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KR20010033934A - Composite diffraction gratings for signal processing and optical control applications - Google Patents

Composite diffraction gratings for signal processing and optical control applications Download PDF

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Publication number
KR20010033934A
KR20010033934A KR1020007007516A KR20007007516A KR20010033934A KR 20010033934 A KR20010033934 A KR 20010033934A KR 1020007007516 A KR1020007007516 A KR 1020007007516A KR 20007007516 A KR20007007516 A KR 20007007516A KR 20010033934 A KR20010033934 A KR 20010033934A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
input
sub
grating
waveform
output
Prior art date
Application number
KR1020007007516A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
웰리엄 알 바비트
토마스 더블유 모스버그
Original Assignee
마이클 디. 존스
템플렉스 테크널로지 아이엔씨.
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 마이클 디. 존스, 템플렉스 테크널로지 아이엔씨. filed Critical 마이클 디. 존스
Publication of KR20010033934A publication Critical patent/KR20010033934A/en

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Abstract

본 발명은 입력 광 신호에서 프로그램된 복소수 값을 갖는 스팩트럼 필터링 함수를 수행하는 복합 격자 구조를 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 격자는 다수의 서브 격자로 이루어진 복합 격자이다. 개개의 서브 격자는 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 제어가능 진폭 및 위상 변화를 빛의 특정 서브 대역 폭으로 분배하는 빛의 특정한 광 서브 대역 폭의 회절을 제어하는데, 상기 빛의 회절은 전체 작동 대역 폭내에서 제어된다. 상기 복합 격자를 포함하는 상기 서브 격자 세트는 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 빛의 작동 대역 폭의 회절을 전체적으로 제어한다. 본 발명에 따른 개개의 복합 격자는 원하는 스팩트럼 필터링 함수를 제공하기 위해 그들의 구성이나 그들의 동적 변형을 통해 프로그램된다. 본 발명에 따른 상기 복합 구조는 일반적인 스팩트럼 필터링 응용을 위해 이용될 수 있지만, 이들은 특히 광 파형 처리, 발생, 및 검출의 영역에서 매력적인 위치를 차지한다.The present invention provides a complex grating structure that performs a spectral filtering function having a complex value programmed in an input optical signal. The grating produced according to the invention is a composite grating consisting of a plurality of sub gratings. Individual sub-grids control the diffraction of a particular optical subband width of the light, which distributes controllable amplitude and phase changes to a specific subband width of light from the operating input direction to the operating output direction, where the diffraction of the light is in the full operating band. Controlled in width. The sub-grid set comprising the composite grating collectively controls the diffraction of the operating bandwidth of the light from the operating input direction to the operating output direction. Individual composite grids according to the present invention are programmed through their configuration or their dynamic modification to provide the desired spectrum filtering function. The complex structures according to the invention can be used for general spectrum filtering applications, but they occupy an attractive position, particularly in the area of optical waveform processing, generation and detection.

Description

신호 처리 및 광 제어 응용을 위한 복합 회절 격자{COMPOSITE DIFFRACTION GRATINGS FOR SIGNAL PROCESSING AND OPTICAL CONTROL APPLICATIONS}COMPOSITE DIFFRACTION GRATINGS FOR SIGNAL PROCESSING AND OPTICAL CONTROL APPLICATIONS

본 발명은 스팩트럼 필터링, 광 통신, 광 멀티플랙싱, 광 코드-분할 다중 접속, 및 광 코드 생성 및 검출에 관한 것이다.The present invention relates to spectrum filtering, optical communication, optical multiplexing, optical code-division multiple access, and optical code generation and detection.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 입력 광 신호에서 프로그램된 복소수-값을 갖는 스팩트럼 필터링 함수를 수행하는 구조(즉, 단일 설계의 회절 격자)를 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 격자는 다수의 서브격자로 이루어져 있다는 의미에서 복합 격자(composite gratings)라 한다. 서브 격자는 복소 공간 형상의 퓨리에 분해의 의미로서 다만 물리적으로 구별되거나 존재할 수 있다. 개개의 서브 격자는 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 빛의 특정한 광 서브대역 폭의 회절을 제어한다. 복합 격자를 포함하는 서브 격자의 세트는 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 빛의 작동 대역 폭의 회절을 총괄적으로 제어한다. 개개의 서브 격자는 제어 가능 진폭 및 위상 변화를 회절하는 빛의 특정한 서브 대역 폭으로 분배하는바, 상기 회절은 전체 작동 대역 폭 범위내에서 제어한다. 본 발명에 따른 복합 격자는 원하는 스팩트럼 필터링 함수를 제공하기 위해 그들의 구조나 그들의 동적 변형을 통해 프로그램된다. 프로그래밍 과정에서, 개개의 서브 격자가 원하는 진폭 및 위상 변화를 회절하는 서브 대역 폭에 제공하도록 이를 테면 공간 위상, 진폭, 공간 주기등과 같은 서브 격자의 물리적 계수가 형성되고 설정된다. 본 발명에 따른 복합 격자는 일반적인 스팩트럼 필터링 응용을 위해 이용될 수 있지만, 상기 복합 격자는 특히 광 파형 처리,생성, 및 검출 분야에서 매력적인 위치를 차지하고 있다. 광 파형은 정보를 나타내도록 부호화 될 수 있으며 그에 따라 본 발명은 광 데이터 처리,생성, 및 검출에 적용되는 것은 당연하다.The present invention provides a structure (i.e., a diffraction grating of a single design) that performs a spectrum filtering function having a programmed complex-valued input signal. Gratings manufactured according to the invention are called composite gratings in the sense that they consist of a plurality of sublattices. The sub lattice is a meaning of Fourier decomposition of the complex spatial shape but may be physically distinct or present. Individual sub-grids control the diffraction of a particular optical subband width of light from the actuation input direction to the actuation output direction. The set of sub-grids comprising the composite grating collectively controls the diffraction of the operating bandwidth of the light from the operating input direction to the operating output direction. The individual subgrids distribute the controllable amplitude and phase change to a particular subbandwidth of the diffractive light, which diffraction controls within the full operating bandwidth range. Complex gratings according to the present invention are programmed through their structure or their dynamic modification to provide the desired spectrum filtering function. In the programming process, the physical coefficients of the subgrid, such as spatial phase, amplitude, spatial period, etc., are formed and set such that the individual subgrids provide the desired amplitude and phase change to the diffraction band width. Although the composite grating according to the present invention can be used for general spectrum filtering applications, the composite grating occupies an attractive position, particularly in the field of optical waveform processing, generation, and detection. Optical waveforms can be encoded to represent information and thus the invention is naturally applicable to optical data processing, generation, and detection.

본 발명에 따른 복합 격자는 다수의 특정 실시예 및 세팅을 갖는다. 본 발명에 따른 복합 격자는 체적, 표면, 또는 도파관 격자로 실시될 수 있으며 또한 유러퓸-도핑된 니트륨 산화물과 같은 주파수-선정 활성 재료를 이용하여 구성될 수 있다. 상기 복합 격자는 유리 또는 리튬 니오베이트와 같은 고유 주파수 선택도를 갖지 않는 활성 재료를 이용해서 동일 형태로 실시될 수 있다. 현재 복합 격자 발명의 기본 설계 요소는 작동 입력에서 작동 출력 방향까지 빛의 서브 대역 폭의 회절을 제어하기위해 퓨리에 또는 물리적인 정의를 갖는 서브 격자를 이용하는 것이다. 여기서 제어라는 의미는 서브 격자의 구조적인 특성이 서브 격자에 할당된 서브 대역폭내에서 출력 및 입력 광 필드에 관련한 위상 및 진폭 인자를 결정하는 것을 뜻한다. 전형적으로 복합 격자를 포함하는 서브 격자는 겹쳐진 서브 대역 폭의 부재를 필요로 하지 않지만 실제로는 겹쳐져 있지 않은 서브 대역폭을 제어한다. 서브 격자에 의해 선택적으로 제어된 서브 대역폭은 복합 격자의 전체 작동 대역폭에 걸쳐 있어야만 할 필요가 있다.The composite grating according to the present invention has a number of specific embodiments and settings. The composite grating according to the present invention can be embodied in volume, surface, or waveguide grating and can also be constructed using frequency-selective active materials such as europium-doped nitrile oxide. The composite grating can be implemented in the same form using an active material that does not have natural frequency selectivity, such as glass or lithium niobate. The basic design element of the present composite grating invention is to use a Fourier or physical definition grating to control the diffraction of the subbandwidth of light from the actuation input to the actuation output direction. Control here means that the structural characteristics of the subgrid determine the phase and amplitude factors associated with the output and input light fields within the subband allocated to the subgrid. Sub-grids, which typically include composite gratings, do not require the absence of overlapping sub-bandwidths but control sub-bands that do not actually overlap. Subbands, optionally controlled by the subgrid, need to span the entire operating bandwidth of the composite grid.

