CN1547677A - 利用超光栅处理光信号的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

利用超光栅处理光信号的方法和设备
技术领域
本发明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。
背景技术
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“多个峰值”光栅的综合问题，即，以在几个“峰值”的反射为特征的光栅的综合问题。在这些方法中，光栅技术人员从一组正弦波出发，每一个正弦波都对应于单个的反射峰，并且按照峰的期望的相对强度对正弦波加权。把这些峰加在一起(即，叠加，因此BSG称之为叠加光栅)，以产生一个“模拟的分布”。然后，通过简单的阈值方法将这个分布数字量化。例如，如果这个模拟分布值为正(大于预先选择的基准值)，则对应的BSG区段为高的或二进制1的指标值，如果这个模拟分布值为负，则对应的BSG区段为负的或二进制0的指标值
这个方法至少在两个方面有不足：第一，阈值量化过程引入了内部调制，这在很大程度上限制了按这种方式综合的BSG在有源应用领域(如激光反馈元件等)的可应用性。第二，这种综合过程仅限于多峰值光栅，对于单个峰的形状极少或根本没有控制作用。这种方法对于产生某些通信应用所期望的平顶信、以及某些增益和色散补偿所要求的近似任意反射光谱来说，也是完全无能为力的。
对于BSG综合的其它方法包括试探(trial-and-error)法，这种试探法在最经常使用的计算方面遇到困难和无助。
因此，为了检测光学器件中的光波长，期望提供能克服上述的缺点的方法和设备。
发明内容
按照本发明的一个实施例，提供一种包括至少一个光学超光栅(supergrating)的光学部件。至少一个光学超光栅包括一个量化的折射率分布，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反射光谱。
按照本发明的另一个实施例，提供一种从第一点到第二点传送至少一个光信号的方法。该方法包括：提供包括一个光学部件的至少一个第一光波导。光学部件包括至少一个光学超光栅，光学超光栅具有适合于呈现有限数目的多个折射率的量化的折射率分布。有限数目的多个折射率适合于在对应于经过傅里叶转换的模拟折射率分布的至少一个光谱带内产生反射光谱。该方法包括如下步骤：通过至少一个第一光波导传送至少一个光信号；在第二点接收至少一个光信号。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅包括适合于呈现有限数目的多个折射率的二进制的量化的折射率分布。多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生反射光谱。
按照本发明的另一个实施例，提供一种处理至少一个光信号的方法。该方法包括如下步骤：提供至少一个光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅。至少一个光学超光栅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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光特性。该方法还包括采用至少一个光学部件影响至少一个光信号。
按照另一个实施例，本发明还涉及一种光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅。至少一个光学超光栅包括二进制的量化的折射率分布，二进制的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反射光谱。
本发明还涉及一种监视光学系统的稳定性方法，该方法包括：提供至少一个光学部件，光学部件具有至少一个光学超光栅。至少一个光学超光栅具有量化的折射率分布。量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光学特性。该方法还包括如下步骤：提供多个光学检测器，提供处理电子电路；采用至少一个光学部件影响至少一个所选的波长分量，使其与多个光学检测器发生相互作用。
按照本发明的另一个实施例，提供一种可编程的光学部件。可编程的光学部件包括至少一个光学超光栅，至少一个光学超光栅具有量化的折射率分布，量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光学部件。光学部件包括至少一个减小散射的光学超光栅。至少一个减小散射的光学超光栅具有量化的折射率分布，量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。超光栅还具有大于光栅材料波长λmat＝λ0/neff至少一个光栅特征尺寸，超光栅的模型尾部(modal tail)的衰减常数在至少一个散射减小的光学超光栅的预定区内小于1/λmat。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光学部件。光学部件包括至少一个多维的光学超光栅，至少一个多维的光学超光栅具有量化的折射率分布。采用量化的折射率分布来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谱特性。
本发明还涉及一种光耦合器系统，用于在波导之间耦合光。光耦合器包括至少一个第一光波导和至少一个第二光波导。光耦合器还包括至少一个光学部件，光学部件将光从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导。至少一个光学部件包括一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光学器件。光学器件包括至少一个光波导。该光波导具有光学部件，用于在至少一个光波导内反射光。该光学部件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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。此外，光学部件包括一个光循环器，光循环器具有至少一个光端口，并且光耦合到至少一个光波导和适合于引导反射的光到达至少一个光端口。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光色散控制系统。光色散控制系统包括至少一个第一光波导，第一光波导适合于呈现波长相关的光相位特性。该至少一个光波导包括至少一个光学部件，光学部件具有量化的折射率分布，量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光色散控制系统。光色散控制系统包括光耦合器系统，用于在波导之间耦合光和适合于呈现波长相关的光相位特性。光耦合器系统包括至少一个第一光波导和至少一个第二光波导。该系统还包括至少一个光学部件，将光从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导。至少一个光学部件包括一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谱特性。
