利用超光栅处理光信号的方法和设备技术

提供一种光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅（２２１ａ－２２１ｆ）。光学超光栅（２２１ａ－２２１ｆ）包括一个量化的折射率分布，量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率又适合于在对应于傅里叶变换的模拟的折射率分布的至少一个光谱带中产生反射光谱。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般来说涉及处理光信号，更加具体地说涉及光信号的路由、滤波、和检测。
技术介绍
光栅是用来借助于光学干涉效应实现波长相关特性的光学器件。这些光波长相关特性例如可用来反射一种特定波长的光同时透射或折射所有其它波长的光。这样的特性在很多情况下都是有用的，包括在波分多路复用(WDM)光学通信系统中提取单个波长的信道，或者为可调谐的或多波长的半导体激光器提供波长特定的反馈。通常，光栅通过调制(改变)波导结构的有效折射率来实现。折射率的这些变化使入射光波长发生反射或折射在两个折射率值之间的突变界面上，直接入射到界面上的光按照著名的菲涅尔反射定律进行反射。术语“多波长光栅”通常指的是能够呈现一系列波长的光特性的光栅。例如，多波长光栅可以是反射几种选择波长(可对应于特定的光学通信信道)的光并且对于其它波长的光是透明的一种光栅。但在某些情况下，要针对波长的一个连续范围来设定光特性，而不是针对几个特定的波长值；例如，当使用光栅补偿激光腔和光放大器中的不均匀性时就是这样。然而，实现波长的连续范围这个要求就难以满足传统的光栅技术的要求。类似地，可以使用光波长的一个范围，通过利用不同波长的光将许多通信信道编入单个光缆中；这通常称之为波分多路复用(WDM)技术。经常使用周期光栅来分开或处理这些信道。但是，周期光栅技术只处理一个波长，勉强器件试图处理多个波长，只能使用多个单个波长的周期光栅。这不是一个令人满意的解决方案，这是因为，除每个光栅产生的附加损耗外，就今天的集成和微型化标准而言，即使是单个光栅也要占据相当大量的空间。因此期望，使单个器件能够以空间有效的方式处理几个波长。在半导体激光器领域，半导体激光器的输出波长在很大程度上由激光器增益部分周围或其内部存在的“反馈元件”确定，反馈元件的作用是将期望波长的光反射回来进入激光器内。对于多波长操作，需要多波长反馈。再有，单个波长光栅技术只是利用单个光栅的级联来满足这个要求，从而可能导致如以上所述的相同的(如果不是更加严重的话)损耗和空间问题。在光传输领域，众所周知的是，光学网络必须应对称之为色散的性质。这个性质来源于折射率的波长相关性，折射率的波长相关性对于指定类型和长度的光纤，又会产生波长相关群延迟光谱。由于光脉冲总是有一定的光谱宽度，因此这种波长相关性将要导致光脉冲的各种不同的光谱分量的不同的延迟，从而导致光脉冲的空间域的圹展。这种扩展直接妨碍了光学网络的操作。某些形式的色散可以利用单波长光栅进行佼正，但只能一个信道接一个信道地进行。色散的更加复杂的形式如色散斜率就不能全用单波长光栅进行适当的校正。一种这样的单波长光栅器件是布拉格光栅。布拉格光栅利用了折射率的周期性变化原理，作为与折射率分布的周期性(称之为间距，A)相关的单个波长光的反射器起作用，经常用在半导体系统和光纤系统。实践中，布拉格光栅通常可以反射对应于它的基频的谐波的几种波长；但是，与基波波长相比，这些高次谐波的波长趋向于处在完全不同的光谱区，这样，就不会使布拉格光栅成为多波长反射器。况且，对于这些高次谐波波长不可实现彼此无关的调谐。其它的多波长光栅技术包括模拟叠加光栅、采样光栅(SG)、超结构光栅(SSG)、线性调频光栅(Chirped Bragg Gratings)、丹曼光栅、阵列式波导光栅(AWD)、中阶梯光栅、二进制叠加光栅(BSG)。模拟叠加光栅是由布拉格光栅产生的，来源于叠加的原理由单波长光栅的折射率分布的总和组成的光栅分布是在它的所有的分波长处反射的结果。这样的光栅依靠的是模拟折射率变化，即，沿光栅的长度方向连续变化的折射率变化。