본 발명에 따른 복합 격자는 본 기술분야에서 공지된 격자 장치와 근본적으로 차이가 있다. 공지된 격자는 어떤 입력 방향을 따라 입사하는 멀티오러된 (multieolored) 빛을 수용하고 또한 개개의 색이 다른 입사 색의 경로로부터 각을 이루어 분리되어 있는 경로를 따라 나오도록 상기 빛을 분산시킨다. 본 발명에 따른 복합 격자는 여러 성분 색의 상대 진폭과 위상을 동시에 변경시키면서 어떤 입력 방향을 따라 입사하는 멀티오러된 빛을 수용하며 또한 개개의 색의 부분을 작동 출력 방향으로 회절시킨다.The composite grating according to the present invention is fundamentally different from grating devices known in the art. Known gratings accept multieolored light incident along a certain input direction and also disperse the light so that individual colors emerge along a path separated at an angle from the path of the other incident color. The composite grating according to the present invention accommodates multi-layered light incident along a certain input direction while simultaneously changing the relative amplitude and phase of the various component colors and diffracts the individual color parts in the operating output direction.

본 발명에 따른 복합 격자 장치는 예를들어 광 코드-분할 다중 접속(OCDMA)데이터 링크에 이용될 수 있다. 이러한 적용에 있어서, 복합 격자 장치는 채널-특정 타임 코드를 지닌 다중 통신 채널 범위내에서 광 신호를 코드화하는데 이용되며 그 다음으로 그들의 인가된 타임 코드에 기초해서 별도로 채널을 검출하게 된다. 채널 특정 타임-코드를 인가하고 그 다음으로 타임-코드에 기초해서 별도로 검출하는 능력은 단일 전송 수단에서 광 통신 채널과 구별되는 다중 타임-코드의 멀티플랙싱을 허용한다. 본 발명의 복합 표면 격자는 스팩트럼 필터링을 달성하는 능력이 이용되는 어떠한 응용분야, 이를테면 순간 패턴 인식, 스팩트럼 등화, 광 암호화 와 해독, 및 분산 보상에 이용될 수 있다.The composite grating device according to the invention can be used, for example, for optical code-division multiple access (OCDMA) data links. In this application, a composite grating device is used to code optical signals within a range of multiple communication channels with channel-specific time codes and then to detect channels separately based on their applied time code. The ability to apply channel specific time-code and then separately detect based on the time-code allows multiplexing of multiple time-codes that are distinct from optical communication channels in a single transmission means. The composite surface grating of the present invention can be used in any application where the ability to achieve spectrum filtering is used, such as instant pattern recognition, spectrum equalization, optical encryption and decryption, and dispersion compensation.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

도1은 회절된 출력빔의 발생을 야기하는 2개의 서브격자로 이루어진 복합 표면 격자와 이색 입사 방사계의 상호작용에 대한 다이어그램도면이다.1 is a diagrammatic view of the interaction of a dichroic incident radiation system with a complex surface grating consisting of two sublattices leading to the generation of diffracted output beams.

도2A 및 도2B는 순간 파형 인식에 적용된 본 발명에 따른 복합 회절 격자의 작용을 나타내는 도면이다. 도시한 복합 격자는 작동 출력 방향을 따라 전송되며, 작동 입력 방향에 따라 격자에 입사하는 광 신호에 응답하여 순간 파형을 인식하며, 또한 특정 어드레스 순간 파형을 지니는 광 신호를 발생하기 위해 구성을 통해서 또는 다이내믹하게 프로그램된다. 상기 어드레스 파형 및 인식 파형은 차이가 있으며 또한 인식파형은 단지 어드레스 순간 파형을 생성하는 입력 광 신호에 응답해서 발생된다. 도2A에서, 순간 파형이 복합 격자의 어드레스 순간 파형과 사실상 유사한 광 신호는 작동 출력 방향을 따라 전송되며 또한 인식 순간 파형을 전달하는 광 신호의 발생을 일으키는 작동 입력 방향을 따라 상기 격자에 부딪힌다. 도2B에서, 순간 파형이 복합 격자로 프로그램된 어드레스 순간 파형과 실제로 차이가 있는 광 신호는 순간파형이 인식파형과 실제로 차이가 있는 출력 신호의 발생을 일으키는 격자에 부딪힌다.2A and 2B show the operation of the complex diffraction grating according to the present invention applied to instantaneous waveform recognition. The composite grating shown is transmitted along the operational output direction, and recognizes the instantaneous waveform in response to an optical signal incident on the grating along the operational input direction, and also through configuration to generate an optical signal having a specific address instantaneous waveform or Dynamically programmed The address waveform and the recognition waveform are different and the recognition waveform is generated only in response to the input optical signal which generates the address instantaneous waveform. In FIG. 2A, an optical signal whose instantaneous waveform is substantially similar to the addressing instantaneous waveform of the composite grating is transmitted along the operational output direction and impinges on the grating along the operational input direction which results in the generation of the optical signal carrying the recognition instantaneous waveform. In FIG. 2B, an optical signal whose actual waveform is actually different from the address instantaneous waveform programmed into the composite grating is hit by a grating causing the generation of an output signal whose instant waveform is actually different from the recognition waveform.

서론으로, 도1에 개략적으로 나타낸 폭(ℓ)의 전송 격자를 생각하자. 상기 격자는 y축을 따라 해석상 변하지 않으며, 또한 z축과 수직 입사하는 그의 표면과 정렬되며, 또한 2개의 파장 성분, 즉 λi= c/νi(i=1,2)으로 이루어진 평면파 광빔에 의해 방향 ki⊥y을 따라 조사된다고 하자. 우리는 좀더 상기 격자가 파장 Λj(j=1,2)의 2개 정현파 서브 격자의 선형 합으로 이루어진 흡수성 또는 위상 응답을 특성화하는 표면 형상을 지닌다고 하자. 2개의 서브 격자와 이색 입력 빔의 상호 작용은 일반적으로 상기 격자의 초기 차수에 대해 4개의 출력 빔을 형성한다. 다만 한정을 위해서, 우리는 제1 차수 회절이 도시되었다고 하자. 출력방향은 j번째 서브 격자와 i번째 광 성분간의 상호 작용에 해당하는 kij로 표시하였다. λ1122이면, 도1에서 처럼 출력 빔중 2 빔이 겹쳐질 수 있으며 또한 작동 출력 빔을 포함한다. 겹쳐진 출력 빔에 따른 방향은 작동 출력 방향으로 언급한다. 작동 출력 방향에 따라 전송되는 빛은 적절한 공간 필터링에 의해서 다른 방향으로 회절된 빛과 분리될 수 있다. 여기서 기술한 광빔과 격자는 해설을 목적으로 다양한 속성이 제공되어 있다. 이러한 속성들의 할당이 본 발명에 대해 어떤 형태로 제한된다는 의미는 아니다. 설명을 목적으로 할당된 속성은 평면파 광학 빔 특성, 전달 격자 형상, y축에 따른 해석상의 불변, 평면 격자 형상, 표면 격자 위치, 정현파 서브 격자 특성, 및 제1 회절 차수에서의 동작을 포함한다.As an introduction, consider a transmission grating of width l schematically shown in FIG. The grating does not change analytically along the y axis, but also aligns with its surface perpendicular to the z axis, and also by a plane wave light beam consisting of two wavelength components, λ i = c / ν i (i = 1,2) Suppose along the direction k i ⊥y. We further assume that the grating has a surface shape that characterizes the absorptive or phase response consisting of a linear sum of two sinusoidal subgrids of wavelength Λ j (j = 1,2). The interaction of two subgrids and dichroic input beams generally forms four output beams for the initial order of the grid. Just for the sake of limitation, let us assume that the first order diffraction is shown. The output direction is denoted by k ij corresponding to the interaction between the j th subgrid and the i th light component. If λ 1 / Λ 1 = λ 2 / Λ 2 , two beams of the output beams may overlap as shown in FIG. 1 and also include a working output beam. The direction along the superimposed output beam is referred to as the operating output direction. Light transmitted according to the operating output direction can be separated from light diffracted in the other direction by appropriate spatial filtering. The light beams and gratings described herein are provided with various properties for the purpose of explanation. The assignment of these attributes is not meant to be limited in any way to the present invention. Attributes assigned for explanatory purposes include planar wave optical beam properties, transmission grating shapes, analytical invariance along the y axis, planar grating shapes, surface grating positions, sinusoidal sub-grating properties, and operations at first diffraction orders.