按照本发明的一个实施例，提供一种光学器件，用于分开光信号的波长分量。光学部件包括至少一个光波长分割系统，具有至少一个第一光波导和至少一个第二光波导。该光学部件还包括至少一个光学部件，将至少一个光波长从至少一个第一光波导耦合到至少一个第二光波导。至少一个光学部件包括一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谱特征。
本发明还涉及一种波长稳定性监视器。波长稳定性监视器包括具有至少一光学部件的波长监视器。波长监视器还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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。监视器还包括多个光检测器，光检测器耦合到波长监视器上，适合于当监视的波长偏移时产生一个偏差信号。此外，耦合到多个光检测器上的控制器适合于产生对应于波长偏差的电信号。
本发明还涉及一种光波长均衡器，光波长均衡器包括至少一个光学部件。至少一个光学部件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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。光学部件还适合于调节光信号内的每个波长的波长功率。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光波长监视器。光波长监视器包括至少一个光学部件，光学部件具有量化的折射率分布，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谱特性。至少一个光学部件适合于测量光信号内每个波长的功率。
按照本发明的另一个实施例，提供一种光学部件。光学部件包括至少一个可编程的光学超光栅。
本发明还涉及一种光学部件，光学部件包括至少一个可调谐的光学超光栅。可调谐的光学超光栅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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。
本发明还涉及一种光学部件，光学部件具有至少一个光学超光栅。光学超光栅适合于至少一个光谱带中实现光的相位特性。
附图说明
在以下的描述中结合附图说明本发明的上述的各个方面和其它的特征，其中：
图1是流程图，表示这里提出的本发明的实施例加入的用于综合BSG的一种方法的方法步骤；
图2表示加入了本发明的特征的一个反方向耦合器的示意图；
图3表示加入了本发明的特征的一个同方向耦合器的示意图；
图3A表示加入了本发明的特征的一个反方向对称波导耦合器的示意图；
图4表示加入了本发明的特征的一个色散补偿器的示意图；
图4A表示加入了本发明的特征的一个动态的附加/引入(add/rop)滤波器实施例的示意图；
图4B表示加入了本发明的特征的利用可编程BSG耦合的多波导的示意图；
图5表示加入了本发明的特征的色散补偿器的一个可替换实施例的示意图；
图6表示加入了本发明的特征的一个波长监视器的示意图；
图7表示加入了本发明的2D实施例的特征的一个波长监视器的示意图；
图8表示加入了本发明的点散射器阵列实施例的特征的一个波长监视器的示意图；
图9是表示加入了本发明的特征的一个λ波长(Lamba)路由器的示意图；
图10是表示加入了本发明的特征的一个波长间压缩耦合器的示意图。
具体实施方式
虽然参照如图所示的超光栅实施例描述了本发明，但应该注意的是，本发明可以用许多不同的替换方式实施，因此不期望将本发明仅限于特定类型的实施例。在可替换的实施例中，可以在需要一个或多个光栅的任何合适的光学器件中应用本发明。
下面，从这里使用的超光栅开始，应该理解，区别超光栅与其它的光栅技术有3个主要的性质。第一，超光栅依靠的是离散的许多的有效折射率大小。在历史上，这个数是2，因此超光栅可以取二进制光栅的形式，在这种情况下将其称为二进制光栅(BSG)。为简洁和清楚起见，本说明书集中在本发明的二进制实施例上，但应该理解，在可替换实施例中，可以使用任何合适数字的离散的有效折射率值。通过在超光栅的任何部分或其相邻处改变实际的折射率，或者通过可以改变传播的光经受的有效折射率的其它方法，可以获得有效折射率的不同数值，并且显然可以看出，在本发明内可能有许多实施例。
超光栅的第二个确定的性质是：超光栅类似于其特征在于有一组采样点的一个采样结构，它的每个采样点都与一个采样区有关。这些采样区可以取各种各样的形状，并且通常称之为折射率像素。在每个像素内，超光栅有效折射率大体上是固定不变的。这就意味着，在任意位置都不可能发生光栅的有效折射率数值之间的过渡状态，相反，这种过渡状态必须发生在由采样点确定的区域的边界。于是，BSG可以由一系列数字(通常是二进制的)描述，这些数字表示在每个采样点的折射率设定值。
超光栅的第三个确定性质是：入射在光栅上的光波的波前要经受光栅特性的多次相互作用。即，超光栅在布拉格衍射区工作。
某些超光栅实施例利用了折射率像素的顺序阵列，这就意味着：每个折射率像素只和其它两个像素相邻，从而可以导致排序的固有含义。这样的实施例称之为一维的超光栅，因此经常使用这些直线或曲线形状的、或者沿入射光传播方向排列的方块或点的阵列的像素。应该注意的是，这些实施例包括有效折射率沿任何波导的长度有适当的变化，所说的波导用于限定一维的传播方向。
另一些超光栅实施例利用了折射率像素的两维阵列，其中的像素定位在同一个两维的表面上。这个表面可以是平的或者可以是弯曲的。这样一些实施例通常利用正方形或六边形的像素，它们沿着一个合适的周期性的点阵排列，但还可以理解，非周期性的安排、非均匀一致的像素、或者其它的像素形状也可能是适当的，并且也是在本发明的范围之内。应该注意的是，这些实施例包括：在限定两维传播方向的任何波导的间隔范围内，有效折射率有适当的变化。
附加的超光栅实施例利用了折射率像素的3维阵列。这里，采样点可以位于任意位置，或者限制在任何特定的空间区。这样的实施例通常利用类似方块状或者类似菱形的像素，它们沿适当的周期性点阵排列，但应该理解，非周期性的安排、非均匀一致的像素、或者其它的像素形状也可能是适当的，并且也是在本发明的范围之内。
现在参照附图1，超光栅结构涉及几个关键问题。第一，步骤351选择用于光学器件的折射率数值，它们是由材料参数和平版印刷或者光记录约束决定的。然后，步骤352确定期望的采样长度，其中考虑到光栅的期望的波长范围和可以得到的平版印刷分辨率。步骤353设定光栅的总体器件尺寸，光栅的总体器件尺寸由可利用的物理空间以及光记录过程的工艺限制条件限定。应该理解，这里描述的方法是用于确定表面浮雕(surface-relief)光栅的光栅图形的；然而，在可替换实施例中，对于光纤光栅图形，也容易采用这种方法。下一个步骤354使用傅里叶近似将期望的光栅反射率规定转换到傅里叶域。在傅里叶近似的指引下，设计人员可以通过它的傅里叶光谱开始设计光栅。如以下将要表示的，这一步骤还可以实现反馈，以解决由于近似引起的各种误差，改善最终的结果。
