the figure. The result is that λ i, j (wavelength lambda with the wavelength of the jth channel entering the ith waveguide) is combined with radiation of the same channel from the other input.

도 12에 도시된 것과 동일한 토폴로지를 가지는 도 24a는 동일한 결과를 얻기 위한 더 효율적인 배열이다.FIG. 24A with the same topology as shown in FIG. 12 is a more efficient arrangement for obtaining the same result.

분산-구배(dispersion-slope) 보상기Dispersion-slope compensator

광학 네트워크는 일반적으로, 특히 긴 전송거리와 높은 비트율이 개재되는 경우에, 분산이라는 속성과 싸워왔다. 분산은 유효 굴절률의 파장 의존성에서 기인하고, 이는 다시 광섬유의 주어진 유형과 길이에 따른 파장 의존적인 그룹 지연 스펙트럼을 생성한다. 광학 펄스의 이 스펙트럼은 필연적으로 폭이 유한하고(즉, 0이 아닌 값), 따라서 다양한 파장 성분들이 약간씩 다른 속도로 진행할 것이므로, 분산은 광섬유를 따라 진행하는 펄스로서 퍼져나간다.Optical networks generally have struggled with the property of dispersion, especially when interfering with long transmission distances and high bit rates. Dispersion is due to the wavelength dependence of the effective refractive index, which in turn creates a wavelength dependent group delay spectrum for a given type and length of optical fiber. This spectrum of optical pulses is inevitably finite in width (ie, non-zero), and therefore the dispersion spreads as a pulse traveling along the optical fiber since the various wavelength components will progress at slightly different rates.

분산 보상은 브래그(Bragg) 회절격자를 "처핑(chirping)"함으로써 수행될 수 있다. 즉, 도 25에 도시된 바와 같이, 길이(z)를 따라서 회절격자의 피치를 변조한다. 도 25a는 처핑된 회절격자가 순환기(circulator)와 결합된 실시예를 도시한다. 방사는 회절격자 쪽으로 방향지워지고 처리되고 순환기로 되돌아온다. 도 25b는 전달형 광섬유 설계를 도시한다. 도 25c는 회절격자가 두 광섬유를 커플링하면서 처핑을 수행하는 역방향 BSG를 도시한다. 도 25d는 순방향 설계를 도시한다. 이러한 설계들은 원하는 그룹 지연 스펙트럼에 맞춰질 수 있는 파장 의존적인 위상 스펙트럼을 만든다: τg= -dφ/dω. 그러면 주어진 자유공간 파장 λ0에서의 지연은 왕복 거리로부터 국부적 피치가 λ0를 브래그 파장으로서 가지는 곳을 따라 간다: τg0) = 2neffz(λ0), 여기서 z(λ0)는 Λ(z) = λ0/2neff가 되는 공간좌표이다.Dispersion compensation can be performed by "chirping" the Bragg diffraction grating. That is, as shown in FIG. 25, the pitch of the diffraction grating is modulated along the length z. FIG. 25A illustrates an embodiment in which a chirped diffraction grating is coupled with a circulator. The radiation is directed towards the diffraction grating, processed and returned to the circulator. 25B shows a delivery optical fiber design. FIG. 25C shows a reverse BSG in which the diffraction grating performs chipping while coupling two optical fibers. 25D shows the forward design. These designs produce a wavelength dependent phase spectrum that can be tailored to the desired group delay spectrum: τ g = -dφ / dω. The delay at a given free space wavelength λ 0 then follows from the round trip distance where the local pitch has λ 0 as the Bragg wavelength: τ g0 ) = 2n eff z (λ 0 ), where z (λ 0 ) Is the spatial coordinate where Λ (z) = λ 0 / 2n eff .

본 발명의 분산 실시예는 그룹 지연 스펙트럼 τg0)(회절격자가 부과된 지연은 물론 입력에서의 그것과 반대이다)로부터 유도되는 이상적인(아날로그) 입력 처핑 함수를 결정하는 것에서 시작한다. 이상적인 아날로그 프로파일은 양자화 필터에 입력되어 원하는 위상 특성을 모방하는 이진 프로파일이 생성된다. 양자화 필터는 위상 노이즈의 최소화를 위해 더욱 최적화될 수 있다.The distributed embodiment of the present invention begins by determining the ideal (analog) input chirping function derived from the group delay spectrum τ g0 ) (as opposed to the delay imposed by the diffraction grating). The ideal analog profile is input to a quantization filter to create a binary profile that mimics the desired phase characteristics. The quantization filter can be further optimized for minimizing phase noise.

다른 분산 실시예들은 원하는 그룹 지연 스펙트럼으로부터 좀더 직접적으로 유래한다.Other distributed embodiments derive more directly from the desired group delay spectrum.

이런 유형의 실시예는 매우 다양하다는 것을 알아야 한다. 일실시예는 포트 1로 입력된 빛을 포트 2를 경유하여 도파로로 향하게 하는 3 포트 순환기(포트 i로 입력되는 빛은 포트 i+1에 존재하고, 포트 3은 포트 1로 "되김긴다")를 포함한다. 본 발명의 사상에 따라, 반사성의 BSG는 도파로 내에서 원하는 보상 그룹 지연 스펙트럼을 가능하게 하고, 그럼으로써 분산 보상된 빛이 순환기의 포트 2로 돌아가게 하고, 이어서 출력포트 3에서 출현하게 한다.It should be appreciated that this type of embodiment is very diverse. One embodiment is a three-port circulator that directs light entering port 1 to the waveguide via port 2 (light entering port i is at port i + 1 and port 3 “turns” to port 1). It includes. In accordance with the teachings of the present invention, the reflective BSG enables the desired compensation group delay spectrum in the waveguide, thereby causing the dispersion compensated light to return to port 2 of the circulator and then appear at output port 3.

도 26a 및 도 26b에 도시된 다른 실시예는 순환기의 필요(및 그 비용)를 회피한 것으로 순방향 및/또는 역방향 BSG 커플러를 채용하는데, BSG 커플러는 빛을 입력 도파로로부터 후속하는 도파로(들)로 커플링하여 소망의 그룹 지연 스펙트럼을 부과하도록 한다. 보상 대역폭, 그룹 지연 스펙트럼의 시간적 확장, 및 보상이 전대역인가 아니면 채널화되었는가와 같은 요소에 의존하여, 소자 내부 전파길이는 원하는 최대 소자 사이즈를 초과할 수도 있다. 이 경우에, 분산 보상은 커플링된도파로가 감긴 종속연결(winding cascade)의 형태로 배열된 연속하는 도파로 커플링으로 효력이 미친다.Another embodiment shown in FIGS. 26A and 26B employs a forward and / or reverse BSG coupler to avoid the need (and cost thereof) of the circulator, where the BSG coupler directs light from the input waveguide to the subsequent waveguide (s). To couple the desired group delay spectrum. Depending on factors such as compensation bandwidth, temporal extension of the group delay spectrum, and whether the compensation is full band or channelized, the device internal propagation length may exceed the desired maximum device size. In this case, dispersion compensation is effected by continuous waveguide coupling arranged in the form of a winding cascade in which the coupled waveguide is wound.

BSG 기반의 분산 보상기 실시예는 복잡한 처핑 함수를 현재의 방법들(현재의 방법들은 분산 특성의 테일러(Taylor) 전개에서 연속하는 항들을 다루거나, 또는 상대적으로 적은 입력 파라미터를 가지고 이상적인 지연 스펙트럼에 "가장 적합한" 것을 획득한다)보다 더 단순한 형태로 에뮬레이트 하는 것과 같은 많은 장점을 제공한다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 사상에 따라 BSG 소자를 사용하는 실시예들은 또한 다중 동시 채널들에 개별적으로 맞추어지고, 해법에 대해 개선을 제공하며, 모든 채널에 걸쳐 동일한 정정이 부과되는 분산 보상을 제공할 수 있다. 또한, 처핑된 회절격자의 접근방식과는 대조적으로, 본 발명의 사상에 따라 BSG 소자를 이용하는 실시예들은 편평한 채널내 반사율 스펙트럼을 가지도록 설계될 수 있다.The BSG-based dispersion compensator embodiment employs a complex chirping function in current methods (current methods deal with consecutive terms in Taylor evolution of the dispersion characteristic, or with a relatively small input parameter, It should be noted that it offers many advantages, such as emulating in a simpler form than "get the most suitable". Embodiments using the BSG element in accordance with the teachings of the present invention may also provide dispersion compensation that is individually tailored to multiple simultaneous channels, provides an improvement to the solution, and imposes the same correction across all channels. In addition, in contrast to the approach of the chirped diffraction grating, embodiments using BSG devices in accordance with the teachings of the present invention may be designed to have a flat in-channel reflectance spectrum.

동조가능한 분산 보상기Tunable Dispersion Compensator

동조가능한 분산 보상은 상술한 순방향 및 역방향 BSG의 직렬연결의 조합과 유사성을 가진 구성 및 전술한 버니어(Vernier) 동조 기법을 통해, 또한 전술한 동적 다파장 등화기를 가지고 달성될 수 있다. 도 26a를 참조하면, BSG의 직렬연결은 원하는 그룹 지연 스펙트럼을 달성하기 위해 다른 것과 독립적으로 동조될 수 있는 그룹 지연 "기저 함수"를 포함한다.Tunable dispersion compensation can be achieved through the configuration similar to the combination of the series connection of the forward and reverse BSG described above, and through the Vernier tuning technique described above, and also with the dynamic multi-wavelength equalizer described above. Referring to FIG. 26A, the series connection of the BSG includes a group delay "basal function" that can be tuned independently of the other to achieve the desired group delay spectrum.

도 26b에 도시된 일실시예는 두 개의 동조가능한 역방향 BSG 커플러를 채용하고, 각각은 다음과 같은 형태의 2차의 분산 함수 D1및 D2로 구현된다:One embodiment shown in FIG. 26B employs two tunable reverse BSG couplers, each implemented with a second order variance function D 1 and D 2 of the form:

D1= a1(λ-λ1)2+ C1및 D2= a2(λ-λ2)2+ C2 D 1 = a 1 (λ-λ 1 ) 2 + C 1 and D 2 = a 2 (λ-λ 2 ) 2 + C 2

여기서 중심 파장들 λ1및 λ2는 전술한 바와 같은 동조 메커니즘을 따라서 독립적으로 시프트될 수 있다. 만약 BSG들이 직렬연결되어 있고 a2= -a1이 되도록 설계되었다면, 결과로서의 분산은:Wherein the central wavelengths λ 1 and λ 2 can be independently shifted along the tuning mechanism as described above. If the BSGs are connected in series and are designed such that a 2 = -a 1 , then the resulting variance is:

Dnet= D1+ D2= [2a121)]λ + [(λ1 22 2)+(C1-C2)] 이 되고, Δλ= λ21를 이용하여 다시 정리하면,D net = D 1 + D 2 = [2a 121 )] λ + [(λ 1 22 2 ) + (C 1 -C 2 )], and Δλ = λ 2If you rearrange it using 1 ,

Dnet= [2a1(Δλ)]λ + [(2λ1+Δλ)(2λ1-Δλ)+(C1-C2)]D net = [2a 1 (Δλ)] λ + [(2λ 1 + Δλ) (2λ 1 -Δλ) + (C 1 -C 2 )]

따라서, 분산구배 2a1(Δλ)는 Δλ를 적절하게 선택함으로써 소망하는 대로 조절할 수 있고, λ1을 적절히 설정함으로써 인터셉트(intercept)가 결정된다. 이러한 접근방법은 임의로 높은 차수의 분산에도 그 다음 고차의 분산 기저 함수를 채용함으로써, 적용될 수 있다.Therefore, the dispersion gradient 2a 1 (Δλ) can be adjusted as desired by appropriately selecting Δλ, and the intercept is determined by appropriately setting λ 1 . This approach can be applied by optionally employing a higher order variance basis function even for higher order variances.