N입력 주파수 및 N서브 격자에 대해 도1의 시나리오를 일반화하면, 개개의 입력 파장으로부터 조력이 특정 서브 격자에 의해 제어되는 경우 모든 입력 파장으로 부터 조력하는 작동 출력 빔을 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 서브 격자의 진폭과 상대 위상을 제어함으로서 작동 출력 빔에서 광 스팩트럼 성분의 진폭 및 위상을 제어하게 된다. 달리말해서, 복합 격자 장치는 선택된 작동 입력 방향과 특정의 작동 출력 방향에 대해 특정 전달 함수를 지닌 복소 스팩트럼 필터를 구성한다.Generalizing the scenario of FIG. 1 for N input frequencies and N sub gratings, one can obtain operational output beams that assist from all input wavelengths when tidal control from individual input wavelengths is controlled by a particular sub-grid. According to the present invention, by controlling the amplitude and relative phase of the sub-grid, the amplitude and phase of the light spectrum components in the actuating output beam are controlled. In other words, the complex grating device constitutes a complex spectrum filter with a specific transfer function for the selected operational input direction and for a particular operational output direction.

이러한 생각을 더욱 정량적으로 표현하면, 우리는 일반적인 입력 빔을 다음[1]식과 같이 Nν개의 불연속 스팩트럼 성분에 걸쳐 합으로 표현할 수 있다.To express this idea more quantitatively, we can express a general input beam as a sum over N ν discontinuous spectral components as

[1] [One]

여기서 Ei0는 복소수이고 또한 주파수(νi)에서 필드 성분의 위상과 진폭을 제공하며, r0는 격자의 중심이 되도록 취한 고정된 기준 위치이며, 또한 kin은 입력 빔의 전달 방향을 나타낸다. 임의의 순간 파형을 전달하는 광 신호는 식[1]에서 처럼 전개될 수 있다. 일반적으로, 주파수 성분들간의 간격은 역 파형 지속시간과 유사하거나 또는 그보다 작아야만 하며 또한 전개식은 광신호에 의해 차지된 스팩트럼 영역에 걸치도록 충분한 스팩트럼 성분을 포함해야만 한다. 우리는, 가산된 진폭 전달 함수가 다음[2]식으로 주어져 있는 Ng개의 여러 정현파 전달 서브 격자에 의해서 상기 격자가 결정된다고 하자.Where E i0 is a complex number and gives the phase and amplitude of the field component at frequency ν i , r 0 is a fixed reference position taken to be the center of the grating, and k in represents the direction of propagation of the input beam. The optical signal carrying any momentary waveform can be developed as in equation [1]. In general, the spacing between frequency components must be less than or equal to the inverse waveform duration and the evolution must include sufficient spectrum components to span the spectrum region occupied by the optical signal. We assume that the grating is determined by several N g sinusoidal transfer sub-grids, with the added amplitude transfer function given by [2].

[2] [2]

여기서 aj는 실수이며, Kj(=x/Λj)는 j번째 서브 격자의 파백터이며, x는 x-좌표 방향에 따른 단위 방향 백터이며, Λj는 j번째 서브 격자의 공간 주기이며, ξj는 r0에서 j번째 서브 격자의 공간 위상이다. 서브 격자의 공간위상(ξj)은 회절된 스팩트럼 성분의 광학 위상에 걸쳐 제어를 제공하기 위한 본 발명에서 상당히 중요하다. aj가 실수, 즉 상기 서브 격자가 진폭 전용 서브 격자라는 가정은 설명을 간단히 하기 위한 것이며 또한 본 발명을 제한하는 의미가 아니다. aj(aj=aj(r))에 무관한 공간을 지닌 아주 일반적인 특성의 진폭 또는 위상 서브 격자는 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 대체될 수 있다.Where a j is a real number, K j (= x / Λ j ) is a parameter of the jth subgrid, x is a unit vector along the x-coordinate direction, and Λ j is the space period of the jth subgrid , ξ j is the spatial phase of the j th subgrid from r 0 . The spatial phase ξ j of the sub-grating is of great importance in the present invention for providing control over the optical phase of the diffracted spectrum component. The assumption that a j is a real number, that is, the sub-grid is an amplitude-only sub-grid, is for simplicity of explanation and is not meant to limit the invention. A very general characteristic amplitude or phase subgrid with a space independent of a j (a j = a j (r)) can be replaced without departing from the spirit of the invention.

프라운호퍼와 얇은 격자 제한을 상기하면, j번째 서브 격자와 i번째 입력 스팩트럼 성분의 상호 작용으로 부터 초래하는 회절된 출력 필드는 다음식[3]으로 쓸수 있다.Recalling the Fraunhofer and thin grating constraints, the diffracted output field resulting from the interaction of the j th subgrid and the i th input spectrum component can be written as

[3] [3]

여기서here

[4] [4]

와 m = ±1은 서브 격자가 양 또는 음의 제1 회절 차수에서 작동되는가에 의존한다. 도1에는, 단지 양의 제1 차수가 도시되어 있으며, kij는 출력 방향이며 또한 η(r0)≡(νikin/c-mKj)ㆍr0는 r0= 0을 선택해서 편의상 소거된 원점에 의존하는 위상 인자이다. 식[3]으로 유도되는 회절 적분은 입력 및 출력 방향(kin및 kij), 즉And m = ± 1 depend on whether the subgrid is operated at a positive or negative first diffraction order. In Fig. 1, only the positive first order is shown, k ij is the output direction and η (r 0 ) ≡ (ν i k in / c-mK j ) · r 0 selects r 0 = 0 For convenience, this is a phase factor that depends on the zero point of the erase. The diffraction integration derived from equation [3] is the input and output directions k in and k ij , i.e.

[5] [5]

에서 통상의 제약조건을 제공하는데, 여기서, θin은 선택된 작동 입력 각이며, φij는 출력 각이며, 또한 i번째 파장 성분은 도1에서 나타낸바와같이 j번째 서브 격자에 의해 회절된다. 얇은 격자 및 제1차 프라운호퍼 회절의 가정은 간단한 설명을 위해 여기서 수행된 것이며 본 발명의 어떤 형태에 제한되는 것을 의미하지 않는다.Provides a common constraint in which θ in is the selected operating input angle, φ ij is the output angle, and the i th wavelength component is diffracted by the j th subgrid as shown in FIG. 1. The assumptions of thin gratings and first order Fraunhofer diffraction have been made here for the sake of brevity and are not meant to be limited to any form of the invention.

이제 Ng= Nν= N 와 λij가 모든 i=j에 대해 동일한 상수 값을 갖는 특수한 경우를 고려하자. 이러한 제 2의 가정은 i=j를 갖는 모든 회절된 빔이 공통 출력 방향, 즉 Φijout(i=j=1,...,N)을 따라 출사하는 것을 보장한다. 각 (Φout)은 작동 출력 각이다. 작동 출력 방향에 해당하는 전달 벡터는 kout로 나타내었다. 작동 출력 방향에서 전달되는 신호는 다음 식[6]으로 쓸수 있다.Now consider the special case where N g = N ν = N and λ i / Λ j have the same constant value for all i = j. This second assumption ensures that all diffracted beams with i = j exit along a common output direction, i.e., φ ij = Φ out (i = j = 1, ..., N). Angle Φ out is the operating output angle. The transfer vector corresponding to the operational output direction is represented by k out . The signal transmitted from the operating output direction can be written as

[6] [6]

는 어떠한 서브 격자도 진폭을 소거하지 않을 경우 입력 빔의 전체 스팩트럼을 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 개개의 스팩트럼의 성분의 가정에 의해서 상기 스팩트럼의 일부를 작동 출력 방향으로 회절시키기위해 구성된 서브 격자가 제공되었다. 작동 출력 빔에서 개개의 스팩트럼 성분은 위상 및 진폭이 i번째 서브 격자의 공간 위상 및 진폭에 의해 결정되는 인자(Hij)로 곱해진다. 따라서는 스팩트럼으로 필터링된 입력 빔의 버전을 나타낸다. 필터링 함수는 그의 제조중에 복합 격자의 프로그램밍을 통해서 또는 그의 작동중에 동적으로 결정된다. 임의의 필터링 함수(H(ν))는 불연속화가 충분히 좋을 경우 불연속 형태로 적용될 수 있다. 식[6]은, Hij가 H(νi)와 동일하게 설정된 경우 전달 함수의 불연속 형태가 적용될 수 있음을 나타낸다. 따라서 식[4]는 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 νi의 부근에서 빛의 서브 대역 폭을 맵(map)시킨 서브 격자에 대해서 필요한 진폭 및 공간 위상을 나타낸다. It should be noted that no sub-grid can contain the entire spectrum of the input beam if it does not cancel the amplitude. The assumption of the components of the individual spectra provided a sub-grid configured to diffract a portion of the spectrum in the direction of the operating output. The individual spectral components in the working output beam are multiplied by a factor H ij whose phase and amplitude are determined by the spatial phase and amplitude of the ith subgrid. therefore Denotes a version of the input beam that has been filtered spectrally. The filtering function is determined dynamically during programming or during the operation of the composite grating during its manufacture. Any filtering function H (v) can be applied in discrete form if the discontinuity is good enough. Equation [6] indicates that the discontinuous form of the transfer function can be applied when H ij is set equal to H (ν i ). Equation [4] thus represents the amplitude and spatial phase required for a subgrid grating the subband width of light in the vicinity of v i from the actuation input direction to the actuation output direction.