实现傅里叶近似的步骤353是一种数学关系，它使光栅的反射光谱与一个或多个周期性反射光谱相关联。换言之，单波长光栅的反射光谱的特征在于它们的周期性结构，简单的叠加光栅的反射光谱的特征在于它们的波长或反射光谱的分量。因此，一个光栅的反射光谱可以与它的结构的傅里叶变换相关联，傅里叶变换是估算波形的“频率内容”或“波长内容”的标准方法。
下一个步骤353是对模拟的折射率分布进行量化。Δ-∑(Delta-Sigma)调制就是这样一种能够使用的并且能够有效实施的量化技术。应该认识到，在可替换实施例中，可以使用能够在光谱带内保存傅里叶信息的任何适当的量化技术。
步骤356使用准确的技术如公知的传输矩阵方法来确定超光栅的实际反射率。这一计算过程确定傅里叶近似的剩余误差，并且如果步骤357确定误差超过了一个预定的阈值，则还要量化可能返回傅里叶域中并且加到步骤353的结果上的误差。这一过程可以按需要重复，尽管一次重复常常就足够了。应该认识到，可以使用用来确定期望的反射率特性和实际的反射率特性之间的误差的任何合适的技术。
按照本发明的一个方面，更加深入地看，由于在法线方向占据较大的距离而产生的辐射包层模式(radiative cladding modes)，使超光栅的表面特征可减小散射损耗，并且从惠更斯原理和傅里叶方法可知，这将导致在法线方向尺寸方面的更加坚固的相位匹配要求；由此可减小(不期望的)散射效率。更加定量地看，光栅特征最好是深齿形的，达到超过材料波长λmat＝λ0/neff的深度，模型尾部的衰减常数在光栅区最好小于1/λmat。在本发明的可替换实施例中，BSG可以在模型中心的芯区实施。因而。光栅的法向尺寸(normal extent)的作用是相对相同的，由此可强化对散射分量的消除。
按照本发明的另一方面，可以在制造之后、一次或多次地、通过使用能够改变材料或有效折射率的任何措施局部地或者在一个区域上改变光栅特征和光学特性。改变材料或有效折射率的几种这样的方法包括：影响超光栅的任何部分或相邻部分的温度；超光栅的任何部分或相邻部分的电—光、磁—光、电致伸缩、或磁致伸缩调谐；超光栅的任何部分或相邻部分的光照射、机械拉紧、或向超光栅的任何部分或相邻部分注入电流；在超光栅的任何部分或相邻部分中加入电致变色材料；在超光栅的任何部分或相邻部分中加入液晶或光聚合物材料；在超光栅的任何部分或相邻部分中促使产生化学反应或重构；或者实现超光栅的任何部分或相邻部分的机械变换或重构。显然，改变材料或有效折射率的其它方法，它们当中的任何一个或它们的组合，都在本发明的范围之内。
某些实施例应用了对于整个超光栅或它的主要部分或部分改变材料或有效折射率的一种或多种方法，由此实现了超光栅的光特性的总体改变。这样的总体改变包括：特性的加强或减弱、超光栅作为一个整体的超光栅特征的允许或禁止、超光栅特性的光相位的调谐、超光栅特征的光谱移动。这些实施例解决了我们称之为“可调谐的超光栅”的问题。这些可调谐的超光栅可以与其它的超光栅互换，以便在随后使用的任何器件或实施例中提供附加的动态功能。对于本发明的所有其它器件的实施例，情况尤其如此。
对于超光栅的单个像素或超光栅的像素群，其它的实施例使用改变材料或有效折射率的一种或多种其它方法。这些实施例可以实现光谱改变，包括：特性的加强或减弱、超光栅作为一个整体的超光栅特征的允许或禁止、超光栅特性的光相位的调谐、或超光栅特征的光谱移动，这些改变的程度在一般情况下比利用可调谐的超光栅的改变程度要大。进而，这样的一些实施例的作用是产生超光栅先前没有呈现出来的光谱特征，消除超光栅先前呈现过的光谱特征，或者甚至于在一个光谱带内完全改变超光栅呈现的光谱特征。这些实施例指我们称之为“可调谐的超光栅”。可以使用可编程的超光栅与其它的超光栅相互交换，以便在使用后者的任何器件或实施例内，提供附加的动态或可编程的功能。尤其是对于本发明的所有其它器件实施例，这的确是真的。具体来说，其中使用可编程的超光栅的光耦合器、光色散控制器、光空间分离器、附加/引入滤波器、λ路由器、和波长均衡器的一些实施例都是可能的，并且代表了有许多改进的功能。
                           超光栅耦合器
可以在隐失波耦合器中使用本发明的特征来提供波长相关的耦合和方向以及色散补偿。例如，光可以从一个波导耦合到另一个波导，使其具有期望的光谱响应：即，可以全部地、占一定比例地、或不是全部地、并且以期望的相位地耦合指定波长的光。
耦合实施例可由两个或多个平行的非对称的或对称的波导(下面将描述)组成。非对称波导具有重叠的但不同的模，具有不同的有效(模)折射率(neff)1和(neff)2，以及不同的传播矢量k1(λ0)＝2π(neff)1/λ0和k2(λ0)＝2π(neff)2/λ0，其中λ0是自由空间波长。在一般情况下，有效折射率取决于波长λ0。应该认识到，模的叠加量和超光栅的特征将要确定从一个波导耦合到另一个波导的波长以及所说的波长(一个或多个)曾经耦合所采取的方向。
光耦合可分为两大类：反方向的和同方向的。如果耦合光运行在与入射光相同的总体方向(在90度内)，则说光是同方向耦合。如果耦合光大体上运行在与入射光相反的方向，则说光是反方向耦合。在实际当中，这些区别通常是极其清楚的，因为反方向和同方向是由光波导完全确定了的。应该注意的是，可以使用同一个超光栅耦合器进行同方向和反方向的耦合，并且可以在一个或多个光谱带内的每个波长进行同方向耦合或者反方向耦合，或者进行这两种耦合。应该认识到，虽然如果只考虑一种操作模式的话器件操作描述起来是较简单的，但同时加入两个实施例的特征的一个器件也在本发明之内。还应该认识到，按照本发明的几个实施例，可以在制造之后改变超光栅耦合器的耦合特性，最常用的改变超光栅耦合器的耦合特性的方法是，使一个或多个超光栅对于耦合到如以上所述的某种形式的光调谐作出响应。任何形式的超光栅，其中包括一维的、两维的、或三维的超光栅，以及实现所需的有效折射率值的任何特定的方法，都在本发明的范围之内。
                    反方向超光栅耦合器实施例
现在参照附图2，其中表示加入了本发明的特征的一个反方向超光栅耦合器154的实施例。对于这个实施例，当折射率扰动包括空间频率kg(λ0)＝k1(λ0)+k2(λ0)时，对于指定的输入波长λ0，发生反方向耦合。如以上所述，这种反方向耦合是通过构成超光栅152实现的，从而可以模拟期望的光谱kg(λ0)，并将超光栅152设置在隐失波耦合的波导153、153之间。在这个实施例中，超光栅152最好是不受空间频率2k1(λ0)和2k2(λ0)影响的，因为这些空间频率要在对应的波导内产生反向反射(back-reflection)(即，无任何耦合)，因此降低了耦合效率并产生了不期望的反向反射。满足这个条件，要求波导充分地不对称，避免在感兴趣的所有波长范围(一个或多个)的光栅空间频率(kg)之间的任何重叠，因而不会产生波导间的耦合以及波导内的耦合；在数学上这可能表示为：