가변-피드백 수퍼회절격자 레이저(동조가능한 및/또는 다파장)Variable-feedback superdiffraction lasers (tunable and / or multiwavelength)

도 27a 내지 도 27c를 참조하면, 가변 피드백 수퍼회절격자 레이저의 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서 프로그래머블 BSG가 광학 이득매체와 결합되어 동조가능한 단일 파장 또는 다파장 동작의 레이저를 만들어낸다. 도 27a에서, 두개의 프로그래머블 BSG는 하나 또는 그 이상의 파장에서 공진할 수 있다. 도 27b에서, 이득매체 안에 있는 프로그래머블 BSG 회절격자는 출력 스펙트럼과 그 파워 분포도 제어할 수 있다. 도 27c에서, 프로그래머블 BSG들은 파장과 각도를 변경할 수 있어서 출력 방사의 파장과 위상이 제어될 수 있다.27A-27C, an embodiment of a variable feedback super diffraction grating laser is shown. In this embodiment a programmable BSG is combined with an optical gain medium to produce a tunable single wavelength or multiwavelength laser. In FIG. 27A, two programmable BSGs may resonate at one or more wavelengths. In FIG. 27B, the programmable BSG diffraction grating in the gain medium can also control the output spectrum and its power distribution. In FIG. 27C, programmable BSGs can change wavelength and angle so that the wavelength and phase of the output radiation can be controlled.

DBR, DFB, 알파-레이저, 및 링 오실레이터 구성을 비한정적으로 포함하여 회절격자를 피드백 요소로서 채용하는 어떠한 구성이라도, 본 발명의 사상에 따라, 전통적인 설계에서 회절 요소(들)에 해당하는 일부 또는 전부를 프로그래머블 BSG로 대체함으로써 갱신할 수 있다.Any configuration employing a diffraction grating as a feedback element, including but not limited to DBR, DFB, alpha-laser, and ring oscillator configurations, may, in accordance with the teachings of the present invention, be part or equivalent of the diffraction element (s) in a traditional design or It can be updated by replacing everything with a programmable BSG.

단일 파장 레이저 실시예에서, BSG 기반의 소자는 레이저 라인의 위치, 그 라인 폭, 및/또는 그 강도를 조절할 수 있다. 게다가, 상술한 파라미터들의 모니터링에 결합하여 피드백 시스템을 형성할 수 있어, 동 파라미터들의 하나 또는 그 이상을 제어할 수 있다.In a single wavelength laser embodiment, the BSG-based device can adjust the position of the laser line, its line width, and / or its intensity. In addition, a feedback system can be formed in conjunction with the monitoring of the parameters described above to control one or more of the parameters.

BSG 설계(또는 "프로그램")은 다른 유사한 구성에서 다파장 레이저를 만들어내고, 몇 개의 레이저 파장들의 각각을 독립적으로 제어하거나 단일 파장을 선택하기 위해 바뀔 수 있다. 레이징(lasing) 채널은 독립적으로 동조되거나, 추가되거나, 그리고 드롭될 수 있고, 그들의 상대적인 출력 파워도 원하는 대로 밸런싱될 수 있다. 상술한 바와 같이, 모니터링이 추가되어 피드백 루프를 형성하여 이 파라미터들의 어느 것이라도 제어할 수 있다.The BSG design (or “program”) can be modified to produce a multiwavelength laser in another similar configuration, to control each of several laser wavelengths independently or to select a single wavelength. The lasing channels can be independently tuned, added or dropped, and their relative output power can be balanced as desired. As mentioned above, monitoring may be added to form a feedback loop to control any of these parameters.

빔 결합기(빔 스플리터의 역)Beam combiner (inverse of beam splitter)

실시예로서의 빔 결합기는, 도 28에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 광원 및 스트림으로부터 입력을 받아들이고 그들을 공통 출력으로서 출력한다. 도 28a에서, 연속하는 BSG 커플러는 하나 또는 그 이상의 파장에서의 파워를 수평방향 도파로 안에 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 파워에 더한다. 도 28b에서, 2차원 BSG는 세 입력을 받아들이고 도파로를 따라 방사 출력한다. 다수의 레이저로부터의 파워의 결합(이런 맥락에서 "파워 결합기")을 포함하는 응용들은 예컨대 라만 증폭기를 가지고 수행되는 것처럼 충분한 펌프 파워를 얻을 수 있다. 이 경우에 이러한 소자를 반도체 레이저 어레이와 직접적으로 집적하는 것이 바람직한데, BSG는 이러한 목적에 매우 잘 들어맞는다.The beam combiner as an embodiment receives inputs from one or more light sources and streams and outputs them as a common output, as shown in FIG. 28. In FIG. 28A, a continuous BSG coupler adds power at one or more wavelengths to power flowing from left to right in the horizontal waveguide. In FIG. 28B, the two-dimensional BSG receives three inputs and radiates along the waveguide. Applications that include a combination of power from multiple lasers ("power combiners" in this context) can achieve sufficient pump power, for example, as performed with Raman amplifiers. In this case it is desirable to integrate this device directly with the semiconductor laser array, which BSG is very well suited for this purpose.

하나 또는 그 이상의 BSG 커플러와 2D 수퍼회절격자를 다중 빔(어쩌면 동일한 파장)과 결합하여 하나로 하는 조합을 포함하여 다양한 실시예들이 가능하다. 2D 수퍼회절격자의 경우에, 이는 본질적으로 하나의 입력을 다수의 출력 빔으로 나누는 것의 역에 대응한다.Various embodiments are possible, including a combination of one or more BSG couplers and 2D superdiffraction gratings combined with multiple beams (possibly the same wavelength). In the case of a 2D superdiffraction grating, this essentially corresponds to the inverse of dividing one input into multiple output beams.

다파장/광대역 분리기/순환기Multiwavelength / Wideband Separator / Circulator

광분리기는 하나 또는 그 이상의 파장의 도파로를 통한 통과를 일방향 또는 양방향으로 차단하는 소자이다. 이들은 후방반사, 크로스토크, 및/또는 원하지 않은 파장 대역(예컨대 펌프 파장)을 억제하는 데에 사용된다.An optical splitter is a device that blocks the passage through a waveguide of one or more wavelengths in one or two directions. They are used to suppress back reflection, crosstalk, and / or unwanted wavelength bands (such as pump wavelengths).

순환기는 포트 i로부터의 입사광을 포트 (i+1)로 라우팅하고, 포트 N으로의 입력을 포트 1로 "되돌리는" N 포트 소자로서, 이것은 종종 출력을 입력 포트로부터 나오도록 하는(예컨대 광학 지연 라인의 특정예들, 분산 보상기, 및 람다 라우터) 광학 소자와의 연결에 사용된다.The circulator is an N-port element that routes incident light from port i to port (i + 1) and "returns" input to port N to port 1, which often causes the output to come out of the input port (e.g., optical delay). Particular examples of lines, dispersion compensators, and lambda routers).

도 29a 및 도 29b, 29c는 각각 BSG 기반의 분리기 실시예 및 4 포트 커플링된 도파로 순환기의 개략도를 보여준다. 분리기와 순환기 모두 시간역전 대칭(time-reversal symmetry)을 뒤집어엎는 어떤 수단을 채용하고 있다. 즉, 소자를 한 방향에서 진행하는 빛은 반대방향에서 진행하는 빛과는 다르게 취급된다. 이는 복굴절 및/또는 편광 소자와 함께, 전형적으로 자기광학 및/또는 광학적으로 활성인 물질(패러데이 회전자와 같은)을 사용함으로써 달성된다.29A, 29B and 29C show schematic diagrams of a BSG based separator embodiment and a four port coupled waveguide circulator, respectively. Both separators and circulators employ some means of overturning time-reversal symmetry. That is, light traveling through the device in one direction is treated differently from light traveling in the opposite direction. This is accomplished by using magneto-optical and / or optically active materials (such as Faraday rotors), in conjunction with birefringent and / or polarizing elements.

도 29a는 예를 들어, 왼쪽에서 편광자를 통해 들어온 방사가 패러데이 회전자를 통해 편광이 45도 만큼 회전되고, 두 번째 편광자를 통해 지나가는 분리기를 도시한다. 왼쪽으로 들어온 방사는 편광화되고 회전자에 의해 회전되며 두 번째 편광자에 의해 차단된다.FIG. 29A shows the separator where, for example, radiation entering the polarizer on the left is rotated by 45 degrees through the Faraday rotor and passes through the second polarizer. Radiation entering to the left is polarized, rotated by the rotor and blocked by the second polarizer.

도 29b는 오른쪽의 포트 1로 들어온 방사가 회전자에 의해 회전되고(예컨대 45도), 포트 3에서 후방 반사되고 다시 회전되며 스플리터를 통해 포트 2로 가게되는 순환기의 예를 보여준다.FIG. 29B shows an example of a circulator in which radiation entering port 1 on the right is rotated (eg 45 degrees) by the rotor, reflected back and rotated back on port 3 and directed to port 2 through the splitter.

도 29c는 전술한 또는 다른 장치들과 함께 사용될 수 있는 회전자의 예를 보여준다. 상부 도파로의 왼쪽으로 입사한 방사는, 패러데이 물질의 존재 하에 BSG 커플러에 의해 하부 도파로로 커플링되고 따라서 편광방향이 회전된다.29C shows an example of a rotor that can be used with the aforementioned or other devices. The radiation incident to the left of the upper waveguide is coupled to the lower waveguide by the BSG coupler in the presence of the Faraday material and thus the polarization direction is rotated.

본 발명의 사상에 따른 수퍼회절격자는 자기광학 물질 및/또는 편광 소자와 함께 조합되어 미리 선택된 채널들에 파장 선택적인 동작을 제공하는, 또는 광대역의 파장들에 걸친 분리기 및 순환기를 만들 수 있다.Superdiffraction gratings in accordance with the teachings of the present invention can be combined with magneto-optical materials and / or polarizers to provide wavelength selective operation on preselected channels, or to create separators and circulators over broad wavelengths.

BSG 포토닉 밴드 갭 물질(Photonic Band Gap material)BSG Photonic Band Gap Material

지난 수십년간 광학 이론의 중요한 진전은 포토닉 밴드 갭(PBG) 개념이다. 물질의 굴절률에 대한 2 또는 3차원 주기적 변조는, 방향과 무관하게, 어떠한 빛도 전파될 수 없는 광파장 범위를 생성할 수 있다는 사실은 응용처가 풍부한 것으로 드러났다. 응용들은 마이크로 도트 레이저, 도파로의 급격한 선회, 하이 Q(high-Q) 광학 필터, 및 파장 선택적 광학 커플러 등을 포함한다.An important advance in optical theory over the last few decades is the concept of photonic band gap (PBG). The fact that two- or three-dimensional periodic modulation of the refractive index of a material can produce a range of wavelengths in which no light can propagate, regardless of direction, has proved to be rich in applications. Applications include micro dot lasers, sharp turns of waveguides, high-Q optical filters, wavelength selective optical couplers, and the like.