제1의 양호한 실시예에서, 한 세트의 서브 격자가 복합 격자를 형성하기 위해 기판의 표면상에 기입된다. 상기 서브 격자는 선택된 작동 입력 방향에서 선택된 작동 출력 방향으로 입사하는 복사를 회절시키기 위해 작동한다. 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향을 따라 복합 격자에 부딪히는 광 신호를 맵핑하는 과정에서, 복합 격자는 프로그램된 스팩트럼 필터링 함수를 분배한다. 상기 실시예에서, 프로그램된 스팩트럼 필터링 함수는 특정 어드레스 순간 파형을 가진 입력 펄스를 특정 인식 순간 파형을 가진 출력 펄스로 변환하기 작용한다. 이러한 순간에서 복합 격자는 유효하게 순간 파형 변환기로서 동작한다. 상기 함수는 순간 파형 검출과 동일하도록 이용될 수 있다. 인식 파형과 실제로 동일한 파형을 갖는 광신호에 우선적으로 민감한 전자 수단 또는 다른 수단에 의한 출력 신호의 검출은 사용자에게 입력 신호가 어드레스 파형을 전달하였는가의 결론을 내릴수 있게 한다. 인식 순간 파형이 순간적으로 짧고 강한 펄스가 되도록 선택된 경우, 본 기술에 알려진 장치에 의해서 그의 차분 검출이 특히 편리해 진다.In a first preferred embodiment, a set of sub-grids is written on the surface of the substrate to form a composite grid. The sub-grid acts to diffract radiation incident in the selected operating output direction from the selected operating input direction. In the process of mapping the optical signal striking the composite grating from the operational input direction along the operational output direction, the composite grating distributes the programmed spectrum filtering function. In this embodiment, the programmed spectrum filtering function acts to convert an input pulse with a particular address instantaneous waveform into an output pulse with a particular recognized instantaneous waveform. At this moment the composite grating effectively acts as an instantaneous waveform converter. The function can be used to equal instantaneous waveform detection. The detection of the output signal by electronic means or other means, which is primarily sensitive to an optical signal having a waveform substantially identical to the recognition waveform, allows the user to conclude that the input signal has delivered an address waveform. If the recognition instantaneous waveform is selected to be an instantaneously short and strong pulse, its differential detection is particularly convenient by the apparatus known in the art.

도2A 및 도2B는 본 발명에 따라 순간 파형 변환기/검출기로 이용되는 복합 표면 격자의 동작을 나타낸다. 도2A 및 도2B에서, 복합 표면 격자(102)와 전달되는 광 파형(100)의 작동 대역 폭내에서 스팩트럼 성분으로 이루어진 광 신호는 입력 경로(101)를 따라 복합 표면 격자(102)상에 부딪히며, 출력 경로(104)를 따라 광 신호 전달 광 파형(103)의 발생을 트리거시킨다. 입력 경로(101)는 복합 표면 격자(102)의 지정된 작동 입력 경로와 실제로 유사하며 또한 출력 경로(104)는 복합 격자(102)의 지정된 작동 출력 경로와 실제로 유사하다. 도2A에서, 입사하는 광 파형(100A)은 프로그램된 복합 격자(102)의 어드레스 순간 파형과 실제로 유사하며, 또한 작동 출력 경로(104)를 따르는 출력 광 파형(103A)은 프로그램된 복합 격자(102)의 인식 순간 파형과 실제로 유사하다. 도2B에서, 입사하는 광 파형(100B)은 프로그램된 복소 격자(103)의 어드레스 순간 파형과는 실제로 다르며, 또한 작동 출력 방향(104)에 따르는 출력 광 파형(103B)은 프로그램된 복소 격자(102)의 인식 순간 파형과 실제로 다르다. 상기 복합 격자의 작동 대역 폭 범위내에서 경로(101)를 따라 전달되며 또한 스팩트럼 성분을 포함하는 임의의 입력 신호가 작동 출력 방향을 따라 출력 신호를 발생할 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 출력 신호는 입력 신호가 프로그램된 어드레스 파형을 가질 경우에만 특정의 프로그램된 인식 파형을 갖게된다.2A and 2B illustrate the operation of a composite surface grating used as a momentary waveform transducer / detector in accordance with the present invention. 2A and 2B, an optical signal composed of spectrum components within the operating band width of the optical waveform 100 transmitted with the composite surface grating 102 impinges on the composite surface grating 102 along the input path 101, Trigger the generation of the optical signaling optical waveform 103 along the output path 104. The input path 101 is actually similar to the designated operational input path of the compound surface grating 102 and the output path 104 is actually similar to the designated operational output path of the compound grating 102. In FIG. 2A, the incident light waveform 100A is actually similar to the address instantaneous waveform of the programmed composite grating 102, and the output light waveform 103A along the operational output path 104 is the programmed composite grating 102. Is actually similar to the instantaneous waveform. In Fig. 2B, the incident light waveform 100B is actually different from the address instantaneous waveform of the programmed complex grating 103, and the output light waveform 103B along the operational output direction 104 is the programmed complex grating 102 ) Is actually different from the instantaneous waveform. It should be noted that any input signal transmitted along path 101 within the operating bandwidth range of the composite grating and also comprising a spectrum component may generate an output signal along the operating output direction. However, the output signal will only have a specific programmed recognition waveform if the input signal has a programmed address waveform.

이제, 본 발명의 상기 실시예에 따른 복합 표면 격자의 설계를 생각하자. 첫째로 특정된 것은 어드레스 순간 파형 및 인식 순간 파형, 그리고 그들의 중심 주파수이다. 후자의 전체 대역 폭은 전자의 대역 폭내에 포함되어 있다. 특정된 파형으로 부터 유도될 수 있는 중요한 양은 어드레스 또는 인식 순간 파형을 전달하는 광 신호의 최소 스팩트럼 구조 폭이다. 최소 스팩트럼 구조 폭은 어드레스 또는 인식 파형에 의해 적재된 광 신호의 퓨리에 스팩트럼이 구조를 표시하는 최소 주파수 거리이다. 일반적으로, 최소 스팩트럼 구조 폭은 더 큰 어드레스 또는 인식 순간 파형 지속시간의 역과 동일하게 설정될 수 있다. 최소 스팩트럼 구조 폭이 중요한 이유는 상기 구조 폭이 복합 격자를 지니는 개개의 서브 격자에 의해 제어될 수 있는 최대 주파수 대역 폭을 설정하기 때문이다. 다음으로 이러한 의미는 서브 격자가 최소 스팩트럼 구조 폭 만큼 정교하거나 또는 더 정교한 스팩트럼 분해능을 가져야만 한다는 것을 뜻한다. 인식 파형(δνout)또는 어드레스 파형 (δνin)을 전달하는 광 신호의 대역 폭은 지정된 개개의 파형으로 부터 유도할 수 있다. 또한 최소 스팩트럼 구조 폭은 관심있는 스팩트럼 전달 함수를 복합 격자로 인코드 또는 프로그램하는데 필요한 최소 스팩트럼 분해능을 나타낸다.Now consider the design of a composite surface grating according to this embodiment of the invention. First specified are the address instantaneous waveform and the recognition instantaneous waveform, and their center frequency. The total bandwidth of the latter is contained within the bandwidth of the former. An important amount that can be derived from a specified waveform is the minimum spectrum structure width of the optical signal carrying the address or recognition instantaneous waveform. The minimum spectrum structure width is the minimum frequency distance at which the Fourier spectrum of the optical signal loaded by the address or recognition waveform represents the structure. In general, the minimum spectral structure width may be set equal to the inverse of the larger address or recognition instantaneous waveform duration. The reason why the minimum spectral structure width is important is that the structure width sets the maximum frequency band width that can be controlled by the individual subgrids having the composite grating. This means, in turn, that the subgrid must have as precise or finer spectrum resolution as the minimum spectrum structure width. The bandwidth of the optical signal carrying the recognition waveform δν out or address waveform δν in can be derived from the specified individual waveforms. The minimum spectral structure width also represents the minimum spectral resolution needed to encode or program the spectral transfer function of interest into a complex grid.