  k1(λ1)+k2(λ1)≠2k1(λ2)和k1(λ1)+k2(λ1)≠2k2(λ2)
其中k1和k2较旱地用波长相关的有效折射率确定，λ1和λ2是位于感兴趣的范围(一个或多个)内的波长的任何组合。
在可替换实施例中，光学BSG152的特征可以是分别用控制器152A和/或调谐器152B可编程和/或可调谐的。
                   同方向超光栅耦合器实施例
现在参照附图3，其中表示加入了本发明的特征的一个同方向超光栅耦合器164的实施例。在这个实施例中，当相应的有效折射率由空间频率kg(λ0)＝k1(λ0)+k2(λ0)扰动时，期望的波长λ将从一个波导161同方向耦合到另一个波导163。如以上所述，这种同方向耦合是通过构成超光栅162实现的，从而可以模拟期望的光谱kg(λ0)，并将超光栅162设置在隐失波耦合的波导163、163之间。
在可替换实施例中，超光栅是波导的一部分，或者在波导的一侧或多侧。此外，可替换实施例的光学BSG162的特征可以是分别通过可编程的控制器162A和/或调谐器162B改变的。
现在参照附图3A，应该认识到，对称超光栅耦合器164A是如图2所示的非对称超光栅耦合器的一个特殊情况，并且完成与非对称超光栅耦合器154类似的功能，但是允许两个波导161A、163A略微有点不对称，或者甚至于允许它们的有效折射率对称。这样，可以超出先前表示过的限制，与这种情况一般将会导致波导内反射的事实无关。
在可替换实施例中，超光栅是波导的一部分，或者在波导的一侧或多侧。此外，可替换实施例可分别通过可编程的控制器162A和/或调谐器162B改变光学BSG162的特征。
现在参照附图10，其中表示加入本发明特征的一个波导内抑制耦合器。例如，器件106由两个波导101、102(对称的或不对称的)再加上位于它们之间的一个BSG104组成，器件106可以是静态的、可调谐的、或在必要时可以是可编程的。在两个波导101、102的每一侧放置与第一BSG104相同但具有相反的对比度(1变为0，和0变为1)的两个BSG103、105，这样一来，两个BSG103、105就在相应的波导101、102的外围相对于中央BSG104成为镜像关系。
操作原理如下：让m1是波导1的模态分布，m2是波导2的模态分布。与两个波导有关的耦合系数可以在光栅强度中写到1阶：
      C12∝∫m1*m2G12+∫m1*m2(G11+G12)≌∫m1*m2G12，
其中G12是中央光栅104，G11+G12分别是在波导1和2的远端的光栅103和105。因为两侧的光栅103、105距相对的对应光栅极远，所以公式中的第二项可以忽略(更加严格地说，在这个区中的相对的波导的模态分布可以忽略)。
然而，从第一波导101到它自己的耦合系数(对应于波导内的反射)如下：
      C12∝∫|m1|2G11+∫|m1|2G12＝0(因为G11＝-G12并且对称)对于第二波导102，其结果是相同的。只是为使两项抵消必须作的假设是：两个波导101、102的模态分布是对称的(相对于它们的波导而言，两个波导彼此不必完全相同)，并且光栅相对于波导是严格对称的。两项抵消与许多材料参数如波导的有效折射率无关，即使它们相互独立地变化亦是如此。
应该认识到，本发明有益地允许相邻对称波导之间的有效耦合，同时又可抑制波导内的反射。
还应该认识到，本发明有益地允许相邻对称波导之间的有效耦合，同时又可抑制波导内的反射。应该认识到，本发明完全可以应用到非对称波导，在可替换实施例中，如果放松设计要求，非对称波导也可以是优选实施例。
                        耦合器的折叠
在本发明的另一个实施例中，可以折叠一个超光栅以便更好地应用芯片基板。为此，要级联超光栅耦合器。严格地选择连接的顺序或方向依赖于感兴趣的波导的耦合方向性，并且一次可以利用几个操作模式的组合。几个超光栅耦合器可一块使用，以形成一个或多个改进的耦合器，或者使入射光分几个阶段进行滤波处理。
图4表示一个级联的反方向耦合器176的实施例。在这个实施例中，波长λ1从波导171反方向耦合到波导173，并且从波导173再次反方向耦合到波导175。应该认识到，可以采用波导173来补偿波导171中的色散。
在可替换实施例中，可以分别通过可编程的控制器172A和/或调谐器172B对光学BSG172的特征进行编程和/或调谐。类似地，可以分别通过可编程的控制器174A和/或调谐器174B对光学BSG174的特征进行编程和/或调谐。
                    基于光循环器的耦合器
图5表示本发明的另一个实施例，其中借助于按反射方式操作的超光栅实现在两个或多个波导之间的超光栅光耦合。通过入射波导入射的光通过端口1进入光循环器，并且通过端口1传送到端口2。在端口2，光入射到一个超光栅上，并且按照幅度、相位、并且作为波长的函数选择性地反射回来到达端口2。光循环器的作用是引导光返回到端口2再到端口3，其中的光由一个输出波导收集。基于循环器的实施例的优点是，它非常适合于在基于光纤的循环器容易得到的时候波导是光纤的情况。
分别通过可编程的控制器184A和/或调谐器184B可以对光学BSG184编程和/或调谐。
                        色散补偿器实施例
在光传输领域，众所周知的是，光学网络必须与称之为色散的性质竟争。这个色散性质来源于有效折射率的波长相关性，色散接着又对于指定类型和长度的光纤产生了波长相关群延迟光谱。由于光脉冲总是具有一定的光谱宽度，所以这种波长相关性将导致光脉冲的各个光谱分量的不同的延迟，由此导致光谱域的扩展。这种扩展直接妨碍了光学网络的操作。
线性调频光栅是旨在色散补偿的光栅器件。这里，布拉格光栅间距Λ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。
在本发明中，通过确定理想的(模拟的)输入线性调频(chirp)函数可以实现模拟线性调频布拉格光栅效应的超光栅，理想的(模拟的)输入线性调频函数是从群延迟光谱τg(λ0)导出来的(光栅在输入端施加的延迟最好与此相反)。然后，把理想的模拟分布加到前一个描述的超光栅量化滤波器，从而产生模拟期望的相位特性的量化分布。可以如以上所述进一步优化量化滤波器，把相位噪声减至最小。
在本发明的另外的实施例中，从所需的相位延迟特性可以直接合成超光栅，例如通过基于傅里叶的规范合成。
本发明的不同的实施例可以包括超光栅耦合器，如以上所述。这些耦合器可以包括同方向的和反方向耦合器、基于光循环器的耦合器、折叠的耦合器、或者这些耦合装置的任意的组合，但不限于这些。应该认识到，其中有一个或多个超光栅会影响传送的或引导的光的任何一个光传输或定向的方法都可能支持期望的光相位特性，因此都在本发明的范围之内。
本发明的可替换实施例涉及当光通过一个波导的长度传送时适合于影响光的一个或多个超光栅。这些基于光传输的实施例对于光纤实施方案是特别有用的。
                      波长稳定性监视器实施例
