programmable spectral design and the binary

0 downloads 0 Views 7MB Size Report
As a digital approach to spectral engineering, the BSG presents many of the same ...... Figure 3.1: The stack of thin dielectric layers that constitute a thin-film filter. ...... There, he considers over- and under-etching, random and systematic ...... Air. Figure 4.1: The twp-step approach to BSG synthesis, which allows BSG design to.
PROGRAMMABLE SPECTRAL DESIGN AND THE BINARY SUPERGRATING

A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY

Daniel Levner June 2006

© Copyright 2006 by Daniel Levner All Rights Reserved

ii

I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it  is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree  of Doctor of Philosophy.    _______________________________________  (David A. B. Miller)  Principle advisor      I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it  is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree  of Doctor of Philosophy.    _______________________________________  (J. M. Xu)     

Co‐advisor 

    I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it  is fully adequate in scope and quality as a dissertation for the degree  of Doctor of Philosophy.    _______________________________________  (Olav Solgaard)      Approved for the University Committee on Graduate Studies. 

iii

 

Abstract Spectral  operations  such  as  wavelength  selection,  power  level  manipulation,  and  chromatic  dispersion  control  are  key  to  many  processes  in  optical  telecommunication,  spectroscopy,  and  sensing.  In  their  simplest  forms,  these  functions  can  be  performed  using  a  number  of  successful  devices  such  as  the  Fraunhofer  (“diffraction”)  grating,  Bragg  grating,  thin‐film  filter  (TFF),  and  dispersion‐compensating  fiber  (DCF).  More  complicated manipulations, however, often require either problematic cascades of many  simple  elements,  the  use  of  custom  technologies  that  offer  little  adjustment,  or  the  implementation  of  fully  programmable  devices,  which  allow  for  the  desired  spectral  function to be synthesized ab initio.  Here,  I  present  the  Binary  Supergrating  (BSG),  a  novel  technology  that  permits  the  programmable and near‐arbitrary control of optical amplitude and phase using a simple,  robust and practical form. This guided‐wave form consists of an aperiodic sequence of  binary  elements;  the  sequence,  determined  through  the  process  of  BSG  synthesis,  encodes an optical program that defines device functionality.  The ability to derive optical programs that address broad spectral demands is central  to  the  BSG’s  extensive  capabilities.  In  consequence,  I  present  a  powerful  approach  to  synthesis  that  exploits  existing  knowledge  in  the  design  of  “analog”  gratings.  This  approach  is  based  on  a  two‐step  process,  which  first  derives  an  analog  diffractive  structure  using  the  best  available  methods  and  then  transforms  it  into  binary  form. 

v

  Accordingly,  I  discuss  the  notion  of  diffractive  structure  transformation  and  introduce  the  principle  of  key  information.  I  identify  such  key  information  and  illustrate  its  application in grating quantizers based on an atypical form of Delta‐Sigma modulation.  As  a  digital  approach  to  spectral  engineering,  the  BSG  presents  many  of  the  same  advantages offered by the digital approach to electronic signal processing (DSP) over its  analog predecessors. As such, it has potential importance for many domains of optical  manipulation.  This  is  especially  the  case  when  the  BSG  incorporates  reprogrammable  means of actuation. The reprogrammable form, which stands as a universal wavelength  processor, promises unique benefits to dynamic optical systems.     

vi

 

Acknowledgments I would like to thank my advisors, Prof. David Miller from Stanford University and Prof.  Jimmy  Xu  from  Brown  University,  for  their  incredible  guidance  and  support.  In  particular,  I  must  thank  Prof.  Xu  for  introducing  me  to  this  project  so  many  years  ago  and for ensuring since then that it has always been possible for me to pursue it, despite  its  many  twists  and  turns.  Similarly,  I  must  thank  Prof.  Miller  for  his  wonderful  mentoring and for his flexibility, understanding and assistance in allowing me to pursue  my work unconventionally.  My thanks go to Prof. Olav Solgaard for providing me with an objective outlook on  both practical and theoretical aspects of my work and for the valuable feedback in which  it resulted. I am also very grateful for Prof. Claire Tomlin’s guidance and support, which  I have been fortunate enough to receive since my first day at Stanford.  I  must  convey  the  greatest  thanks  and  appreciation  to  my  friend  and  colleague   Dr. Martin Fay, who has been my partner and faithful travel‐mate through the entirety  of  this  journey.  Martin  has  honored  me  with  his  always‐sober  outlook,  his  heartfelt  advice  on  both  technical  and  non‐technical  matters,  and  his  incredible  amount  of  patience  and  willingness  to  help.  In  addition,  I  would  like  to  thank  my  dear  friend   Dr.  Ronojoy  Ghosh  whose  hospitality,  generosity,  encouragement  and  friendship  have  meant a very great deal to me. 