그럼에도 불구하고, PBG는 본질적으로 브래그 회절격자의 2 또는 3차원적 연장이다. 브래그 회절격자의 파장 공간으로의 확장으로서의 BSG 개념은, PBG와 결합되어 전적으로 새로운 종류의 광학 물질을 생성할 수 있다.Nevertheless, PBG is essentially a two or three dimensional extension of the Bragg diffraction grating. The BSG concept of Bragg diffraction grating into the wavelength space can be combined with PBG to create a whole new class of optical materials.

BSG-PBG 물질의 매우 유리한 특징은 통상의 PBG 물질에 의해 요구되던 높은 비굴절률차로부터 떠난 것에 있을 수 있다. 굴절률 특징의 주기적 격자로서 구현되면, 통상의 PBG는 다른 방향에는 다른 주기성을 보여준다. 각 방향은 따라서 다른 유효 브래그 회절격자로 특성화되고, 각각은 다시 특정한 밴드 갭 - 회절격자의 귀결로서 그 방향에서 전파가 금지된 파장 범위 - 과 관련된다. 이 파장 갭의 폭은 유효 회절격자의 강도에 직접적으로 비례하고, 이는 다시 PBG의 비굴절률차에 대응된다. 그러나, 특정 파장을 모든 방향에 대해 전파를 금하기 위해, 따라서 PBG를 정의하는 "완전한" 밴드 갭을 형성하려면, 모든 개별적 파장 갭들은 문제가 되는 파장에서 오버랩 되어야만 하고, 따라서 이 분야의 숙련자들에게는 PBG에는 최소의비굴절률차를 부과하여야 한다는 것이 알려져 있다.A very advantageous feature of the BSG-PBG material may be that it leaves away from the high specific refractive index differences required by conventional PBG materials. If implemented as a periodic grating of refractive index features, conventional PBGs show different periodicities in different directions. Each direction is thus characterized by a different effective Bragg diffraction grating, each of which in turn relates to a particular band gap-the wavelength range in which propagation is prohibited in that direction as a result of the diffraction grating. The width of this wavelength gap is directly proportional to the intensity of the effective diffraction grating, which in turn corresponds to the specific refractive index difference of the PBG. However, in order to inhibit the propagation of a particular wavelength in all directions, thus forming a "full" band gap that defines the PBG, all individual wavelength gaps must overlap at the wavelengths in question, and thus to those skilled in the art It is known that a minimum specific refractive index difference should be imposed on the PBG.

도 37은 도 37a에서 다른 굴절률을 가지는 영역을 나타내는 점들의 육각형 구성을 보여준다. 도 37b는 파수 공간에서 대응하는 육각형을 보여준다. 이 분야의 숙련자라면 PBG 효과를 보여주는 보통의 물질은 파수 공간에서 그 윤곽을 만드는 기하학적 구성이 정규적이라는 것을 알 것이다. 도 37b에서, 예를 들어, 도 37a에 있는 점들의 육각형 어레이는 k 공간에서 육각형으로 반영된다. (점선의 원으로 표현된 어떤 파장의) 모든 방향에서의 방사 전파를 억제하기 위하여, 따라서, k 공간에서의 육각형의 두께는 관련된 파장을 나타내는 그 원이 밴드 갭 육각형 안에 들어갈 수 있는 그런 두께로 되어야 한다. 이 요구는 불필요한 밴드 갭 억제라는 요구를 부과한다. 예를 들어, 도 37b에서 점선이 모서리 안쪽에 있으므로, 육각형의 모서리의 바깥 영역은 필요하지 않다. 유사하게, 중심안에 있는 영역들도 점선이 그 영역 모서리의 바깥쪽에 있기 때문에 필요하지 않다.FIG. 37 shows a hexagonal configuration of points representing regions having different refractive indices in FIG. 37A. 37B shows the corresponding hexagon in wavenumber space. Those skilled in the art will appreciate that the common material exhibiting the PBG effect is normal in its geometric composition to outline its shape in wavenumber space. In FIG. 37B, for example, the hexagonal array of points in FIG. 37A is reflected in hexagon in k space. In order to suppress radiation propagation in all directions (of any wavelength represented by dashed circles), the thickness of the hexagon in k-space must therefore be such that the circle representing the relevant wavelength can fit within the band gap hexagon. do. This requirement imposes the need for unnecessary band gap suppression. For example, in FIG. 37B, since the dotted line is inside the corner, the outer region of the hexagonal corner is not necessary. Similarly, areas in the center are not needed because the dotted line is outside of the area edge.

통상의 PBG와 달리, BSG는 주기적인 격자와 내포된 주기적 방향적 변형으로 제한되지 않는다. 대신에, 2 또는 3차원 BSG는 임의의 방향에서 거의 임의의 대역의 유효 주기를 보이는 것으로 설계될 수 있다. 이는 1차원 BSG의 그 회절 스펙트럼에 대한 제어에 직접적으로 대응된다. 이 설계의 자유는 회절격자의 비굴절률차에 대한 의존성을 제거하여 개별적인 밴드 갭을 그들이 오버랩될 때까지 두껍게 한다. 대신에 굴절률 변화 패턴은 기하학적으로 첫 번째 위치에서 오버랩을 초래하는 밴드 갭의 굴절률 패턴을 강화하도록 설정할 수 있다. 가용한 비굴절률차에 의해 제공된 어떠한 여분의 강도라도 더 많은 파장들을 PBG 효과를 겪게 하는 데에 적용될 수 있다. 도 38은 도 38a에서 보다 경제적인 자원의 활용으로 어떠한 방향에서도 특정 파장범위에서의 전달의 억제를 제공하는 비주기적 배열의 픽셀들을 보여준다. 픽셀 패턴의 각도 의존성은 점선(도 37에서의 점선과 동일)이 더 작고 균일한 마진 안에 머무르도록 설정된다. 원한다면, 도 38의 마진은 더 큰 파장 범위를 커버하도록 증가될 수 있다.Unlike conventional PBGs, BSGs are not limited to periodic gratings and nested periodic directional strains. Instead, a two or three dimensional BSG can be designed that exhibits an effective period of almost any band in any direction. This corresponds directly to the control for that diffraction spectrum of the one-dimensional BSG. The freedom of this design eliminates the dependence of the diffraction grating on the specific refractive index difference, thickening the individual band gaps until they overlap. Instead, the refractive index change pattern can be set to reinforce the refractive index pattern of the band gap which geometrically results in an overlap in the first position. Any extra intensity provided by the available refractive index difference can be applied to subject more wavelengths to the PBG effect. FIG. 38 shows aperiodic arrangements of pixels providing suppression of transmission in a particular wavelength range in any direction with the utilization of more economical resources in FIG. 38A. The angle dependence of the pixel pattern is set such that the dotted line (same as the dotted line in FIG. 37) stays within a smaller and more uniform margin. If desired, the margin of FIG. 38 can be increased to cover a larger wavelength range.

그래서, 주어진 굴절률 변조 기술(예컨대 이온 주입)에 대하여 BSG-PBG 물질은 통상의 PBG 물질에 비해 더 큰 파장 범위를 차단할 수 있다.Thus, for a given refractive index modulation technique (eg ion implantation), the BSG-PBG material may block a larger wavelength range than conventional PBG materials.

게다가, 본 발명에 따른 새로운 물질은 동일한 영역 내에서, 첫 번째 파장 범위에서 방사를 차단하고 하나 또는 그 이상의 다른 파장 범위에서 방사를 다룰 수 있다 - 예컨대, 생성된 파장 대역에서의 방사에 대한 편향, 포커싱 등은 하면서 펌프 방사는 차단하는 경우.In addition, the new material according to the invention can block radiation in the first wavelength range and handle radiation in one or more other wavelength ranges within the same region-for example, deflection against radiation in the resulting wavelength band, When pumping is blocked while focusing.

BSG-PBG 합성에 의해 제공되는 필수 비굴절률차의 대폭적인 감소는 PBG 제조에서의 주된 실용적인 문제를 극복하게 할 수도 있다. 그러나, 이 감소는 또 다른 비용을 요구한다. 즉, 더 낮은 굴절률차 회절격자는 또한 회절격자가 빛에 영향을 미치게 되는 경로로서 더 긴 요구 반응 길이를 내포한다. 그러나, 이는 PBG도 마찬가지로서, 어떤 응용에서는 효과가 중요한 고려사항이지만, 다른 많은 응용에서는 상당히 완화되었거나, 극복되었거나, 또는 효율적이라고 증명되었을 수 있다.The significant reduction in the required specific refractive index difference provided by BSG-PBG synthesis may overcome major practical problems in PBG fabrication. However, this reduction requires another cost. That is, the lower refractive index diffraction grating also contains a longer required response length as a path through which the diffraction grating affects light. However, this is also true for PBGs, where the effect is an important consideration in some applications, but in many other applications it may have been significantly alleviated, overcome, or proved to be efficient.

BSG는 PBG의 구현에서 실용성에 관해 단순히 개선하는 것보다 더 많은 것을 할 수 있다. 예를 들어, BSG는 몇 개의 포토닉 밴드 갭을 보이고, 우리의 첫 번째 탐구를 북돋아준 몇몇 중첩된 회절격자들을 에뮬레이트하는 역량으로부터 직접 유래하는 물질들을 허용한다. 이러한 물질들은 여러 응용, 파장 변환기 뿐만 아니라 분리 펌프 및 신호 파장들을 지닌 시스템들과 같이 주로 여러 광파장들을 채용하는 응용에서 유용할 수 있다. 좀더 일반적으로, BSG는 상태의 광학 밀도와 분산 관계 뿐만 아니라 밴드 갭의 폭과 위치를 포함하는 광학적 대역 구조에 완전한 제어를 가능하게 한다.BSG can do more than simply improve on practicality in the implementation of PBG. For example, BSG shows several photonic band gaps and allows materials that derive directly from the ability to emulate some of the superimposed diffraction gratings that fueled our first quest. Such materials can be useful in many applications, wavelength converters, as well as applications that mainly employ multiple light wavelengths, such as systems with separation pumps and signal wavelengths. More generally, the BSG enables complete control over the optical band structure, including the optical gap and position of the band gap as well as the optical density and dispersion relationship of the states.