为了准确地发挥作用，光学网络要求：信道波长要保持在它们的标称值的一定范围内。一系列因素都可引起漂移，其中包括：环境条件的变化、设备老化、和结构破损。在某些情况下，入射波长信道可能会保持在标称值的范围内，但处理这个波长信道的器件的性能可能会相对它发生漂移。可以使用超光栅器来跟踪这种偏差，并且对这个器件或者对试图校正这个问题的随后的器件提供负反馈。
可以使用如图6所示的一维超光栅192来监视波长的漂移。当以一个指定的入时角入射在倾斜的一维光栅192上的光按正常情况只在特定的出射角衍射时，从中央峰值反射波长的解调(detuning)事实上将产生角度的解调(detuning)，并且使衍射效率下降。
可以利用这一行为来检测波长的漂移，或者，假定波长不变，器件特性发生了漂移，可以通过各种各样的机理(如温度调谐)来补偿这一漂移。为此，沿期望的中央波长的衍射路径对称排齐放置光检测器193a、193b；在这一结构中，如果局部的波长与期望值一致，则来自于每个检测器的信号将会匹配一致。(应该注意的是，按正常作法，故意地将衍射效率弄得很低，这样，大部分功率都通过未发生改变的路径)。然后用光检测器193a、193b的相对数值的变化来代表局部波长的偏差，通过比较器194来监视这个变化。比较器194可以确定在路径196、197上输入信号之间的差，或者可以利用任何合适的灵敏度功能，如对数减法。然后，可使用温度或任何其它的影响参数(未示出)来校正这些偏差。
在可替换实施例中，可分别通过可编程的控制器192c和/或调谐器192d对于光学BSG192的特征编程和/或调谐。
本发明的另一个实施例使用了如图7所示的2维BSG201，可用来向检测器衍射光和/或同时检测几个信道的波长漂移；或者，在另一个实施例中，利用沿如图8所示蚀刻的一系列准一维的(即，点源)部件201，将在两个横向方向导致对称的衍射。可在一侧任选地蚀刻一个平面镜202，对散射光进行最佳的收集。
                         动态多波长均衡器
按照本发明的几个实施例，可以实现多波长光的动态均衡。这些实施例包括一个或多个超光栅以获得波长特定的光增益或损耗特性，由此实现均衡。通过利用一个或多个可编程的或可调谐的超光栅可以获得这种动态行为。
按照本发明的动态多波长均衡器放在第一路由输入波长之后，二者中间还有一个分支的网络监视器，用于分开信道并监视它们的功率(见图6和7)。这些信号是通过处理电路194发送的，它的输出调谐(或编程)多波长均衡器192B的一个或多个超光栅，从，而使通过信道191、191A的功率均衡。可以使用这种结构作为反馈结构的一部分来均衡波长功率。
按照本发明的一些实施例，使用一个或多个超光栅对于必须微调它的功率的波长以较低的效率耦合输入信道到输出波导。这些实施例可以包括一个或多个超光栅耦合器。本发明的另一些实施例包括使用超光栅为必须微调其功率的波长施加较高的散射损耗。
在可替换实施例中，可以独立地调谐包括“基本功能”的多个BSG的级联，以实现均衡需要的损耗光谱；可能的基本功能包括可以彼此相对移动的台阶状的光谱。
另一个可替换实施例包括使用可编程的超光栅器件，可以改变器件的折射率特性来实现期望的均衡。
特定的实施例包括：级联的同方向和反方向BSG(见图2、3、3A和4)，接连地分割信道使之成为两个子带，直到提取出各个信道时为止；和一系列倾斜的单个信道的光栅，它们将各个信道引导到它们对应的输出波导或检测器器(图6，标号193)。
                 静态和动态附加/引入滤波器实施例
按照本发明的几个实施例，各个单个或多个波长信道可全部地或部分地在空间上从一个“在内”信道分离开，并被引向到一个“引入(drop)”信道。其它波长信道则可以从“在内”信道引导到一个“在外”信道。任选地，可以提供一个“附加”信道，其中来自于“附加”信道的光可以有选择地引导到“穿过”信道。其它的实施例可以包括几个“引入”信道、“附加”信道、或“穿过”信道。在两种类型实施例中，器件功能可以是固定的或者是可编程的。
现在参照附图4A，其中表示出一个器件4A1，它包括使用可调谐的和/或可编程的或者固定的反方向的和/或同方向的超光栅耦合器耦合的一组波导4A3、4A4。
另一个实施例图4B使用的是游标调谐原理，由这一原理产生的设计是：通过折射率调谐可访问的光谱移动通常要比整个期望的调范围小得多。多信道输入沿一个波导4B3进入，光通过多峰值可调谐的超光栅4B2(峰的间隔在一般情况下比可利用的调谐范围小得多)耦合到一个相邻的波导。随后的可调诣超光栅4B6(一般情况下，多个峰具有不同的间隔，所说的间隔也小于可利用的调谐范围)将这第一组信道中的一个子组耦合到第一波导4B7。这一十中抽一采样过程可以根据需要继续进行，这些超光栅相互独立地进行调谐以引入期望的信道(一个或多个)。于是，信道选择范围可大大超过可利用的折射率调谐的光谱移动。
本发明的另一些实施例包括使用两维的或三维的超光栅来引导光到适合的信道。
可使用本发明的特定的实施例在空间上分开输入光信号中的所有的波长分量。
                        λ路由器实施例
图9表示加入本发明特征的λ路由器。λ路由器还称之为所谓的波长路由器，或者光交叉连接(OxCs)，是定位在网络结点的器件，将波长(一个或多个)从一个特定的光纤的光输入端路由到另一个特定光纤的光输出端。λ路由器通常是N×N器件(即，具有N个输入光纤I和N个输出光纤O)，每个输入光纤通常传送单个波长信道。
通过在本地调谐和/或编程超光栅221A-221F使其与信道波长对准或不对准，可以实现纵横操作(cross/bar)(即，一个波导上的信道光耦合到另一个波导上，或者相反，另一个波导上的信道光耦合到这个波导上；或者一个波导上的信道光保持在同一个波导内)。
本发明的另一个实施例包括一个或多个超光栅耦合器，以实现期望的路由。另外的实施例包括一个或多个附加/引入滤波器。
                            波长监视器
按照本发明的另一个实施例，超光栅器件可以在一个或多个光波长信道中测量功率。这个器件的几个实施例包括一个或多个超光栅以及一个或多个光学检测器。可替换实施例包括一个或多个超光栅耦合器，或一个或多个两维的或三维的超光栅。
应该理解，以上的描述仅是对本发明的说明。本领域的普通技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以设计出各种替换和改进。因此，本发明试图包括落入所附的权利要求书范围内的所有的这样一些替换、改进、和变化。

Claims (85)

1.一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。
2.一种光耦合器，包括：
如权利要求1所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第二光波导经过光学部件光耦合到第一光波导。
3.一种同方向光耦合器，包括：
如权利要求2所述的光耦合器，其中光学部件适合于同方向耦合至少一个所选的光波长。