복합 격자와 관련해서, 그의 작동 입력 및 출력 방향은 지정되어야만 한다. 작동 입력 및 출력 각도, 그리고 서브 격자 주기성은 편리하게 실시될 수 있는 서브 격자 주기의 범위를 제한하는 기판 및 제조상의 제약조건에 종속되는 식[5]에 의거 편의에 따라 선택된다. 또한 작동 각의 선택은 최소 스팩트럼 구조 폭보다 더 정교한 서브 격자의 스팩트럼 분해능을 행할 필요성에 의해 좌우된다. 격자 스팩트럼 분해능은 다음 식[7]으로 주어진다.With regard to the composite grating, its operational input and output direction must be specified. The operating input and output angles, and the sub lattice periodicity, are selected according to bias [5], depending on substrate and manufacturing constraints that limit the range of sub lattice periods that can be conveniently implemented. The choice of operating angle also depends on the need to perform the spectral resolution of the subgrid more sophisticated than the minimum spectral structure width. The lattice spectrum resolution is given by the following equation [7].

[7] [7]

여기서, c는 복합 격자의 환경에서 빛의 속도이며, ℓ은 서브 격자폭이다. 고정된 격자 폭에 대해, 입력에서 출력까지 최대 각도 변화를 제공하는 작동 각의 선택은 최대 스팩트럼 분해능을 제공한다. 작동 입력 방향과 본질적으로 역-평행이 되도록 작동 출력 방향을 제공하는 것은 고정된 격자 폭에 대해 격자 스팩트럼 분해능을 최대화시킨다.Where c is the speed of light in the environment of the composite grating and l is the subgrid width. For a fixed grating width, the choice of operating angle providing the maximum angle change from input to output provides maximum spectral resolution. Providing the actuation output direction to be essentially anti-parallel to the actuation input direction maximizes the grating spectrum resolution for a fixed grating width.

양(1/δνg), 즉 격자 처리 시간이 중요한 이유는 상기 처리시간이 완전한 단일성과 구별될 수 있는 파형의 순간 길이에서 상한선을 제공하기 때문이다. 1/δνg보다 더 긴 지속시간을 갖는 신호가 복합 격자에 입사하는 경우, 순간 출력 신호는 대략 길이(1/δνg)의 입력 신호의 보조 지속 시간으로 부터 유도할 수 있다.The amount (1 / δν g ), i.e., lattice processing time, is important because it provides an upper limit on the instantaneous length of the waveform that can be distinguished from complete unity. If a signal with a duration longer than 1 / δν g is incident on the composite grating, the instantaneous output signal may be derived from the auxiliary duration of the input signal of approximately length (1 / δν g ).

원하는 서브 격자의 최소 수(Ng,min)는 최소 스팩트럼 구조 폭에 의해 나누어진 원하는 인식 순간 파형의 대역 폭과 동일하다.The minimum number N g, min of the desired subgrid is equal to the bandwidth of the desired recognition instantaneous waveform divided by the minimum spectral structure width.

복합 격자를 구성하기 위해, 그의 상세한 표면 구조를 결정하는 것이 필요하다. 서브 격자의 합으로 상기 구조의 분해는 격자 구조를 결정하는 데 이용되는 수단이다. 서브 격자는, 예를들어 상기 복합 구조가 여러 층으로 이루어진 구조에서와 같이 불연속한 물리적인 실채로서 존재한다. 대안으로, 서브 격자는 하나의 복소 형상의 퓨리에 분해의 요소의 의미로서 존재할 수 있다. 후자의 경우에, 서브 격자의 물리적인 실재는 서브 격자의 기능을 각각 분배하는 여러 요소의 부가를 통해 복소 격자 구조를 만드는 제조 방법에 의해 강조될 수 있다. 예를들어, 홀로그래피 격자 제조에서, 복합 격자는 여러 노출을 통해 제조될 수 있는바, 개개의 노출은 특정 주기, 진폭, 및 공간 위상을 갖는 서브 격자를 형성한다. 노출 파라미터의 적절한 제어를 통해서 상기 서브 격자 파라미터가 작동 입력 방향에서 작동 출력 방향까지 빛의 특정 서브 대역 폭을 맵하도록 프로그램될 수 있다.In order to construct a composite grating, it is necessary to determine its detailed surface structure. Decomposition of the structure by the sum of the subgrids is a means used to determine the lattice structure. The sub lattice exists as a discontinuous physical seal, for example in a structure in which the composite structure consists of several layers. Alternatively, the sub lattice may be present in the sense of an element of one complex shaped Fourier decomposition. In the latter case, the physical reality of the sub-grid can be emphasized by the manufacturing method of making the complex grid structure through the addition of several elements that each distribute the function of the sub-grid. For example, in holographic grating fabrication, a composite grating can be made through several exposures, with each exposure forming a sub grating having a particular period, amplitude, and spatial phase. With appropriate control of the exposure parameters, the sub-grid parameters can be programmed to map a particular sub-bandwidth of light from the actuation input direction to the actuation output direction.

이제, 퓨리에 스팩트럼(EA(ν))을 지닌 어드레스 순간 파형(EA(t))을 검출하는 하나의 복합 격자를 요한다고 하자. 입력 광 신호가 어드레스 순간 파형을 전달하는 경우에 상기 복합 격자가 짧고, 강한 출력 파형(인식 파형)을 발생하도록 작동되는 것이 요구된다. 상기 동작을 제공할 수 있는 하나의 스팩트럼 필터링 함수는 H(ν)=αE* A(ν)이며, 여기서 α는 상수이며 또한 E* A(ν)는 EA(ν)의 공액 복소수이다. 스팩트럼 필터링 함수( H(ν))는 Eout(ν)= H(ν)Ein(ν)을 통해 정의되며, 여기서, Ein(ν) 및 Eout(ν)는 작동 입력 방향에 따라 입사하며 또한 작동 출력 방향에 따라 출사하는 광 신호의 스팩트럼이다.Now, suppose we need one composite grating that detects the address instantaneous waveform E A (t) with the Fourier spectrum E A (v). It is required that the composite grating be short and operate to generate a strong output waveform (recognition waveform) when the input optical signal carries an address instantaneous waveform. One spectrum filtering function that can provide this behavior is H (ν) = αE * A (ν), where α is a constant and E * A (ν) is a conjugate complex number of E A (ν). The spectral filtering function H (ν) is defined by E out (ν) = H (ν) E in (ν), where E in (ν) and E out (ν) are incident along the operating input direction. It is also a spectrum of the optical signal emitted according to the direction of the operating output.

αE* A(ν)와 동일한 복합 격자 전달 함수를 제공하는 서브 격자 파라미터를 결정하기 위해, 우리는 식[1]에서 처럼 이산 퓨리에 합에서 입력 및 어드레스 순간 파형을 스팩트럼적으로 분해한다. 입력 및 어드레스 파형에 대한 팽창계수는 각각 Ei0및 EA i0이다. 개개의 복소 팽창 계수(EA i0)는 실수 진폭과 복소 위상 인자의 곱, 즉EA i0= aA iexp(iξi)로 쓸수 있다. 필터링 함수 H(ν)=αE* A(ν)에 종속되는 방향(kout)에서 필드 전달은 다음 식[8]으로 주어진다.To determine the sub lattice parameters that provide a complex lattice transfer function equal to αE * A (ν), we spectrally decompose the input and address instantaneous waveforms in the discrete Fourier sum as in equation [1]. The expansion coefficients for the input and address waveforms are E i0 and E A i0, respectively. The individual complex expansion coefficients E A i0 can be written as the product of the real amplitude and the complex phase factor, ie E A i0 = a A i exp (iξ i ). The field transfer in the direction k out depending on the filtering function H (ν) = αE * A (ν) is given by the following equation [8].

[8] [8]

이 표현식은 aj= aA i및 ξj=-ξi(모든 i = j = 1,...,Nn에 대하여) [9]인경우 식[6]에서와 동일하다.This expression is given by equation [6] if a j = a A i and ξ j = -ξ i (for all i = j = 1, ..., N n ) [9] Is the same as

식[9]는 다음식,Expression [9] is the following expression,

[10] [10]

의 형태를 갖는 상기 주어진 서브 격자의 특수한 경우임을 주목하자.Note that this is a special case of the given subgrid having the form of.