도 39는 본 발명에 따라 PBG 물질을 이용한 고 효율 태양 전지 또는 다른 광검출기의 단면을 보여준다. 기판(39-10)은 광전효과를 나타내는 통상적인 물질, 예컨대 실리콘이다. 층(39-20)은 관련된 파장의 빛의 전파를 정상적으로 허용하는 물질이다. 본 발명에 따르면, BSG-PBG 패턴이 물질(39-20) 위에 새겨져 있어 화살표(39-17)로 표시된 횡단방향에서의 전파가 억제된다. 횡단방향으로 전파하는 방사가 있다면 이는 BSG-PBG 패턴에 의해 산란되고 우선적으로 감아 올려져 수직 성분(예컨대 화살표(39-15)에 따른)을 가지고 산란된다. 입사광의 더 많은 부분은 따라서 광전 물질(39-10)에 의해 흡수된다.Figure 39 shows a cross section of a high efficiency solar cell or other photodetector using PBG material in accordance with the present invention. Substrate 39-10 is a conventional material that exhibits a photoelectric effect, such as silicon. Layers 39-20 are materials that normally allow propagation of light of associated wavelengths. According to the present invention, the BSG-PBG pattern is engraved on the material 39-20 to suppress propagation in the transverse direction indicated by arrows 39-17. If there is radiation propagating in the transverse direction it is scattered by the BSG-PBG pattern and preferentially wound up and scattered with a vertical component (eg according to arrow 39-15). More of the incident light is thus absorbed by the photoelectric material 39-10.

도 40은 관례적인 패턴으로 배열된 PBG 물질(40-1)의 어레이를 도시한다. 패턴의 두 점(40-2)이 제거되었고, 한 쌍의 마이크로 도트 레이저가 구축되었다(명확성을 위해 통상의 펌프 방사는 생략되었다). 원하는 만큼의 많은 마이크로 도트 레이저가 어떤 원하는 기하학적 레이아웃으로도 배열될 수 있다.40 shows an array of PBG materials 40-1 arranged in a customary pattern. Two dots 40-2 of the pattern were removed and a pair of micro dot lasers were constructed (ordinary pump radiation was omitted for clarity). As many micro dot lasers as desired can be arranged in any desired geometric layout.

도 41은 관련된 파장 범위에서 방사를 차단하는 BSG-PBG 물질(41-5)의 평면도이다. BSG 패턴은 도파로(41-10)까지 연장되지 않으므로, 그 파장 범위의 방사의 통과를 허용한다. 통상적인 한계 즉, 참조값보다 작은 곡률반경 R을 가진 곡선이도파로에 형성되었다. 이 분야의 숙련자라면 통상적인 물질에서는 참조값보다 작은 곡률반경을 가진 곡선을 지날 때 과도한 양의 산란이 발생한다는 것을 알 것이다. BSG-PBG 물질은 도파로를 적은 손실로 형성할 수 있도록 한다.41 is a top view of BSG-PBG material 41-5 that blocks radiation in the associated wavelength range. The BSG pattern does not extend to the waveguide 41-10, allowing passage of radiation in that wavelength range. A curve with a curvature radius R of less than the normal limit, i.e. the reference value, was formed in the waveguide. Those skilled in the art will appreciate that in conventional materials, excessive amounts of scattering occur when passing a curve with a radius of curvature less than the reference value. BSG-PBG materials allow the formation of waveguides with little loss.

도 42는 BSG-PBG 물질(42-5) 안에 형성된 한 쌍의 도파로(42-10 및 42-12)를 도시한다. 선택적인 특징으로서 두 도파로 사이의 영역(42-25)은 도파로(42-10 및 42-12)에 의해 전달된 파장에서 더 긴 감쇠길이를 갖는 BSG-PBG 물질(42-25)로 제공되었다. 따라서, 도파로 간의 커플링은 쉽게 이루어질 수 있다. 다른 물질은 필요하지 않고 도파로 간의 적절한 간격을 두고 동일한 물질이 사용될 수 있다(또는 도파로 사이의 BSG-PBG 물질이 생략될 수 있다).42 shows a pair of waveguides 42-10 and 42-12 formed in the BSG-PBG material 42-5. As an optional feature, the region 42-25 between the two waveguides was provided with BSG-PBG material 42-25 having a longer attenuation length at the wavelength transmitted by the waveguides 42-10 and 42-12. Thus, coupling between waveguides can be easily achieved. No other material is required and the same material may be used at appropriate intervals between waveguides (or BSG-PBG material between waveguides may be omitted).

부가적인 선택사항으로서 PBG의 일반적인 제공은 필요 없이 하고 도파로들(42-10 및 42-12) 사이에 PBG가 위치하게 할 수 있다. 두 도파로 사이의 물질은 도파로들 간에 커플링을 허용하도록 제조될 수 있다. 예컨대, PBG 패턴을 도파로들에 평행한 방향의 전파는 허용하지 않고, 도파로들 간의 전파(즉, 커플링)는 허용하는 구조로 한다.As an additional option, there is no need for a general provision of the PBG and a PBG can be placed between the waveguides 42-10 and 42-12. The material between the two waveguides can be made to allow coupling between the waveguides. For example, the PBG pattern does not allow propagation in a direction parallel to the waveguides, and allows propagation (ie, coupling) between the waveguides.

이상은 방향성 PBG 물질의 예인데, 방향성이란 픽셀 패턴을 가지는 물질이 파장 대역 내의 전파를 선택된 방향에서만 억제하는 것을 의미한다.The above is an example of a directional PBG material, which means that a material having a pixel pattern suppresses propagation in a wavelength band only in a selected direction.

도 43은 비선형 효과를 채용한 유닛의 평면도이다. 사각형(43-05)는 비선형 효과를 보이고 또한 파장들 λ1, λ2및 λ3에서의 전파를 억제하는 PBG 패턴이 새겨진 물질 영역을 나타낸다. 이 예에서 λ1과 λ2는 펌프 파장으로 각각 도파로(43-10 및 43-15)를 따라 전파되고, λ3은 관련된 비선형 반응의 출력 파장으로 출력 도파로(43-20)을 따라 전파된다. 도파로(43-20)의 초기 부분은 이 소자에서 선택적인 도파로로서 예컨대 λ3에서의 입력 방사를 공급하는 데에 사용될 수 있고, 여기에는 비선형 반응의 결과가 더해질 것이다.43 is a plan view of a unit employing a nonlinear effect. Squares 43-05 represent regions of material engraved with a PBG pattern that exhibits a nonlinear effect and also inhibits propagation at wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 . In this example, λ 1 and λ 2 propagate along the waveguides 43-10 and 43-15 at the pump wavelength, respectively, and λ 3 propagates along the output waveguide 43-20 at the output wavelength of the associated nonlinear reaction. The initial portion of the waveguide 43-20 can be used as an optional waveguide in this device to supply input radiation, for example at λ 3 , which will add to the result of the nonlinear reaction.

λ1과 λ2에서의 방사는, 종래 기술에 의해 알려진 바와 같이, 중첩 영역에서 결합되어 λ3에서 방사를 생성한다. 도파로 외부의 PBG 패턴은 방사를 한정한다. 도파로(43-20)의 영역(43-12) 안에서 픽셀 패턴(43-26)은 출력 방사를 도시된 바와 같이 한 점으로 집속한다. 도파로(43-20)의 영역(43-25)은 출력 파장에서 방사를 반사하여 요구된 방향(도면에서 위쪽)으로 향하게 하고 낭비되지 않도록 한다. 만약 원한다면, 또는 제한된 자원에 의해 요구된다면, 43-07로 지칭된 왼쪽의 PBG 패턴은 λ1의 방사를 한정하도록 설정되고 43-06으로 지칭된 오른쪽의 패턴은 λ2의 방사를 한정하도록 설정되고, λ3에 대해서는 영역(43-12) 안의 패턴에 j8rm서만 한정되도록 할 수 있다. 따라서, (제한된) PBG 패턴의 용량은 요구되는 곳에만 사용되도록 보존될 것이다.The radiation at λ 1 and λ 2 , as known by the prior art, is combined in the overlapping region to produce radiation at λ 3 . The PBG pattern outside the waveguide defines the radiation. In region 43-12 of waveguide 43-20, pixel patterns 43-26 focus output radiation to a point as shown. Area 43-25 of waveguide 43-20 reflects radiation at the output wavelength, directing it in the required direction (upper in the figure) and not wasted. If desired, or required by limited resources, the PBG pattern on the left, referred to as 43-07, is set to limit the emission of λ 1 and the pattern on the right, referred to 43-06, is set to limit the emission of λ 2 and , λ 3 can be limited to j8rm only in the pattern in the region 43-12. Thus, the capacity of the (limited) PBG pattern will be preserved for use only where needed.

이상의 설명은 오직 본 발명을 설명하기 위한 것이라는 점이 이해되어야 한다. 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 대안과 수정이 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 제시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 그러한 모든 대안, 수정과 변형을 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되는 것으로 본다.It should be understood that the above description is only for explaining the present invention. Various alternatives and modifications may be suggested by those skilled in the art without departing from the present invention. Accordingly, the invention is intended to embrace all such alternatives, modifications and variations as fall within the scope of the appended claims.

Claims (62)