4.一种反方向光耦合器，包括：
如权利要求2所述的光耦合器，其中光学部件适合于反方向耦合至少一个所选的光波长。
5.一种光色散控制器，包括：
第一光学部件，其中第一光学部件包括如权利要求1所述的光学部件，其中第一光学部件适合于影响第一所选的光波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第二光波导与第一光波导是非对称的，其中第一光波导经过第一光学部件光耦合到第二光波导。
6.一种光色散控制器，包括：
第一光波导；
第二光波导，第二光波导包括：
如权利要求1所述的光学部件，其中光学部件适合于反射至少一个所选的光波长；
第三光波导；和
一个光循环器，其中光循环器光耦合第一、第二、和第三光波导。
7.一种光波长稳定性监视器系统，包括：
第一光波导，第一光波导包括：
如权利要求1所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
多个光学检测器，多个光学检测器适合于接收受到影响的所选的光波长并产生多个电信号；和
一个电子处理器，电耦合到多个光学检测器，其中电子处理器适合于从多个电信号中产生一个电信号。
8.根据权利要求7所述的光波长稳定性监视器系统，进一步包括一个光反射器。
9.一种对称的光耦合器，包括：
如权利要求1所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第二光波导与第一光波导是对称的，其中第二光波导经过光学部件光耦合到第一光波导。
10.一种光耦合器，包括：
如权利要求1所述的多个光学部件，其中多个光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第二光波导经过多个光学部件光耦合到第一光波导，其中多个光学部件适合于实现期望的波导间和波导内的耦合。
11.一种从第一点到第二点引导至少一个光信号的方法，该方法包括：提供一个光学部件，其中光学部件包括至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅包括一个量化的折射率分布，其中量化的折射率分布适合于呈现有限数目的多个折射率，有限数目的多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光学特性，并且其中至少一个光学超光栅适合于影响至少一个光信号。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供至少一个第一光波导；
提供至少一个第二光波导；
使光学部件影响至少一个所选的波长；和
从至少一个第一光波导经过光学部件到至少一个第二光波导光耦合至少一个所选的波长。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述提供至少一个第一光波导和提供至少一个第二光波导的步骤进一步包括提供相互不对称的波导。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供至少一个第一光波导；
提供至少一个第二光波导；
使光学部件适合于发送至少一个所选的波长；和
从至少一个第一光波导经过光学部件到至少一个第二光波导光耦合至少一个所选的波长。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述提供至少一个第一光波导和提供至少一个第二光波导的步骤进一步包括提供相互不对称的波导。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供至少一个第一光波导；
提供至少一个第二光波导；
提供至少一个第二光学部件，其中至少一个第二光学部件包括：
至少一个第二光学超光栅，其中至少一个第二光学超光栅包括至少一个第二量化的折射率分布，其中至少一个第二量化的折射率分布适合于呈现至少一个第二有限数目的多个折射率，第二有限数目的多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生至少一个第二组光学特性；
使至少一个光学部件影响至少一个所选的波长；
使至少一个第二光学部件影响至少一个所选的波长；和
使至少一个第二波导经过至少一个光学部件和至少一个第二光学部件光耦合到至少一个第一光波导，其中光耦合控制波导内的反射。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供至少一个第一光波导；
提供至少一个第二光波导；
提供至少一个第三光波导；
提供至少一个第二光学部件，其中至少一个第二光学部件包括：
至少一个第二光学超光栅，其中至少一个第二光学超光栅包括至少一个第二量化的折射率分布，其中至少一个第二量化的折射率分布适合于呈现至少一个第二有限数目的多个折射率，第二有限数目的多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生至少一个第二组光学特性；
使至少一个光学部件影响至少一个所选的波长；
使至少一个第二光学部件影响至少一个所选的波长；和
使至少一个第二波导经过至少一个光学部件光耦合到至少一个第一光波导；并且
使至少一个第三波导经过至少一个光学部件光耦合到至少一个第二光波导。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供一个光循环器；
提供至少一个第一光波导；
提供第二光波导；
提供第三光波导；
使光学部件反射至少一个所选的波长；和
安排光循环器，从第三光波导到至少一个第一光波导和从至少一个第一光波导到第三光波导耦合所选的波长。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
提供多个光检测器，用于检测由光学部件影响的至少一个所选的波长，其中多个光检测器中的每一个都输出一个对应于由光检测器检测的所选波长的电信号；和
耦合每个电信号到处理电子电路。
20.一种控制至少一个光信号的光相位特性的方法，该方法包括如下步骤：
提供一个光学部件，其中光学部件包括：
至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅包括量化的折射率分布，其中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特性；
使至少一个光学部件控制至少一个光信号的光相位。
21.一种处理至少一个光信号的方法，该方法包括如下步骤：
提供至少一个光学部件，其中提供至少一个光学部件步骤包括：
提供至少一个光学超光栅，其中提供至少一个光学超光栅的步骤包括提供一个量化的折射率分布，其中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特性；
使至少一个光学部件影响至少一个光信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中处理至少一个光信号的步骤进一步包括：调节至少一个光信号的至少一个波长分量的光功率。