식[10]에서 H(ν)= αE* A(ν)이며, Hii는 식[4]와 관련해서 본 바와같이 특정 서브격자를 의미하며, 또한 i는 ith주파수 서브 대역폭을 나타낸다. 서브 격자가 식[9] 또는 식[10]의 조건을 만족하도록 구성되면, 작동 출력 방향(kout)을 따라 복합 격자로부터 나오는 신호는 필터링 함수 H(ν)= αE* A(ν)를 경험할 것이다. 시간영역에서, 출력 신호는 어드레스 파형과 입력 파형과의 교차 상호 관계를 나타내는 순간파형을 갖게 된다. 본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 교차-상호 관계는 파형간의 유사성을 인식하는 유효한 수단이다. 입력 파형 및 어드레스 파형이 동일한 반송 주파수에 걸쳐있고 또한 본질적으로 동일한 경우에, 교차-상호 관계는 주로 짧고, 강한 펄스로 이루어진다.H (ν) = αE * A (ν) in Equation [10], H ii means a specific subgrid as seen with respect to Equation [4], and i denotes the i th frequency subband. When the subgrid is configured to satisfy the condition of equation [9] or [10], the signal coming from the composite grating along the operating output direction k out will experience the filtering function H (ν) = αE * A (ν). will be. In the time domain, the output signal has an instantaneous waveform representing the cross correlation between the address waveform and the input waveform. As is known in the art, cross-correlation is an effective means of recognizing similarity between waveforms. In the case where the input waveform and the address waveform span the same carrier frequency and are essentially the same, the cross-correlation is mainly made up of short, strong pulses.

복합 격자를 지닌 서브 격자의 진폭 및 위상, 그리고 식[9]에서 나타낸 어드레스 파형의 퓨리에 성분의 진폭 및 위상간의 직접 관계는 어드레스 파형을 인식하기 위해 프로그램된 복합 격자의 공간 형상이 어드레스 파형 그 자체와 관련하여 매우 단순하다는 것을 설명하고 있다. 복합 격자는 엔벌로프 함수를 갖는 공간 반송파로서 관측될 수 있다. 상기한 식이 나타내는 것은 복합 격자의 공간 파형이 알맞게 스케일링 된 원하는 스팩트럼 필터링 함수의 퓨리에 변환에 의해서 제공된다는 것이다.The direct relationship between the amplitude and phase of the subgrid with the composite grating and the Fourier component's amplitude and phase in the address waveform shown in equation [9] shows that the spatial shape of the composite grating programmed to recognize the address waveform is associated with the address waveform itself. The explanation is very simple. The composite grating can be observed as a spatial carrier with an envelope function. The above equation indicates that the spatial waveform of the composite grating is provided by a Fourier transform of the desired spectral filtering function, which is scaled appropriately.

상기 작동 입력 방향에 따라 입사하는 특정 어드레스 순간 파형에 응답해서 상기 작동 출력 방향에 따라 전달되는 짧은 인식 파형을 형성하기 위해 상술한 바와 같이 설계된 복합 격자를 생각하자. 짧은 펄스가 상기 작동 출력 방향에 역-평행한 복합 격자로 지향되는 경우, 시간-역행된 어드레스 순간 파형을 전달하는 광 신호는 상기 작동 입력 방향과 역-평행으로 출사된다. 이러한 논의에서 인용한 짧은 펄스의 대역폭은 복합격자를 검출하도록 설계되어 있는 어드레스 파형을 전달하는 광 신호의 대역폭에 걸치는 것으로 추정된다.Consider a composite grating designed as described above to form a short recognition waveform transmitted in accordance with the operational output direction in response to a particular address instantaneous waveform incident along the operational input direction. When a short pulse is directed to a composite grating anti-parallel to the actuation output direction, the optical signal carrying the time-regressed address instantaneous waveform is emitted anti-parallel to the actuation input direction. The short pulse bandwidth quoted in this discussion is estimated to span the bandwidth of the optical signal carrying the address waveform, which is designed to detect the complex lattice.

여러 복합 격자는 여러 입력 파형에서 동작할 수 있는 장치를 제조하기 위해 동일 기판상에 겹쳐놓을 수 있다. 여러 복합 격자는 공통 작동 입력 방향과 다른 작동 출력 방향을 지닐수 있는데, 이때 개개의 복합 격자와 개개의 작동 출력 방향은 다른 스팩트럼 필터링 함수를 제공한다. 역으로, 복합 격자는 공통,작동, 출력 방향 및 다른,작동,입력 방향을 지닐수 있는데, 이때 개개의 입력 방향은 다른 스팩트럼 필터링 함수를 경험하고 있는 출력 신호를 발생한다. 또한 겹쳐진 복합 격자는 각각 단일 작동 입력 및 출력 방향을 지닐 수 있다.Multiple composite gratings can be superimposed on the same substrate to produce a device that can operate on multiple input waveforms. Multiple composite gratings can have an operational output direction that is different from the common operational input direction, where the individual composite gratings and the individual operational output directions provide different spectrum filtering functions. Conversely, a composite grating can have a common, operational, output direction, and a different, operational, input direction, with each input direction generating an output signal that is experiencing a different spectrum filtering function. In addition, the overlapping composite gratings can each have a single operational input and output direction.

제2의 바람직한 실시예에서, 복합 격자는 그의 작동 입력 및 출력 방향이 서브 격자 공간 파 벡터를 포함하는 라인을 따라 역-평행으로 놓이도록 구성될 수 있다. 상기 제2의 바람직한 실시예의 제2번째 개선에 있어서, 상기 복합 격자는 짧은 순간 파형을 전달하는 입력 광 신호를 명확히 수용하고 처리하도록 구성된다. 상기 제2의 바람직한 실시예의 제3번째 개선에 있어서, 상기 복합 격자는 특정 어드레스 순간 파형을 전달하는 입력 펄스에 응답해서 순간적으로 짧은 인식 순간 파형을 전달하는 출력 광 신호를 발생하도록 특별히 프로그램된다. 상기 제2의 바람직한 실시예의 제4번째 개선에 있어서, 상기 복합 격자는 활성 재료의 기판의 체적내에 메몰된다. 상기 제2의 실시예의 제5번째 개선에 있어서, 상기 기판은 광 섬유일 수 있는 광 도파관으로 이루어진다. 상기 바람직한 실시예의 제6번째 개선에 있어서, 상기 서브 격자는 위치 의존 반사율에 이르게 되는 위치 의존 진폭 및 위상을 갖는다.In a second preferred embodiment, the composite grating can be configured such that its operational input and output directions lie anti-parallel along a line comprising the sub grating spatial wave vector. In a second refinement of the second preferred embodiment, the composite grating is configured to explicitly receive and process an input optical signal that delivers a short instantaneous waveform. In a third refinement of the second preferred embodiment, the composite grating is specifically programmed to generate an output optical signal delivering an instantaneous short recognition instantaneous waveform in response to an input pulse delivering a particular address instantaneous waveform. In a fourth refinement of the second preferred embodiment, the composite grating is embedded in the volume of the substrate of the active material. In a fifth improvement of the second embodiment, the substrate consists of an optical waveguide, which may be an optical fiber. In a sixth refinement of the preferred embodiment, the subgrid has a position dependent amplitude and phase which leads to a position dependent reflectance.

식[7]에 따라, 복합 격자의 최대 처리 시간은 θin=π/ 2 및 φout=-π/2에 대해 달성될 수 있으며, 즉 입력 방향은 서브 격자 파 벡터에 평행하며 또한 출력 방향은 입력 방향에 반대로 전달된다. 이러한 제한에 있어서, 격자 대역 폭은 δνg= c/2ℓ이 된다. 격자 처리 시간의 최대화 또는 대등하게 격자 스팩트럼 분해능의 최대화가 중요한 이유는 주어진 최소 스팩트럼 구조 폭을 지닌 스팩트럼 전달 함수에 대해 필요한 격자의 물리적인 길이를 최소화 할 수 있기 때문이다. 역-평행 작동 입력 및 출력 방향(또는 임의의 다른 기하학)을 지닌 복합 격자의 처리 시간은 격자가 굴절률(n)의 기판내에 메몰되는 경우 증가될 수 있다. 이 경우에, 격자 분해능 대역 폭은 δνg= c/2ℓ이 되며, 여기서 c는 진공내에서 빛의 속도이다. 예를들어, 1.5의 굴절률을 지닌 유리 기판을 이용하면 고정된 사이즈에 대한 격자 처리 시간에 있어서 5퍼센트의 증가를 야기하며 또는 고정된 처리 시간에 대한 격자 사이즈에 있어서 5퍼센트의 감소를 야기한다. 이러한 기하 형상 (θin=π/ 2)에서, 주어진 서브 격자는 파장이 상기 서브 격자에 대한 설계 파장보다 작거나 같은 빛 만을 회절시킬 수 있음을 주목하자.According to equation [7], the maximum processing time of the composite grating can be achieved for θ in = π / 2 and φ out = -π / 2, ie the input direction is parallel to the sub lattice wave vector and the output direction is It is passed in the opposite direction. In this limitation, the lattice bandwidth is δν g = c / 2ℓ. Maximizing the grating processing time, or maximizing the grating spectrum resolution, is important because it is possible to minimize the physical length of the grating required for the spectral transfer function with a given minimum spectrum structure width. The processing time of a composite grating with anti-parallel actuation input and output directions (or any other geometry) can be increased if the grating is buried in the substrate of refractive index n. In this case, the lattice resolution bandwidth is δν g = c / 2L, where c is the speed of light in vacuum. For example, the use of a glass substrate with a refractive index of 1.5 results in a 5 percent increase in grating processing time for a fixed size or a 5 percent reduction in grating size for a fixed processing time. Note that in this geometry (θ in = π / 2), a given subgrid can diffract only light whose wavelength is less than or equal to the design wavelength for that subgrid.