적어도 하나의 회절격자 물질의 전파층 안에 적어도 두 개의 도파로를 포함하고, 제1 입력 포트로부터의 입력 방사를 제1 출력 포트에서 출사하는 출력 방사로 운반하는 상기 도파로중 제1도파로 및 제2입력 포트로부터의 입력 방사를 제2출력 포트에서 출사하는 출력 방사로 운반하는 상기 도파로중 제2도파로, 및 상기 제1 및 제2입력 포트중 하나로부터 대응하는 도파로를 따라 전파되는 입력 방사를 상기 제1 및 제2도파로중 다른 것으로 커플링하기 위한 회절격자 물질의 변조층 안의 1 또는 2차원 (이진) 수퍼회절격자를 포함하는 광학 소자.A first waveguide and a second input port of said waveguide comprising at least two waveguides in a propagation layer of at least one diffraction grating material and carrying input radiation from the first input port to output radiation exiting the first output port A second waveguide of the waveguides carrying input radiation from the first output port and output radiation propagated along a corresponding waveguide from one of the first and second input ports; An optical element comprising one or two-dimensional (binary) superdiffraction gratings in a modulating layer of diffraction grating material for coupling to another of the second waveguides. 제1항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 평행한 제2방향으로 진행하는 상기 제2도파로로 커플링하는 것을 특징으로 하는 소자.The second waveguide coupler of claim 1, wherein the one or two-dimensional super-diffraction grating couples the input radiation in the first waveguide traveling in the first direction in a second direction substantially parallel to the first direction. Device for ringing. 제1항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 반대인 제2방향으로 진행하는 상기 제2도파로로 커플링하는 것을 특징으로 하는 소자.The second waveguide coupler of claim 1, wherein the one or two-dimensional super-diffraction grating couples the input radiation in the first waveguide traveling in the first direction in a second direction substantially opposite to the first direction. Device for ringing. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2도파로는 대칭이며 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 상기 제1 및 제2도파로 사이에 고굴절률 및 저굴절률의 제1패턴을 가지는 중심부 및 고굴절률 및 저굴절률의 패턴으로서 상기 제1패턴과 반대되는 제2패턴을 가지는 제1 및 제2외곽부를 포함함으로써, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 상기 제1 및 제2도파로 내부의 후방 반사를 억제하는 것을 특징으로 하는 소자.The center and high refractive indexes of claim 1, wherein the first and second waveguides are symmetrical, and the one or two-dimensional super-diffraction grating has a first pattern having a high refractive index and a low refractive index between the first and second waveguides. By including a first refractive index and a second outer portion having a second pattern opposite to the first pattern as a low refractive index pattern, the one or two-dimensional super-diffraction grating suppresses rear reflection inside the first and second waveguides. Device characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 2차원 수퍼회절격자는 한 세트의 제어신호에 응답하여, 제어가능한 수단의 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 상기 어레이 안의 대응하는 픽셀내의 모드의 굴절률 값을 상기 소자가 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 평행한 제2방향으로 진행하는 상기 제2도파로로 커플링하는 제1모드 및 상기 소자가 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 반대인 제2방향으로 진행하는 상기 제2도파로로 커플링하는 제2모드를 포함하는 적어도 두 모드 안에서 변경하는 것을 특징으로 하는 소자.The device of claim 1, wherein the two-dimensional superdiffraction grating comprises an array of controllable means in response to a set of control signals, the array being configured to determine the refractive index value of the mode in the corresponding pixel in the array. A first mode coupling the input radiation in the first waveguide traveling in one direction to the second waveguide traveling in a second direction substantially parallel to the first direction and the device traveling in the first direction And modifying the input radiation in the first waveguide in at least two modes including a second mode for coupling the second waveguide traveling in a second direction substantially opposite the first direction. 제5항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 상기 제어신호의 대응하는 값에 응답하여 상기 제1 및 제2모드 안에서 상기 제1 및 제2도파로 사이의 N 개의 다른 파장들의 어느 하나의 방사를 스위치하도록 제공되는 한 세트의 제어신호에 응답하는 제어가능한 수단들의 어레이를 포함함으로써, 상기 소자는 상기 입력 포트들중 어느 것으로부터의 N 개의 파장중 임의의 어느 하나 안의 방사를 상기 출력포트들중 어느 것으로 통과하도록 제어될 수 있어, 파장 의존적인 수퍼회절격자 2x2 커플러를 형성하는 것을 특징으로 하는 소자.6. The method of claim 5, wherein the one or two-dimensional super-diffraction grating is any one of N different wavelengths between the first and second waveguides in the first and second modes in response to a corresponding value of the control signal. By including an array of controllable means responsive to a set of control signals provided to switch radiation, the device emits radiation in any one of N wavelengths from any of the input ports to the output ports. Can be controlled to pass through to form a wavelength dependent superdiffraction 2x2 coupler. 제1항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 한 세트의 제어신호에 응답하여 제어가능한 수단의 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 상기 어레이 안의 대응하는 픽셀내의 굴절률 값을 상기 소자가 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제2도파로로 커플링하는 제1모드 및 상기 소자가 상기 제2도파로 안의 입력 방사를 상기 제1도파로로 커플링하는 제2모드를 포함하는 적어도 두 모드 안에서 변경하는 것을 특징으로 하는 소자.2. The apparatus of claim 1, wherein the one or two-dimensional superdiffraction grating comprises an array of controllable means in response to a set of control signals, the array having the refractive index values in corresponding pixels in the array. Modifying within at least two modes including a first mode of coupling input radiation in a first waveguide to the second waveguide and a second mode of coupling the input radiation in the second waveguide to the first waveguide. A device characterized by the above-mentioned. 제7항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 상기 제어신호의 대응하는 값에 응답하여 상기 제1 및 제2모드 안에서 상기 제1 및 제2도파로 사이의 N 개의 다른 파장들의 어느 하나의 방사를 스위치하도록 제공되는 한 세트의 제어신호에 응답하는 제어가능한 수단들의 어레이를 포함함으로써, 상기 소자는 상기 입력 포트들중 어느 것으로부터의 N 개의 파장중 임의의 어느 하나 안의 방사를 상기 출력포트들중 어느 것으로 통과하도록 제어될 수 있어, 파장 의존적인 수퍼회절격자 2x2 커플러를 형성하는 것을 특징으로 하는 소자.8. The method of claim 7, wherein the one- or two-dimensional superdiffraction grating has any one of N different wavelengths between the first and second waveguides in the first and second modes in response to a corresponding value of the control signal. By including an array of controllable means responsive to a set of control signals provided to switch radiation, the device emits radiation in any one of N wavelengths from any of the input ports to the output ports. Can be controlled to pass through to form a wavelength dependent superdiffraction 2x2 coupler. 입력 파장 범위 안에서 들어오는 방사를 받아들이고 N 개의 입력 포트들중 임의의 것으로 들어가는 방사를 M 개의 출력 포트들중 임의의 것으로 커플링하도록 배열되는 한 세트의 파장 의존적인 수퍼회절격자 커플러들을 구비하고 선택된 파장의 방사를 상기 N 개의 입력 포트들중 임의의 하나로부터 상기 M 개의 출력 포트들중 임의의 하나로 제어가능하게 방향지우기 위한 NxM 시스템으로서, N/2 개의 입력 커플러의 제1행, M/2 개의 커플러의 마지막 행 및 선행하는 행의 하나 또는 그 이상의 커플러로부터의 방사를 다음 행의 하나 또는 그 이상의 커플러로 커플링하는 한 세트의 중간 믹싱 커플러들을 포함하는 시스템.A set of wavelength dependent superdiffraction couplers arranged to accept radiation coming within an input wavelength range and to couple radiation entering any of the N input ports to any of the M output ports, An NxM system for controllably directing radiation from any one of the N input ports to any of the M output ports, the first row of N / 2 input couplers, the M / 2 coupler And a set of intermediate mixing couplers for coupling the radiation from one or more couplers of the last row and the preceding row to one or more couplers of the next row. 제9항에 있어서, 상기 1 또는 2차원 수퍼회절격자는 상기 제어신호의 대응하는 값에 응답하여 상기 제1 및 제2도파로 사이의 N 개의 다른 파장들의 어느 하나의 방사를 스위치하도록 제공되는 한 세트의 제어신호에 응답하는 제어가능한 수단들의 어레이를 포함함으로써, 상기 소자는 상기 입력 포트들중 어느 것으로부터의 N 개의 파장중 임의의 어느 하나 안의 방사를 상기 출력포트들중 어느 것으로 통과하도록 제어될 수 있어, 파장 의존적인 수퍼회절격자 크로스바 커플러를 형성하는 것을 특징으로 하는 소자.10. The set of claim 9, wherein said one or two-dimensional superdiffraction grating is provided to switch any one of N different wavelengths between said first and second waveguides in response to a corresponding value of said control signal. By including an array of controllable means responsive to a control signal of the element, the device can be controlled to pass radiation in any one of N wavelengths from any of the input ports to any of the output ports. And forming a wavelength-dependent superdiffraction grating crossbar coupler. N 개의 입력 파장의 광학 방사를 수신하고 이것을 N 개의 물리적으로 분리된 채널로 분할하기 위한 장치로서,An apparatus for receiving optical radiation of N input wavelengths and dividing it into N physically separated channels, 입력 채널, 상기 입력 채널과 직렬로 연결된 한 세트의 파장 의존적인 수퍼회절격자 커플러들을 포함하고, 상기 한 세트의 커플러들의 각각은 방사 대역 안에서의 방사를 상기 입력 채널로부터 출력 채널로 커플링하도록 되어 있는 소자.An input channel, a set of wavelength dependent superdiffraction couplers connected in series with the input channel, each of the set of couplers configured to couple radiation in an emission band from the input channel to an output channel device. 제11항에 있어서, 상기 커플러들의 각각은 상기 N 채널의 방사의 단일한 하나를 처리하는 것을 특징으로 하는 소자.12. The device of claim 11, wherein each of the couplers handles a single one of the radiation of the N channel. 제11항에 있어서, 상기 커플러들의 적어도 일부는 한 영역의 채널들의 방사를 처리하고 후속하는 커플러들은 상기 N 채널의 각각을 분리하는 처리를 완료하는 것을 특징으로 하는 소자.12. The device of claim 11, wherein at least some of the couplers handle radiation of channels in one region and subsequent couplers complete the process of separating each of the N channels. N 개의 입력 파장의 광학 방사를 수신하고 이것을 N 개의 물리적으로 분리된 채널로 분할하기 위한 장치로서,An apparatus for receiving optical radiation of N input wavelengths and dividing it into N physically separated channels, 입력 채널, 다른 파장들의 방사를 편향시키고 편향된 방사를 한 세트의 출력 채널로 향하도록 방향지우도록 된 2차원 파장 의존적인 수퍼회절격자를 포함하는 소자.An input channel, a device comprising a two-dimensional wavelength dependent superdiffraction adapted to deflect radiation of different wavelengths and to direct the deflected radiation to a set of output channels. 제14항에 있어서, 1 또는 2차원 파장 의존적인 수퍼회절격자는 방사를 입력 진행 방향으로부터 멀어지도록 파장에 의존하는 각도로 편향시키고 그 방사를 각 파장 채널을 위한 한 세트의 도파로로 집속시키는 것을 특징으로 하는 소자.15. The method of claim 14, wherein the one- or two-dimensional wavelength-dependent superdiffraction deflects radiation at an angle that depends on the wavelength so that it is away from the direction of input travel and focuses the radiation into a set of waveguides for each wavelength channel. Device to be made. 한 세트의 파장들 안의 광학 방사를 처리하기 위한 소자로서, 적어도 하나의 입력 포트와 적어도 하나의 출력 포트를 가지는 한 세트의 도파로를 포함하고, 입력 도파로 상을 진행하는 방사 입력 빔이, 입력 도파로 안 또는 바깥의 선택된 파장 대역을 커플링하는 적어도 하나의 파장 의존적인 수퍼회절격자 커플러를 통해통과하여, 입력 도파로 안의 나머지 광학 빔은 선택된 파장 대역 만큼 더해진 또는 빼진 파장 대역을 가지는 소자.A device for processing optical radiation within a set of wavelengths, the device comprising a set of waveguides having at least one input port and at least one output port, wherein the radiation input beam traveling over the input waveguide is inside the input waveguide. Or through at least one wavelength dependent superdiffraction coupler coupling an outer selected wavelength band, wherein the remaining optical beams in the input waveguide have wavelength bands added or subtracted by the selected wavelength band. 제16항에 있어서, 상기 파장 의존적 수퍼회절격자 커플러는 상기 입력 빔에 제2입력 포트로부터의 방사를 추가하는 것을 특징으로 하는 소자.17. The device of claim 16, wherein the wavelength dependent superdiffraction coupler adds radiation from a second input port to the input beam. 제16항에 있어서, 상기 파장 의존적 수퍼회절격자 커플러는 상기 입력 빔에서 파장 삭감 범위 내에서 방사를 빼는 것을 특징으로 하는 소자.17. The device of claim 16, wherein the wavelength dependent superdiffraction coupler subtracts radiation within the wavelength reduction range from the input beam. 제16항에 있어서, 적어도 두 개의 수퍼회절격자 커플러가 직렬로 연결되고, 제1수퍼회절격자 커플러는 제1파장 범위를 제어하고 제2수퍼회절격자 커플러는 제2파장 범위를 제어하는 것을 특징으로 하는 소자.17. The method of claim 16, wherein at least two superdiffraction couplers are connected in series, wherein the first superdiffraction coupler controls the first wavelength range and the second superdiffraction coupler controls the second wavelength range. Element. 도파로 내의 방사 강도를 모니터링하기 위한 소자에 있어서,A device for monitoring the intensity of radiation in a waveguide, 선택된 파장 범위 내에서 방사를 담을 수 있는 입력 도파로; 및An input waveguide capable of containing radiation within a selected wavelength range; And 상기 도파로에서 상기 방사를 가로채고 상기 방사의 일부를 그 위에 충돌하는 방사의 파워에 응답하는 방사 미터로 편향시킴으로써 편향된 방사의 크기가 도파로 내부를 진행하는 방사의 크기로서 측정되는 파장 의존적인 수퍼회절격자 커플러를 포함하는 소자.A wavelength dependent superdiffraction grating whose radiation is intercepted in the waveguide and deflecting a portion of the radiation to a radiation meter responsive to the power of the radiation impinging upon it, the magnitude of the deflected radiation being measured as the magnitude of the radiation traveling inside the waveguide. A device comprising a coupler. 