23.根据权利要求21所述的方法，其中处理至少一个光信号的步骤进一步包括：在空间上分开至少一个波长分量。
24.一种光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅包括二进制的量化的折射率分布，二进制的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反射光谱。
25.一种监视光学系统的稳定性方法，该方法包括：
提供至少一个光学部件，其中至少一个光学部件包括：
至少一个光学超光栅，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特性；
提供多个光学检测器，
提供处理电子电路；
使至少一个光学部件影响至少一个所选的波长分量使其与多个光学检测器发生相互作用。
26.一种可编程的光学部件，可编程的光学部件包括至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅包括适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性的适合于呈现有限数目的多个折射率的量化的折射率分布。
27.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，进一步包括至少一个适合于改变至少一个光谱带内的光谱特性的光学超光栅。
28.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，进一步包括适合于改变量化的折射率分布的光学超光栅。
29.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，进一步包括适合于在响应热能时改变光谱特性的至少一个热响应光学超光栅。
30.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中使光学超光栅适合于电—光调谐、磁—光调谐、电致伸缩调谐、和/或磁致伸缩调谐的。
31.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中光学超光栅适合于光照射调谐、机械拉力调谐、和/或电流注入调谐。
32.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中的光学超光栅适合于电致变色调谐。
33.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中的光学超光栅适合于光聚合物调谐。
34.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中的光学超光栅适合于分子重构调谐。
35.根据权利要求26所述的可编程的光学部件，其中的光学超光栅适合于机械重构调谐。
36.一种光学部件，包括至少一个减小散射的光学超光栅，其中至少一个散射减小光学超光栅包括：
量化的折射率分布，量化的折射率分布适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性的适合于呈现有限数目的多个折射率；和
至少一个光栅特征尺寸大于光栅材料波长λmat＝λ0/neff，超光栅的模型尾部的衰减常数在至少一个散射减小的光学超光栅的预定区内小于1/λmat。
37.一种光学部件，光学部件包括至少一个多维的光学超光栅，其中至少一个多维光学超光栅包括一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
38.根据权利要求37所述的光学部件，其中至少一个多维光学超光栅包括多个光学衍射像素的一个两维的分布。
39.根据权利要求37所述的光学部件，其中至少一个多维光学超光栅包括多个光学衍射像素的一个三维的分布。
40.一种光耦合器系统，用于在波导之间耦合光，光耦合器包括：
至少一个第一光波导；
至少一个第二光波导；
至少一个光学部件，光学部件将光从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导，至少一个光学部件包括：
一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
41.根据权利要求40所述的光耦合器系统，其中至少一个第一光波导与至少一个第二光波导在光学上是非对称的。
42.根据权利要求40所述的光耦合器系统，其中光耦合器系统进一步还包括至少一个第二光耦合器，其中至少一个光耦合器和至少一个第二光耦合器适合于控制波导内的折射。
43.根据权利要求40所述的光耦合器系统，其中光耦合器系统适合于将反方向的光耦合到未曾耦合的光上。
44.根据权利要求40所述的光耦合器系统，其中光耦合器系统适合于将同方向的光耦合到未曾耦合的光上。
45.一种光学器件，光学器件包括
至少一个光波导，至少一个光波导包括：
一个光学部件，用于在至少一个光波导内反射光，光学部件包括；
一个量化的折射率分布，其中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谱特性；和
一个光循环器，光循环器具有至少一个光端口，其中光循环器光耦合到至少一个光波导，其中光耦合器适合于引导反射的光到达至少一个光端口。
46.一种光色散控制系统，光色散控制系统包括至少一个光学部件，至少一个光学部件适合于在至少一个光谱带内产生光相位特性，其中至少一个光学部件包括：
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，多个折射率适合于在至少一个光谱带内产生光谱特性。
47.一种光色散控制系统，光色散控制系统包括光耦合器系统，用于在波导之间耦合光，其中光耦合器系统适合于呈现波长相关的光相位特性，光耦合器系统包括：
至少一个第一光波导；
至少一个第二光波导；和
至少一个光学部件，将光从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导，至少一个光学部件包括：
一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
48.一种光学器件，用于分开光信号的波长分量，光学部件包括：至少一个光波长分割系统，至少一个光波长分割系统包括：
至少一个第一光波导；
至少一个第二光波导；和
至少一个光学部件，将至少一个光波长从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导，至少一个光学部件包括：
一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
49.根据权利要求48所述的光学器件，其中至少一个光学部件进一步包括两维的超光栅。
50.根据权利要求48所述的光学器件，其中至少一个光学部件进一步包括三维的超光栅。