이제, 작동 입력 및 출력 방향이 서브 격자 파 벡터에 의해 한정된 라인을 따라 역-평행으로 놓이는 경우 복합 격자의 설계를 생각하자. 우리는 수행될 스팩트럼 필터링 함수를 지정해서 시작한다. 입력 및 출력 각도는 각각 π/2 및 -π/2가 되도록 선택되기 때문에, 개개의 서브 격자의 공간 파장은 회절 조건에 따라서 특수한 서브 격자가 회절되도록 설계되어 있는 서브 대역 폭의 1/2 파장과 같다. 빛이 재료내에 전달되면서 격자와 상호 작용하는 경우, 상술한 재료내에는 빛의 파장이 존재한다. 각도가 고정되기 때문에, 격자의 물리적인 길이(ℓ)는 상기 복합 격자의 스팩트럼 분해능이 원하는 스팩트럼 전달 함수의 최소 스팩트럼 구조 폭 특성을 해결하는 데 충분한지를 보장하기 위해 선택된다. 서브 격자가 매질의 굴절률(n)로 메몰되는 경우, 서브 격자는 물리적인 길이(ℓ)보다는 격자 분해능을 결정하는 광 경로 길이(nℓ)임을 주목하자.Now consider the design of a composite grating when the operational input and output directions lie anti-parallel along a line defined by a sub-grid wave vector. We start by specifying the spectral filtering function to be performed. Since the input and output angles are chosen to be π / 2 and -π / 2, respectively, the spatial wavelengths of the individual subgrids are equal to one-half wavelength of the subband width, which is designed to diffract special subgrids according to diffraction conditions. same. When light is transferred into the material and interacts with the grating, there is a wavelength of light in the material described above. Since the angle is fixed, the physical length l of the grating is chosen to ensure that the spectral resolution of the composite grating is sufficient to solve the minimum spectral structure width characteristic of the desired spectral transfer function. Note that when the sub lattice is buried at the refractive index n of the medium, the sub lattice is the optical path length n 1, which determines the lattice resolution rather than the physical length 1.

작동 입력 및 출력 방향이 상기 서브 격자 공간 파 벡터를 포함하는 라인을 따라 역-평행으로 놓이는 복합 격자는 광 도파관 및 광 섬유내에 구성될 수 있다. 이 경우에, 전형적으로 서브 격자는 유도된 파 영역, 클래딩 영역 또는 이 모든 영역에 대한 굴절률의 주기적인 변조를 포함한다. 서브 격자는 원하는 스팩트럼 전달 함수를 달성하는 데 필요한 공간 위상 및 진폭으로 구성되어야만 한다. 고 효율의 회절을 제공하기 위해 설계된 복합 격자의 도파관 구현에 있어서, 서브 격자의 진폭은 복합 격자의 입력 단에서 비교적 더 작아지도록 또한 그 반대 단부에서 비교적 더 커지도록 테이퍼(taper)될 수 있다. 상기 테이퍼는 입력 빛이 약해지기 때문에 후방산란된 빛을 대등하게 하는 역할을 한다.Composite gratings whose operational input and output directions lie in anti-parallel along a line comprising the sub-grid spatial wave vectors can be constructed in optical waveguides and optical fibers. In this case, the subgrid typically includes a periodic modulation of the refractive index for the induced wave region, cladding region or all of these regions. The subgrid must be composed of the spatial phase and amplitude required to achieve the desired spectrum transfer function. In waveguide implementations of composite gratings designed to provide high efficiency diffraction, the amplitude of the sub-grating can be tapered to be relatively smaller at the input end of the composite grating and relatively larger at the opposite end. The taper serves to equalize backscattered light because the input light is weakened.

우리는 빛으로 복합 격자에 입사하고 복합 격자로 부터 회절되는 전자기 복사에 대해 반복해서 언급하였지만, 상기 복합 격자가 라디오(radio)로부터 마이크로 웨이브, 적외선, 가시광선, 자외선 및 그 이상으로까지 전자기 스팩트럼의 임의의 부분내에서 전자기 복사를 받아들이도록 작동적으로 구성될 수 있음은 당연하다.We have repeatedly mentioned the electromagnetic radiation that enters the composite grating with light and is diffracted from the composite grating, but the composite grating has a range of electromagnetic spectra from radio to microwave, infrared, visible, ultraviolet and more. Naturally, it can be operatively configured to receive electromagnetic radiation within any portion.

본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 기술하였지만, 여러변경이 본 발명의 사상과 범위내에서 벗어남이 없이 행해질 수 있음을 본 기술의 당업자에 의해 알게될 것이다.While the present invention has been described in connection with the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (25)