입력 빔의 입력 파워 스펙트럼을 변경하고 상기 입력 빔을 출력 파워 스펙트럼을 가지는 출력 빔으로 변환하는 광학소자에 있어서,An optical element for changing an input power spectrum of an input beam and converting the input beam into an output beam having an output power spectrum, 상기 입력 빔으로부터 한 파장 범위 내의 제어가능한 양의 파워를 제거하기 위한 한 세트의 N 개의 제어가능한 파장 감지 파워 제거 모듈들을 포함하여, 선택된 파장 범위에서 파워를 차감함으로써 상기 입력 파워 스펙트럼이 상기 출력 파워 스펙트럼으로 변환되는 광학 소자.A set of N controllable wavelength sensing power removal modules for removing a controllable amount of power within a wavelength range from the input beam, thereby subtracting power at a selected wavelength range to thereby reduce the output power spectrum to the output power spectrum. The optical element that is converted to. 입력 파워 스펙트럼을 가지는 입력 빔을 수신하고 그 에너지를 증가시킴으로써 출력 파워 스펙트럼을 가지는 출력빔을 형성하는 이득 매체를 포함하는 광증폭기에 있어서,An optical amplifier comprising a gain medium that receives an input beam having an input power spectrum and increases its energy to form an output beam having an output power spectrum. 상기 입력 빔으로부터 적어도 하나의 파장 범위 내의 제어가능한 양의 파워를 제거하기 위한 파워 제어 유닛을 포함함으로써, 상기 입력 파워 스펙트럼은 상기 출력 파워 스펙트럼이 원하는 프로파일을 가지도록 조절될 수 있는 광증폭기.And a power control unit for removing a controllable amount of power within at least one wavelength range from the input beam, wherein the input power spectrum can be adjusted such that the output power spectrum has a desired profile. 다중화된 입력을 수신하기 위한 한 세트의 입력 도파로를 포함하는 그리드 상으로 배열된 도파로들의 어레이에 있어서,An array of waveguides arranged on a grid comprising a set of input waveguides for receiving multiplexed inputs, 한 세트의 출력 도파로들과 교차하는 적어도 하나의 파장을 포함하고, 상기 입력 도파로의 각각은 일련의 파장 의존적 수퍼회절격자 커플러들을 가지고, 상기 커플러들의 각각은 선택된 출력 파장 범위의 방사를 대응하는 출력 도파로로 커플링함으로써, 입력 도파로 상에 복수의 파장을 가지고 들어오는 방사는 각각 출력파장 범위를 운반하는 한 세트의 출력 도파로로 분류되는 도파로들의 어레이.At least one wavelength that intersects a set of output waveguides, each of the input waveguides having a series of wavelength dependent superdiffraction couplers, each of the couplers output radiation corresponding to radiation of a selected output wavelength range; By coupling into an array of waveguides, the radiation coming in with a plurality of wavelengths on the input waveguide is classified into a set of output waveguides each carrying an output wavelength range. 제23항에 있어서, 적어도 일부의 상기 출력 파장 범위가 단일 파장 채널을 커버하는 것을 특징으로 하는 소자.The device of claim 23, wherein at least some of said output wavelength ranges cover a single wavelength channel. 입력 파장 의존적 그룹 지연 스펙트럼을 가지는 입력 빔을 수신하고 보상 그룹 지연 스펙트럼을 인가함으로써 출력 빔을 생성하는 광학 소자에 있어서,An optical element for generating an output beam by receiving an input beam having an input wavelength dependent group delay spectrum and applying a compensation group delay spectrum, 상기 입력 빔을 수신하기 위한 입력 포트;An input port for receiving the input beam; 보상 파장 의존적 지연을 그를 통해 진행하는 방사에 부과하기 위한 적어도 하나의 파장 의존적 수퍼회절격자; 및At least one wavelength dependent supergraft grating for imposing a compensation wavelength dependent delay on the radiation traveling therethrough; And 출력 포트를 포함하는 소자.Device containing an output port. 제25항에 있어서, 상기 입력 포트는 입력 방사를 반사적 수퍼회절격자로 커플링하는 광학 순환기에 연결되고, 상기 수퍼회절격자는 후방 방사를 상기 순환기로 반사하며 상기 파장 의존적 지연이 그 위에 새겨져 있는 것을 특징으로 하는 소자.26. The apparatus of claim 25, wherein the input port is coupled to an optical circulator that couples input radiation to a reflective superdiffraction grating, wherein the superdiffraction grating reflects back radiation to the circulator and the wavelength dependent delay is engraved thereon. Device characterized in that. 제25항에 있어서, 상기 입력 포트는 전달적 수퍼회절격자를 가지는 제1도파로의 제1단부이고, 상기 수퍼회절격자는 그를 통해 방사를 상기 제1도파로의 제2단부로 통과시키며 상기 파장 의존적 지연이 그 위에 새겨져 있는 것을 특징으로 하는 소자.27. The device of claim 25, wherein the input port is a first end of a first waveguide with a transmissive superdiffraction grating, through which the radiation passes the radiation to the second end of the first waveguide and the wavelength dependent delay. An element characterized by engraved thereon. 제25항에 있어서, 상기 입력 포트는 반사적 수퍼회절격자에 연결되고, 상기 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 반대인 제2방향으로 진행하는 제2도파로로 커플링하며 상기 파장 의존적 지연이 그 위에 새겨져 있는 것을 특징으로 하는 소자.27. The device of claim 25, wherein the input port is connected to a reflective superdiffraction grating, the superdiffraction grating being in a second direction substantially opposite the first direction for input radiation in the first waveguide traveling in the first direction. Coupling to an advancing second waveguide, wherein the wavelength dependent delay is engraved thereon. 제25항에 있어서, 상기 입력 포트는 전달적 수퍼회절격자에 연결되고, 상기 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 상기 제1도파로 안의 입력 방사를 상기 제1방향과 실질적으로 평행한 제2방향으로 진행하는 제2도파로로 커플링하며 상기 파장 의존적 지연이 그 위에 새겨져 있는 것을 특징으로 하는 소자.26. The method of claim 25, wherein the input port is coupled to a transfer superdiffraction grating, the superdiffraction grating having a second direction substantially parallel to the first direction for input radiation in the first waveguide traveling in a first direction. Coupling to a second waveguide, the wavelength dependent delay being engraved thereon. 입력 방사를 수신하기 위한 입력 포트를 포함하고 상기 방사를 수퍼회절격자를 포함하는 픽셀들의 어레이 상으로 방향지우는 광학 소자에 있어서,An optical element comprising an input port for receiving input radiation and directing the radiation onto an array of pixels comprising a superdiffraction grating, 각 픽셀은 한 세트의 굴절률 값으로부터 선택된 모드의 굴절률을 가지고, 픽셀들의 어레이는 집합적으로 상기 입사 방사를 처리하고 출력 방사중 적어도 하나의 빔을 적어도 하나의 출력 포트로 방향지우며, 픽셀들의 어레이중 적어도 일부는 제어신호에 응답하여 대응하는 픽셀의 모드의 굴절률 값을 제어가능하게 설정하기 위한 제어수단에 연결되어, 입력 방사에 대해 적용된 처리가 상기 제어수단에 인가된 제어신호에 의해 결정될 수 있는 소자.Each pixel has a refractive index in a mode selected from a set of refractive index values, the array of pixels collectively processing the incident radiation and directing at least one beam of output radiation to at least one output port, wherein the array of pixels At least partly connected to control means for controllably setting the refractive index value of the mode of the corresponding pixel in response to the control signal, such that the processing applied to the input radiation can be determined by the control signal applied to the control means. . 이득 매체, 상기 이득 매체 안에서 반전을 일으키기 위한 펌핑 수단 및 상기 이득 매체 안에서 광학 방사를 공진시키기 위한 수단을 포함하는 레이저에 있어서,A laser comprising: a gain medium, pumping means for causing reversal in the gain medium and means for resonating optical radiation in the gain medium, 상기 이득 매체 안에서 방사를 공진시키기 위한 수단은 수퍼회절격자를 포함하는 적어도 하나의 픽셀 어레이를 포함하고, 각 픽셀은 한 세트의 굴절률 값에서 선택된 모드의 굴절률을 가지고, 픽셀들의 어레이는 집합적으로 상기 입사 방사를 처리하고, 픽셀들의 어레이중 적어도 일부는 제어신호에 응답하여 대응하는 픽셀의 굴절률 값을 제어가능하게 설정하기 위한 제어수단에 연결되어, 입력 방사에 대해 적용된 처리가 상기 제어수단에 인가된 제어신호에 의해 결정될 수 있는 레이저.The means for resonating radiation in the gain medium comprises at least one array of pixels comprising a superdiffraction grating, each pixel having a refractive index of a mode selected from a set of refractive index values, wherein the array of pixels collectively At least a portion of the array of pixels is coupled to control means for controllably setting the refractive index value of the corresponding pixel in response to the control signal such that a process applied to the input radiation is applied to the control means. Laser that can be determined by a control signal. 제31항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 적어도 두 개의 파장 범위에서 상기 제어신호에 의해 설정된 각각의 손실을 가지고 방사와 공진함으로써, 상기 제어신호에 의해 결정된 파워 스펙트럼을 구축하는 것을 특징으로 하는 레이저.32. The laser of claim 31 wherein said superdiffraction grating resonates with radiation with respective losses set by said control signal in at least two wavelength ranges, thereby constructing a power spectrum determined by said control signal. 제31항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 상기 이득 매체의 바깥에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저.32. The laser of claim 31 wherein said superdiffraction grating is located outside of said gain medium. 제31항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 상기 이득 매체의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저.32. The laser of claim 31 wherein said superdiffraction grating is located inside said gain medium. 제31항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 상기 이득 매체의 안쪽에 위치하고 상기 수퍼회절격자는 다른 파장의 방사를 상기 이득 매체를 통한 다른 경로를 따라 방향지움으로써, 상기 공진기를 통해 파장 의존적인 길이를 구축하는 것을 특징으로 하는 레이저.32. The device of claim 31, wherein the superdiffraction grating is located inside of the gain medium and the superdiffraction grating is capable of directing wavelength dependent lengths through the resonator by directing radiation of different wavelengths along different paths through the gain medium. Laser, characterized in that the building. 적어도 두 개의 입력 파장의 광학 방사를 적어도 하나의 물리적으로 분리된 채널 상에 수신하고 이를 단일 출력 채널로 결합하기 위한 장치에 있어서,An apparatus for receiving optical radiation of at least two input wavelengths on at least one physically separate channel and combining them into a single output channel, 적어도 두 개의 입력 채널들;At least two input channels; 다른 파장의 방사를 편향시키고 편향된 방사를 상기 출력 채널 쪽으로 방향지우는 1 또는 2차원 파장 의존적 수퍼회절격자를 포함하는 소자.A one or two-dimensional wavelength dependent superdiffraction grating that deflects radiation of other wavelengths and directs the deflected radiation towards the output channel. 제36항에 있어서, 1 또는 2차원 파장 의존적인 수퍼회절격자는 방사를 입력 진행 방향으로부터 멀어지도록 파장에 의존하는 각도로 편향시키고 그 방사를 출력 파장 채널을 위한 도파로로 집속시키는 것을 특징으로 하는 소자.37. A device according to claim 36, wherein the one or two dimensional wavelength dependent superdiffraction deflects radiation at an angle dependent on the wavelength so as to be away from the direction of input travel and focuses the radiation to a waveguide for the output wavelength channel. . 적어도 하나의 입력 포트 및 반대 방향으로 다른 감쇠율을 가지는 비대칭 광학 수단에 연결되는 적어도 하나의 출력 포트를 포함하는 광학 소자에 있어서,An optical element comprising at least one input port and at least one output port connected to asymmetric optical means having different attenuation in opposite directions, the optical element comprising: 상기 입력 포트로부터 출력 포트로 통과 대역 안에서 방사를 커플링하는 수퍼회절격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.And a superdiffraction grating for coupling radiation in the pass band from the input port to the output port. 제38항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 제1도파로로부터의 방사를 제2도파로 내의 제1방향으로 진행하는 방사로 커플링하는 것을 특징으로 하는 소자.39. The device of claim 38, wherein the superdiffraction grating couples radiation from the first waveguide traveling in the first direction into radiation running in the first direction in the second waveguide. 제38항에 있어서, 상기 수퍼회절격자는 제1방향으로 진행하는 입력 도파로로부터의 방사를 출력 도파로 내의 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 진행하는 방사로 커플링하는 것을 특징으로 하는 소자.39. The device of claim 38, wherein the superdiffraction grating couples radiation from an input waveguide traveling in a first direction to radiation traveling in a second direction opposite to the first direction in the output waveguide. 제40항에 있어서, 입력 도파로 및 출력 도파로는 동일한 것을 특징으로 하는 소자.41. The device of claim 40, wherein the input waveguide and the output waveguide are the same. 제40항에 있어서, 입력 도파로 및 출력 도파로는 물리적으로 분리된 것을 특징으로 하는 소자.41. The device of claim 40, wherein the input waveguide and the output waveguide are physically separated. 적어도 하나의 입력 포트 및 반대 방향으로 다른 감쇠율을 가지는 비대칭 광학 수단에 연결되는 적어도 하나의 출력 포트를 포함하는 광학 소자에 있어서,An optical element comprising at least one input port and at least one output port connected to asymmetric optical means having different attenuation in opposite directions, the optical element comprising: 입력 포트로부터 다음 포트로 순차적으로 통과 대역 안에서 방사를 커플링하는 수퍼회절격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.And a superdiffraction grating coupling the radiation sequentially in the pass band from the input port to the next port. 입력 포트 및 광축을 따라 배치되고 수퍼회절격자에 연결되는 출력 포트를포함하고, 상기 수퍼회절격자는 방사를 통과 대역 안에서 입력 포트로부터 출력 포트로 커플링하는 광학 소자에 있어서,10. An optical element comprising an input port and an output port disposed along an optical axis and connected to a superdiffraction grating, said superdiffraction grating coupling radiation from an input port to an output port in a pass band, 파면의 설계 세트를 형성하는 아날로그 프로파일을 나타내는 두 횡방향으로 연장되는 한 세트의 횡방향 픽셀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.And a set of two transversely extending transverse pixels representing an analog profile forming a wavefront design set. 제45항에 있어서, 상기 수퍼회절격자의 픽셀들은 한 세트의 제어신호에 응답하여, 상기 어레이의 대응하는 픽셀들의 굴절률 값을 변경하기 위한 제어가능한 수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광학소자.46. The device of claim 45, wherein the pixels of the superdiffraction grating are controlled by controllable means for changing the refractive index values of corresponding pixels of the array in response to a set of control signals. 