51.根据权利要求48所述的光学器件，进一步包括一个游标分离装置。
52.一种波长稳定性监视器，波长稳定性监视器包括：
具有至少一光学部件的波长监视器，至少一个波长监视器包括：
一个量化的折射率分布，其中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谱特性；
多个光检测器，光检测器耦合到波长监视器上，其中多个光检测器适合于当监视的波长偏移时产生一个偏差信号；和
耦合到多个光检测器上的一个控制器，其中控制器适合于产生对应于波长偏差的电信号。
53.根据权利要求52所述的波长稳定性监视器，其中至少一个光学部件进一步包括两维的超光栅。
54.根据权利要求52所述的光学器件，其中至少一个光学部件进一步包括三维的超光栅。
55.根据权利要求52所述的光学器件，其中至少一个光学部件进一步包括一个点散射器阵列。
56.一种光波长均衡器，光波长均衡器包括至少一个光学部件，至少一个光学部件包括一个量化的折射率分布，其中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谱特性，其中至少一个光学部件适合于调节光信号内的每个波长的波长功率。
57.根据权利要求56所述的光波长均衡器，进一步包括一个光耦合器系统，光耦合器包括：
至少一个第一光波导；
至少一个第二光波导；和
至少一个光学部件，将经过调节的波长从至少一个第一光波导光耦合到至少一个第二光波导。
58.根据权利要求56所述的光波长均衡器，其中至少一个光学部件适合于衍射所选的波长。
59.一种光波长监视器，光波长监视器包括至少一个光学部件，至少一个光学部件包括有量化的折射率分布，其中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谱特性，其中至少一个光学部件适合于测量光信号内每个波长的功率。
60.根据权利要求59所述的光波长监视器，其中至少一个光学部件进一步包括一个二进制光栅。
61.一种光学部件，光学部件包括至少一个可编程的光学超光栅。
62.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于改变量化的折射率分布的至少一个光学超光栅。
63.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于响应于热能改变光谱特性的至少一个热响应的光学超光栅。
64.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于电—光编程、磁—光编程、电致伸缩编程、和/或磁致伸缩编程的至少一个可编程的光学超光栅。
65.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于光照射编程、机械重构编程、机械拉伸编程、和/或电子注入编程的的至少一个可编程的光学超光栅。
66.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于电致变色编程的至少一个可编程的光学超光栅。
67.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于光聚合物编程的至少一个可编程的光学超光栅。
68.根据权利要求61所述的光学部件，其中至少一个可编程的光学超光栅进一步包括适合于分子重构编程的至少一个可编程的光学超光栅。
69.一种光学部件，光学部件包括至少一个可调谐的光学超光栅，其中至少一个可调谐的光学超光栅包括一个量化的折射率分布，其中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谱特性。
70.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅适合于改变量化的折射率分布，量化的折射率分布与至少一个可调谐的光学超光栅相关联。
71.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅进一步包括适合于响应于热能时改变光谱特性的至少一个热响应的光学超光栅。
72.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅适合于电—光调谐、磁—光调谐、电致伸缩调谐、和/或磁致伸缩调谐。
73.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅适合于光照射调谐、机械拉伸调谐、和/或电子注入调谐。
74.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅适合于电致变色调谐。
75.根据权利要求69所述的光学部件，进一步包括至少一种液晶材料和/或至少一种光聚合物材料。
76.根据权利要求69所述的光学部件，其中至少一个可调谐的光学超光栅适合于机械重构调谐。
77.一种光学部件，光学部件包括至少一个光学超光栅，其中至少一个光学超光栅适合于影响在至少一个光谱带中的光相位特性。
78.根据权利要求77所述的光学部件，其中至少一个光学超光栅适合于符合至少是一维的。
79.根据权利要求78所述的光学部件，其中至少一个光学超光栅进一步包括适合于编程和/或调谐的光学超光栅。
80.一种光耦合器，包括；
如权利要求79所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
第一光波导；
第二光波导，其中第二光波导经过光学部件光耦合到第一光波导。
81.一种光色散控制器，包括：
第一光学部件，其中第一光学部件包括如权利要求79所述的光学部件，其中第一光学部件适合于影响第一所选的波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第一光波导经过第一光学部件光耦合到第二光波导。
82.一种光色散控制器，包括：
第一光波导；
第二光波导，第二光波导包括：
如权利要求79所述的光学部件，其中光学部件适合于反射至少一个所选的光波长；和
第三光波导；和
一个光循环器，其中光循环器光耦合第一、第二、和第三光波导。
83.一种光波长稳定性监视器系统，包括：
第一光波导，包括：如权利要求79所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
多个光检测器，光检测器适合于接收受到影响的所选的光波长并产生多个电信号；
电子处理器，电耦合到多个光检测器，其中电子处理器适合于从多个电信号中产生一个电信号。
84.根据权利要求83所述的光波长稳定性监视器系统，进一步包括一个光学反射器。
85.一种光耦合器，包括：
多个如权利要求79所述的光学部件，其中光学部件适合于影响至少一个所选的光波长；
第一光波导；和
第二光波导，其中第二光波导经过多个光学部件光耦合到第一光波导，其中多个光学部件适合于实现期望的波导间和波导内的耦合。
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