然而，使用众所周知的光折射技术记录强的模拟光栅是很困难的，因为在照射下的折射率变化因为照射较强而改变了非线性，使其中使用了表面浮雕光栅的半导体中的写入过程很难实现。用复制的方法在半导体表面内蚀刻模拟特性也是极其困难的并且通常是不能实现的。后一种困难将引入二进制光栅，即，只依靠两个折射率值的光栅，这两个折射率值对应于蚀刻的或未经蚀刻的材料、或者，照射过的或未经照射的材料。多波长二进制光栅的两个代表是采样光栅(SG)和超结构光栅(SSG)。SG是由波导的光栅区和无光栅区的交替部分构成的。这些交替部分产生了由包含在一个(典型的)对称包络线中的多个反射峰构成的衍射光谱。SG在反射峰的位置和相关的强度的灵活性方法存在限制，并且因为无光栅空间占有很大的份额，SG还存在空间利用率不高的问题。因此，SG特别不适合于需要短光栅或波导损耗很大的情况。至于超结构光栅(SSG)，通过精细改变光栅间距，可以线性调节(chirp)光栅周期，所说的光栅间距与一个齿槽循环的长度相对应。这还可能被认为是精细调节的相移的一个程序；普通的相位分布包括线性和二次线性调节(chirp)。这种实施方案的原理允许有任意的峰值位置和相关的高度，但这只是以牺牲极高的分辨率为代价的，所说的极高的分辨率在光栅齿(teech)本身的大小中占极小的份额。线性调频光栅是例如用于色散补偿和光脉冲压缩的光栅器件。这里，布拉格光栅间距A沿着长度方向是变化的。这就产生了波长相关的相位光谱，可能要改变这个波长相关的相位光谱来提供期望的群延迟光谱τg＝-dφ/dω。对于一个指定的自由空间波长λ0，从往返距离可知，延迟遵守τg(λ0)＝2neffz(λ0)，在这个往返距离，本地间距用λ0作为它的布拉格波长，其中z(λ0)是在Λ(z)＝λ0/2neff时的空间坐标。但在实践中，这些实施方案遭到过大的群延迟波动，这表明这种色散补偿是不完整的。丹曼光栅是二进制光栅器件，其中光栅的特点集中在表面上，并且其中入射光以某个法角或非法角照射这个表面。入射到这个光栅上的光波经受光栅特性的一次性干扰，并因此经受拉曼—奈斯型衍射(与布拉格衍射相反)。这个器件旨在用于自由空间，不容易用在波导应用中。进而，为了实现现代光学通信系统提出的波长分辨要求，必须将入射光准直到极高的程度，这在实践中证实是困难的。阵列式波导光栅(AWG)主要用于WDM环境中的空间分割光学信道。它们是通过分割在一个阵列的波导之间的输入多波长的光进行操作的，其中的每个波导具有略微不同的光长度。在波导的相应的输出之间的最终的光相位差导致波长相关的干扰分布，由此再借助于准确的设计可分开不同的波长分量。在实践中，这种技术要求使用巨大数量的半导体基板，极大地增加了制造限制。中阶梯光栅也是主要用于在WDM环境中的空间分割光学信道。这里，借助于在各个视角(glazing angle)并且可能沿某个弯曲的平面确定子波长反射特性，来产生光栅平面。然后用多波长的光照射光栅平面，通常是以一个倾斜的角度进行这种照射，并将各个反射相加，从而将各个波长分量基本上分开。这种器件在实践中实施有极大的困难，当在半导体中实施时，需要深而平的蚀刻特性。有关二进制叠加光栅综合情况的现有技术在下述的文章中提出Ivan.A.Avrutsky，Dave S.Ellis，Alex Tager，Hanan Anis，和J.M.Xu，“宽可调谐半导体激光器的设计和二进制叠加光栅(BSG光栅)的概念“，IEEE期刊，量子电子，第34卷，第729-740页，1998年。现有技术中的较老的方法解决的是其位置和强度可以控制的“多个峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括至少一个光学超光栅的光学部件，其中至少一个光学超光栅包括一个量化的折射率分布，其中这个量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光学特性。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D莱夫纳，MF费，
申请(专利权)人：布朗大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]