제1 입력 포트로부터의 입력 방사를 제1 출력 포트에서 출사하는 출력 방사로 운반하는, 회절격자 물질의 제1전파층 안에 적어도 하나의 도파로, 및 상기 제1전파층의 제1포트로부터 전파되는 입력 방사를 제3차원 축을 따라 상기 제1전파층과는 다른 위치에 배치된 적어도 하나의 다른 전파층으로 커플링하기 위해 회절격자 물질의 변조층 내에 형성되고, 그 안에 상기 방사를 처리하기 위해 형성된 양자화된 픽셀들을 가지는 2차원 수퍼회절격자; 및At least one waveguide in a first propagation layer of diffraction grating material, and an input propagating from a first port of the first propagation layer, carrying input radiation from the first input port to output radiation exiting the first output port A quantization formed within the modulating layer of diffraction grating material for coupling radiation to at least one other propagation layer disposed at a location different from the first propagation layer along a third dimensional axis, the quantization formed therein for processing the radiation. Superdimensional diffraction grating having pixelated pixels; And 처리된 방사를 상기 제1출력 포트를 향해 방향지우기 위한 수단을 포함하는 3차원 광학 소자.Means for directing the processed radiation towards the first output port. 일 파장 범위에서 방사를 전달하는 기준면 안에 광학적으로 전파되는 물질의 층을 포함하는 물질로서, 이 물질에는 굴절률 변화 패턴이 새겨져 있어 상기 기준면 내에서의 전파가 억제되고, 상기 굴절률 변화 패턴은 아날로그 굴절률 프로파일로부터 디지털화된 것을 특징으로 하는 물질.A material comprising a layer of optically propagating material in a reference plane that transmits radiation in one wavelength range, the material having a refractive index change pattern engraved therein to suppress propagation within the reference plane, the refractive index change pattern being an analog refractive index. A material characterized by digitizing from a profile. 제47항에 있어서, 상기 굴절률 변화 패턴은 상기 파장 범위에서 한정된 영역 및 한정된 방향으로 방사의 전파가 허용되도록 수정되는 것을 특징으로 하는 물질.48. The material of claim 47, wherein the refractive index change pattern is modified to allow propagation of radiation in a defined region and in a defined direction in the wavelength range. 제47항에 있어서, 광전물질의 기판 상에 배치됨으로써, 광전물질 상에 충돌하는 방사의 전파가 상기 광전물질 상에 충돌하지 않는 방사의 전파와 쉽게 비교되는 것을 특징으로 하는 물질.48. The material of claim 47, wherein by being disposed on a substrate of photovoltaic material, propagation of radiation impinging on the photoelectric material is readily compared to propagation of radiation that does not impinge on the photoelectric material. 제47항에 있어서, 레이저 파장에서 레이저 반응을 일으킬 수 있고 레이저 파장에서 방사의 전파를 허용하는 적어도 하나의 국부화된 영역을 가짐으로써, 상기 레이저 파장에서의 여기된 방출이 상기 국부화된 영역 내에서 공진하도록 제한되는 것을 특징으로 하는 물질.48. The method of claim 47, wherein the excited emission at the laser wavelength is within the localized region by having at least one localized region capable of causing a laser response at the laser wavelength and allowing propagation of radiation at the laser wavelength. A material, characterized in that it is limited to resonate at. 제47항에 있어서, 상기 굴절률 변화 패턴이 없는 곳 안에 도파로를 포함하여, 방사가 상기 도파로 내에서 전파되고, 상기 물질 내에서 상기 도파로는 기준값보다 적은 곡률반경을 가지는 곡선을 따르는 것을 특징으로 하는 물질.48. The material of claim 47, wherein a waveguide is included in the absence of the refractive index change pattern such that radiation propagates within the waveguide, wherein the waveguide follows a curve having a curvature radius less than a reference value. . 제47항에 있어서, 그 사이에 분리 영역을 개재하여 두 개의 도파로를 포함하고, 상기 분리 영역은 적어도 감쇠 길이 안에서 방사를 전파하는 능력을 가진 것을 특징으로 하는 물질.48. The material of claim 47, comprising two waveguides between the separation regions therebetween, the separation regions having the ability to propagate radiation at least within attenuation lengths. 제52항에 있어서, 상기 분리 영역은 상기 도파로 간의 분리보다 큰 감쇠 길이 안에서 전파를 허용하는 굴절률 변화 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 물질.53. The material of claim 52, wherein the isolation region has a refractive index change pattern that allows propagation within a greater attenuation length than separation between the waveguides. 제47항에 있어서, 상기 물질은 출력 파장의 방사를 생성하는 두 입력 파장 간의 비선형 반응을 지지하고 상기 굴절률 변화 패턴은 상기 두 입력 파장과 출력 파장의 전파를 억제하며; 그리고48. The method of claim 47, wherein: the material supports a nonlinear reaction between two input wavelengths producing radiation of an output wavelength and the refractive index change pattern inhibits propagation of the two input wavelengths and output wavelengths; And 상기 입력 및 출력 파장의 전파를 위하여 상기 물질 안에 형성되는 적어도 하나의 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질.And at least one waveguide formed within the material for propagation of the input and output wavelengths. 입력 광원으로부터 회절격자 물질의 전파층을 통하여 전파되는 입력 방사를 상기 회절격자에서 적어도 하나의 출력 경로로 출사하는 출력 방사로 전환하기 위해 회절격자 물질의 변조층 안에 2차원 수퍼회절격자를 형성하는 방법에 있어서,A method of forming a two-dimensional superdiffraction grating in a modulation layer of diffraction grating material to convert input radiation propagating from an input light source through a propagation layer of diffraction grating material into output radiation exiting the at least one output path from the diffraction grating. To 상기 변조층 안에, 입력 방사 및 출력 방사의 전자기장 특성과 관련된 전달함수를 구현하는 2차원 아날로그 굴절률 프로파일을 생성하는 단계;Generating, in the modulation layer, a two-dimensional analog refractive index profile that implements a transfer function associated with electromagnetic fields of input radiation and output radiation; 상기 2차원 아날로그 굴절률 프로파일의 2차원 공간주파수 표현의 하나 또는 그 이상의 영역 안에서 푸리에(Fourier) 정보를 보존하는 2차원 기술을 이용하여 상기 아날로그 굴절률 프로파일을 디지털화하여 변조층 안에 디지털화된 굴절률 값을 가지는 픽셀의 어레이를 생성하는 단계; 및A pixel having a digitized refractive index value in the modulation layer by digitizing the analog refractive index profile using a two-dimensional technique that preserves Fourier information in one or more regions of the two-dimensional spatial frequency representation of the two-dimensional analog refractive index profile Creating an array of; And 상기 디지털화된 굴절률 프로파일을 나타내는 픽셀의 어레이를 상기 변조층에 부과하는 단계를 포함하는 방법.Imposing an array of pixels representing the digitized refractive index profile on the modulation layer. 제55항에 있어서,The method of claim 55, 격자 픽셀들의 2차원 샘플링 격자를 선택하는 단계;Selecting a two-dimensional sampling grating of grating pixels; 전체 소자 길이 및 폭을 설정하는 단계;를 더 포함하고,Setting the overall device length and width; 상기 디지털화하는 단계는 전체 샘플링 격자의 각 격자 픽셀 안의 굴절률 값을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The digitizing step includes setting a refractive index value in each grating pixel of the entire sampling grating. 제55항에 있어서, 상기 디지털화하는 단계는 중간 샘플링된 굴절률 프로파일을 계산하는 단계를 포함하고 상기 생플링된 굴절률 프로파일의 각 샘플링 지점에서의 값이 상기 샘플링 격자의 대응하는 지점에서의 아날로그 굴절률 프로파일의 굴절률 값과 동등한 것을 특징으로 하는 방법.56. The method of claim 55, wherein digitizing comprises calculating an intermediate sampled index of refraction profile wherein a value at each sampling point of the pleated refractive index profile is determined by the analog index of refraction profile at a corresponding point of the sampling grating. And a refractive index value equivalent. 제55항에 있어서,The method of claim 55, 상기 전달함수의 반사율 사양을 푸리에 영역으로 변환하는 단계;Converting a reflectance specification of the transfer function into a Fourier region; 푸리에 영역에서의 회절격자 파라미터를 특정하는 단계; 및Specifying a diffraction grating parameter in the Fourier region; And 상기 회절격자 파라미터를 공간 영역으로 변환함으로써 상기 공간 영역에서의 아날로그 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Determining the analog profile in the spatial domain by converting the diffraction grating parameter into the spatial domain. 제55항에 있어서,The method of claim 55, 상기 아날로그 굴절률 프로파일의 최대 굴절률 값이 최소가 되도록 상기 아날로그 굴절률 프로파일의 위상 성분을 특정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Specifying a phase component of the analog refractive index profile such that the maximum refractive index value of the analog refractive index profile is minimum. 입력 광원으로부터 축을 따라 회절격자 물질의 전파층을 통해 전파되는 입력 방사를 상기 회절격자에서 상기 축으로 출사되는 출력 방사로 변환하기 위해 회절격자 물질의 변조층 안에 유효 1차원 수퍼회절격자를 형성하는 방법에 있어서,A method of forming an effective one-dimensional superdiffraction grating in a modulation layer of diffraction grating material to convert input radiation propagating through the propagation layer of diffraction grating material from an input light source along an axis to output radiation exiting from the diffraction grating. To 상기 변조층 안에, 입력 방사 및 출력 방사의 전자기장 특성과 관련된 전달함수를 구현하는 2차원 아날로그 굴절률 프로파일을 생성하는 단계;Generating, in the modulation layer, a two-dimensional analog refractive index profile that implements a transfer function associated with electromagnetic fields of input radiation and output radiation; 상기 2차원 아날로그 굴절률 프로파일의 2차원 공간주파수 표현의 하나 또는 그 이상의 영역 안에서 푸리에 정보를 유지하는 2차원 기술을 이용하여 상기 아날로그 굴절률 프로파일을 디지털화하여 변조층 안에 디지털화된 굴절률 값을 가지는 픽셀의 어레이를 생성하는 단계; 및Digitize the analog refractive index profile using a two-dimensional technique that maintains Fourier information within one or more regions of the two-dimensional spatial frequency representation of the two-dimensional analog refractive index profile to produce an array of pixels having a digitized refractive index value in the modulation layer. Generating; And 상기 디지털화된 굴절률 프로파일을 나타내는 픽셀의 어레이를 상기 변조층의 상기 축으로부터 횡방향 거리로 연장되는 부분에 부과하는 단계를 포함하는 방법.Imposing an array of pixels representing the digitized refractive index profile on a portion extending a lateral distance from the axis of the modulation layer. 입력 광원으로부터 회절격자 물질을 통하여 전파되는 입력 방사를 상기 회절격자에서 적어도 하나의 출력 경로로 출사하는 출력 방사로 전환하기 위해 회절격자 물질의 변조체 안에 3차원 수퍼회절격자를 형성하는 방법에 있어서,A method of forming a three-dimensional superdiffraction grating in a modulator of diffraction grating material to convert input radiation propagating through an diffraction grating material from an input light source into output radiation exiting the at least one output path from the diffraction grating, 상기 변조체 안에, 입력 방사 및 출력 방사의 전자기장 특성과 관련된 전달함수를 구현하는 3차원 아날로그 굴절률 프로파일을 생성하는 단계;Generating, in the modulator, a three-dimensional analog refractive index profile that implements a transfer function associated with electromagnetic fields of input radiation and output radiation; 상기 2차원 아날로그 굴절률 프로파일의 3차원 공간주파수 표현의 하나 또는 그 이상의 영역 안에서 푸리에 정보를 보존하는 3차원 기술을 이용하여 상기 아날로그 굴절률 프로파일을 디지털화하여 변조층 안에 디지털화된 굴절률 값을 가지는 픽셀의 어레이를 생성하는 단계; 및Digitize the analog refractive index profile using a three-dimensional technique that preserves Fourier information in one or more regions of the three-dimensional spatial frequency representation of the two-dimensional analog refractive index profile to produce an array of pixels having a digitized refractive index value in the modulation layer. Generating; And 상기 디지털화된 굴절률 프로파일을 나타내는 픽셀의 어레이를 상기 변조층에 부과하는 단계를 포함하는 방법.Imposing an array of pixels representing the digitized refractive index profile on the modulation layer. 입력 광원으로부터 회절격자 물질의 전파층을 통하여 전파되는 입력 방사를 상기 회절격자에서 적어도 하나의 출력 경로로 출사하는 출력 방사로 전환하기 위해 회절격자 물질의 변조층 안에 1 또는 2 또는 3차원 수퍼회절격자를 형성하는 방법에 있어서,One or two or three-dimensional superdiffraction gratings in the modulation layer of diffraction grating material to convert input radiation propagating from the input light source through the propagation layer of diffraction grating material into output radiation exiting the diffraction grating in at least one output path. In the method of forming, 상기 변조층 안에, 입력 방사 및 출력 방사의 전자기장 특성과 관련된 전달함수를 구현하는 1차원 아날로그 굴절률 프로파일 P를 생성하는 단계;Creating, in the modulation layer, a one-dimensional analog refractive index profile, P, which implements a transfer function associated with electromagnetic fields of input radiation and output radiation; 스펙트럼 정보가 보전되고 거기에 가중치가 할당되는, 공간주파수를 선택하는 필터 함수 H를 생성하는 단계;Generating a filter function H for selecting spatial frequencies, to which spectral information is preserved and assigned weights; 다음 수식으로 표현되는 최적화 문제를 풂으로써, 상기 입력 방사를 출력 방사로 변환하는, 상기 변조층 안의 이진 수퍼회절격자의 굴절률 프로파일 X를 계산하는 단계; 및Calculating the refractive index profile X of the binary superdiffraction grating in the modulation layer by converting the input radiation into an output radiation by solving an optimization problem represented by the following equation; And (여기서, X는 이진 수퍼회절격자의 굴절률 값들을 포함하는 벡터이고, V는 라그랑지 곱수(Lagrange multiplier)의 벡터, L은 최적화의 유형을 결정하며, nlow및 nhigh는 각각 이진 수퍼회절격자의 저굴절률값 및 고굴절률값이다.)(Where X is a vector containing the refractive index values of the binary superdiffraction grating, V is a vector of Lagrange multiplier, L determines the type of optimization, and n low and n high are binary superdiffraction gratings, respectively) Low and high refractive index values. 디지털화된 굴절률 프로파일을 나타내는 픽셀의 어레이를 상기 변조층에 부과하는 단계를 포함함으로써, 상기 입력 방사가 상기 출력 방사로 변환되는 방법.Imposing an array of pixels representing the digitized refractive index profile on the modulation layer, whereby the input radiation is converted to the output radiation.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230122539A (en) * 2022-02-14 2023-08-22 한국전자통신연구원 Optical artificial neural network system