활성 재료 및 상기 활성 재료에 의해 지지되는 2개 이상의 주기적인 서브 격자의 정돈된 조립을 포함하며, 개개의 서브 격자는 지정된 입력 방향에서 지정된 출력 방향까지 지정된 복사의 지정된 서브 대역 폭의 회절을 제어하며, 상기 입력 방향 및 상기 출력 방향은 모든 서브 격자에 공유하며, 상기 복사의 서브 대역 폭의 파장과 주어진 서브 격자의 파장의 비는 모든 서브 격자에 대해 상기 서브 격자 상수에 의해 제어되며, 또한 상기 회절된 복사의 서브 대역폭의 진폭 및 위상은 상기 서브 격자의 진폭 및 위상에 의해 제어됨으로서, 입사하는 복사가 상기 지정된 입력 방향에 따라 지정된 입력 순간 파형과 실제로 유사할 때 마다 출사 파의 중첩이 지정된 출력 순간 파형과 함께 상기 지정된 출력 방향에서 출사 파의 발생을 초래하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.An ordered assembly of the active material and two or more periodic subgrids supported by the active material, each subgrid controlling the diffraction of the specified subbandwidth of the specified radiation from the designated input direction to the specified output direction; The input direction and the output direction are shared by all subgrids, and the ratio of the wavelength of the subbandwidth of the radiation to the wavelength of a given subgrid is controlled by the subgrid constant for all subgrids, and also the diffraction The amplitude and phase of the sub-bandwidth of the generated radiation is controlled by the amplitude and phase of the sub-grid so that whenever the incident radiation is actually similar to the input instantaneous waveform specified according to the specified input direction, the superimposition of the output wave is specified at the specified output instant. Resulting in the generation of an emission wave in the specified output direction together with the waveform Composite diffraction grating. 활성 재료 및 상기 활성 재료에 의해 지지되는 세트당 2개 이상의 주기적인 서브 격자중 2개 이상의 세트의 정돈된 조립을 포함하며, 개개의 서브 격자는 지정된 입력 방향에서 지정된 출력 방향까지 복사의 서브 대역 폭의 회절을 제어하며, 상기 입력 방향 및 상기 출력 방향은 주어진 세트내에서 모든 서브 격자에 공유하며, 상기 복사의 서브 대역 폭의 파장과 주어진 서브 격자의 파장의 비는 주어진 세트내에서 모든 서브 격자에 대해 상기 서브 격자 상수에 의해 제어되며, 제1 세트에서 상기 서브 격자에 의해 제어되는 복사의 서브 대역 폭의 파장과 주어진 서브 격자의 파장의 비가 제2 세트에서 상기 서브 격자에 의해 제어되는 복사의 서브 대역 폭의 파장과 주어진 서브 격자의 파장의 비와 같지 않으며, 또한 상기 회절된 복사의 서브 대역폭의 진폭 및 위상은 상기 서브 격자의 진폭 및 위상에 의해 제어됨으로서, 입사하는 복사가 상기 주어진 세트에 대해 지정된 입력 방향을 따라 상기 주어진 세트에 대해 지정된 입력 순간 파형과 실제로 유사할 때 마다 출사 파의 중첩이 상기 주어진 세트에 대해 지정된 출력 순간 파형과 함께 상기 주어진 세트에 대해 지정된 출력 방향에서 출사 파의 발생을 초래하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.An ordered assembly of two or more sets of active material and two or more periodic subgrids per set supported by the active material, each subgrid having a subband width of radiation from a specified input direction to a specified output direction. Controlling diffraction, wherein the input direction and the output direction are shared by all subgrids within a given set, and the ratio of the wavelength of the subbandwidth of radiation to the wavelength of a given subgrid is for all subgrids within a given set A subband of radiation controlled by the subgrid constant, wherein the ratio of the wavelength of the subbandwidth of radiation controlled by the subgrid in the first set to the wavelength of a given subgrid is controlled by the subgrid in the second set Not equal to the ratio of the wavelength of the width to the wavelength of a given sub-grid, and also of the sub-bandwidth of the diffracted radiation The width and phase are controlled by the amplitude and phase of the subgrid so that the overlap of the exiting wave is produced whenever the incident radiation is actually similar to the input instantaneous waveform specified for the given set along the input direction specified for the given set. Combined with the output instantaneous waveform specified for the given set resulting in the generation of an emission wave in the specified output direction for the given set. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력 순간 파형은 상기 입력 순간 파형의 역 대역 폭 정도의 순간 지속시간을 갖는 실질적으로 짧은 펄스를 포함하며 또한 상기 출력 순간 파형은 상기 출력 순간 파형의 역 대역 폭보다 실질적으로 더 큰 순간 지속시간을 갖는 임시로 구조화된 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.The input instantaneous waveform comprises a substantially short pulse having an instantaneous duration on the order of the inverse bandwidth of the input instantaneous waveform and the output instantaneous waveform has an instantaneous duration substantially greater than the inverse bandwidth of the output instantaneous waveform. And a temporarily structured waveform having a complex diffraction grating. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력 순간 파형은 상기 입력 순간 파형의 역 대역폭보다 실질적으로 더큰 순간 지속시간을 갖는 임시로 구조화된 파형을 포함하며 또한 상기 출력 순간 파형은 상기 출력 순간 파형의 역 대역 폭 정도의 순간 지속 시간을 갖는 실질적으로 짧은 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.The input instantaneous waveform comprises a temporarily structured waveform having an instantaneous duration substantially greater than the inverse bandwidth of the input instantaneous waveform and the output instantaneous waveform has an instantaneous duration of about the inverse bandwidth of the output instantaneous waveform. A composite diffraction grating comprising substantially short pulses. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력 방향은 상기 서브 격자의 파 벡터에 평행인 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And the input direction is parallel to the wave vector of the sub-grid. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 출력 방향은 상기 입력 방향과 반대로 전달되는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And the output direction is transmitted in an opposite direction to the input direction. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 활성 재료는 광 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said active material comprises an optical waveguide. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 활성 재료는 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And the active material comprises optical fibers. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 주어진 서브 격자의 진폭은 상기 활성 재료내의 공간 위치에 의존하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.Wherein the amplitude of the given sub-grating depends on the spatial location in the active material. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 활성 재료는 광 도파관인 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said active material is an optical waveguide. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 광 도파관은 광 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And the optical waveguide comprises an optical fiber. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 상기 격자에 의해 제어되는 복사의 서브 대역 폭을 지정된 출력 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.The actuating sub-grid grating reflects the sub-bandwidth of radiation controlled by the grating in a specified output direction. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 상기 서브 격자에 의해 제어되는 복사의 서브 대역 폭을 지정된 출력 방향으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grating transmits the sub-bandwidth of radiation controlled by said sub-grating in a specified output direction. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 정현파 공간 형상인 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grid is sinusoidal spatial shape. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 비 정현파 공간 형상인 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And the actuating sub-grid is of a non-sinusoidal spatial shape. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 투과 또는 반사 진폭, 즉 진폭 서브 격자에서 주기적인 변화를 갖는 공간 형상에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating subgrid is characterized by a spatial shape having a periodic change in the transmission or reflection amplitude, i.e. in the amplitude subgrid. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 투과 또는 반사 위상, 즉 위상 서브 격자에서 주기적인 변화를 갖는 공간 형상에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grating is characterized by a spatial shape having a periodic change in the transmissive or reflected phase, ie the phase sub-grating. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 투과 또는 반사 진폭 및 위상, 즉 복소 서브 격자에서 주기적인 변화를 갖는 공간 형상에 의해 특성화되는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grating is characterized by spatial shape with transmission or reflection amplitude and phase, i.e. a periodic change in the complex sub-grating. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 개개의 서브 격자 세트는 상기 서브 격자 파 벡터의 방향에 의해 구별되는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.Wherein said individual sub-grid set is distinguished by the direction of said sub-grid wave vector. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 작동 서브 격자는 단일 복소 격자 형상의 퓨리에 분해의 요소의 의미로 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grating is present in the sense of a Fourier decomposition element in the form of a single complex grating. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 작동 서브 격자는 지정된 공간 변조 함수에 의해 변형된 단일 공간 반송파의 퓨리에 분해의 요소의 의미로서 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 회절 격자.And said actuating sub-grating is present as meaning of Fourier decomposition of a single spatial carrier transformed by a specified spatial modulation function. 수동성의 주기적인 구조를 통해 입력 광 파형을 지향시킴으로서, 반송파 주파수를 갖는 입력 광 파형으로 부터 출력 광 파형을 발생시키는 광학 시스템에 있어서,An optical system for generating an output optical waveform from an input optical waveform having a carrier frequency by directing an input optical waveform through a passive periodic structure, 상기 수동성의 주기적인 구조는 특정 파장, 방향, 진폭 및 위상을 각각 갖는 복소 세트의 서브 격자가 됨으로서 특성화되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.And said periodic structure of the passive is characterized by being a complex set of subgrids each having a specific wavelength, direction, amplitude and phase. 입력 광 필드에서 스팩트럼 필터링 함수를 수행하는 수동성의 주기적인 구조에 있어서,In the periodic structure of the passive that performs the spectral filtering function in the input light field, 상기 구조는 입력 순간 파형과 입사하는 복사의 입력 방향에 따라 입사하는 복사의 회절을 각각 제어하는 하나 이상 세트의 서브 격자에 의해 특성화됨으로서, 상기 입력 순간 파형 및 입력 방향이 지정된 입력 순간 파형 및 서브 격자 세트의 지정된 입력 방향과 일치하는 경우, 상기 서브 격자 세트는 지정된 출력 방향에 따라 지정된 출력 순간 파형의 형성을 트리거할 수 있는 것을 특징으로 하는 수동성의 주기적인 구조.The structure is characterized by one or more sets of subgrids that respectively control the diffraction of the incident radiation in accordance with the input instantaneous waveform and the input direction of the incident radiation, whereby the input instantaneous waveform and the input direction are specified. And the sub-grid set can trigger the formation of a specified output instantaneous waveform in accordance with a specified output direction when matched with a specified input direction of the set. 출력 복사를 발생하도록 입력 광 필드에서 스팩트럼 필터링 함수를 수행하는 수동성의 주기적인 구조에 있어서,In the periodic structure of the passive, which performs a spectral filtering function on the input light field to generate an output copy, 상기 구조는 하나 이상 세트의 서브 격자에 의해 특성화되며, 또한 지정된 주파수에서 출사하는 복사의 진폭 및 위상이 상기 서브 격자의 진폭 및 위상에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수동성의 주기적인 구조.The structure is characterized by one or more sets of subgrids, wherein the amplitude and phase of the radiation exiting at a specified frequency are controlled by the amplitude and phase of the subgrids. N개 입력 파장의 입력 광빔을 갖는 광학 시스템은 수동성의 주기적인 구조에 의해 특성화되며, 상기 수동성의 주기적인 구조는 모든 입력 파장으로부터 조력하는 공통 출력 빔을 발생시키는 N개의 서브-격자를 포함하는데, 개개의 입력 파장으로부터 조력이 특정한 서브 격자에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.An optical system having an input light beam of N input wavelengths is characterized by a periodic structure of passiveness, which includes N sub-grids that generate a common output beam that assists from all input wavelengths, Optical assistance, characterized in that the assistance from the individual input wavelength is controlled by a particular subgrid.
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