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MXPA04000186A (en) 2001-07-03 2004-10-27 Univ Brown Res Found Method and apparatus for processing optical signals with supergratings.
US7496257B2 (en) 2001-07-03 2009-02-24 Brown University Research Foundation Method and apparatus for detecting multiple optical wavelengths
KR100690412B1 (en) 2002-12-26 2007-03-12 니폰덴신뎅와 가부시키가이샤 Wave transmission medium and waveguide circuit
JP5831206B2 (en) 2011-12-21 2015-12-09 富士通株式会社 Optical switch element, optical demodulator, and optical demodulation method
WO2015184162A1 (en) * 2014-05-29 2015-12-03 Brown University Optical system and methods for the determination of stress in a substrate
US10185303B2 (en) * 2015-02-21 2019-01-22 Kla-Tencor Corporation Optimizing computational efficiency by multiple truncation of spatial harmonics
KR102456898B1 (en) * 2016-03-17 2022-10-19 삼성에스디에스 주식회사 Method and apparatus for generating norm pattern of data signal
US11165508B2 (en) * 2018-07-25 2021-11-02 Corning Incorporated Communications systems comprising waveguide arrays for realizing localized quantum walks
CN110857977B (en) * 2018-08-23 2024-09-17 武汉万集光电技术有限公司 Optical antenna, phased array laser radar and two-dimensional scanning method of optical antenna
JP2020148875A (en) * 2019-03-13 2020-09-17 株式会社フジクラ Lens member, light guide member, and laser device
CA3153572A1 (en) 2019-10-08 2021-04-15 Nicholas Francis Borrelli Optical systems comprising binary photonics lattices
CN113671770B (en) * 2020-05-15 2024-04-09 华为技术有限公司 Optical selective switch and node device
WO2022022830A1 (en) * 2020-07-30 2022-02-03 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Antenna structure, light emitting device and method for designing an antenna structure
CN114499673B (en) * 2020-11-12 2024-07-26 莫列斯有限公司 Optical amplifier module and gain control method thereof
CN113067238B (en) * 2021-03-19 2022-02-22 中国计量大学 Resonant cavity for generating single photon and single photon source system

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5703710A (en) * 1994-09-09 1997-12-30 Deacon Research Method for manipulating optical energy using poled structure
US5832156A (en) * 1996-10-31 1998-11-03 Lucent Technologies Inc. Article comprising an optical waveguide tap
CA2269231C (en) * 1998-04-16 2004-03-16 Martin F. Fay Self-collimating multiwavelength lasers
US6181852B1 (en) * 1998-09-23 2001-01-30 Lucent Technologies Inc. Optical grating device with variable coating
WO2001011401A1 (en) * 1999-08-05 2001-02-15 Daniel Levner Synthesis of supergratings by fourier methods
WO2001031387A1 (en) * 1999-10-28 2001-05-03 Massachusetts Institute Of Technology Tunable add/drop filter using side-coupled resonant tunneling
US6393173B1 (en) * 2000-03-28 2002-05-21 Lucent Technologies Inc. 2×2 integrated optical cross-connect

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230122539A (en) * 2022-02-14 2023-08-22 한국전자통신연구원 Optical artificial neural network system

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