vii

  I would like to thank the friends and supporters of Digital LightCircuits, and all those  who helped Martin and I build it. In particular, I would like to mention Ian Ainsworth,  Jeff Weiss, Bill O’Farrell and Fred Bamber for believing in us and in our work.  I  am  very  grateful  for  having  been  chosen  for  the  Stanford  Graduate  Fellowship  (SGF) – a remarkable program that has permitted me not only to pursue my interests but  to  do  so  in  an  unconventional  way.  I  also  gratefully  acknowledge  support  from  the  Defense  Advanced  Research  Projects  Agency  (DARPA),  National  Science  Foundation  (NSF), and Photonics Research Ontario (PRO).    Not least, I thank my parents, Ada and Hertz, for standing behind me – always and  unconditionally.     

viii

 

Contents Abstract................................................................................................... v Acknowledgments ................................................................................ vii Chapter 1

Chapter 2

Introduction

1

1.1

Spectral Engineering: Why? .............................................................. 1

1.2

Spectral Engineering: How?.............................................................. 5

1.3

The Binary Supergrating (BSG) ........................................................ 7

1.4

The Reprogrammable BSG ................................................................ 9

1.5

The BSG Advantage ........................................................................... 9

1.6

Manuscript Overview ...................................................................... 11

1.7

Intellectual Property Statement ...................................................... 13

1.8

Bibliography ...................................................................................... 13

Background Concepts 2.1

2.2

2.3

17

Electromagnetic Waves.................................................................... 17 2.1.1

Plane waves and refractive index...................................... 19

2.1.2

Refraction.............................................................................. 20

Optical Waveguides ......................................................................... 22 2.2.1

Guided modes and modal index ....................................... 23

2.2.2

Waveguide dispersion ........................................................ 25

2.2.3

Evanescent tails.................................................................... 26

Transfer Matrix Methods................................................................. 27 2.3.1

S‐matrix formulation........................................................... 28

ix

 

2.4

2.5

Chapter 3

ABCD‐matrix formulation.................................................. 29

2.3.3

Extended formulations ....................................................... 30

Linear System Analysis and Control ............................................. 31 2.4.1

Rational‐form continuous‐time systems and stability ... 32

2.4.2

Discrete‐time Fourier transform ........................................ 34

2.4.3

Rational‐form discrete‐time systems and stability ......... 35

2.4.4

Spectral resolution ............................................................... 36

2.4.5

Causality ............................................................................... 37

Bibliography ...................................................................................... 38

Past Approaches

41

3.1

Thin‐film filters ................................................................................. 41

3.2

Raman‐Nath Diffraction .................................................................. 42

3.3

Fiber Bragg Gratings ........................................................................ 45

3.4

Analog Gratings in Waveguides .................................................... 47

3.5

Chapter 4

2.3.2

3.4.1

Superimposed photoinscription ........................................ 48

3.4.2

Grayscale lithography......................................................... 48

3.4.3

Electro‐optic gratings in lithium‐niobate ......................... 50

Binary Gratings in Waveguides...................................................... 51 3.5.1

Sampled grating (SG) .......................................................... 51

3.5.2

Superstructure grating (SSG) ............................................. 52

3.5.3

Binary superimposed grating ............................................ 53

3.6

Conclusions ....................................................................................... 54

3.7

Bibliography ...................................................................................... 54

BSG Synthesis & Key Information

57

4.1

The Principle of Key Information................................................... 58

4.2

The Fourier Approximation ............................................................ 59

4.3

Delta‐Sigma Modulation ................................................................. 62

4.4

Second‐Order Considerations......................................................... 66

4.5

The Baseband Exclusion Principle ................................................. 68

4.6

Conclusions ....................................................................................... 70

4.7

Appendix – Key Derivations........................................................... 71 4.7.1

The Fourier approximation ................................................ 71

4.7.2

Second‐order coupling coefficients................................... 72

4.7.3

Baseband exclusion width.................................................. 75

x

  4.8

Chapter 5

Analog Grating Synthesis 5.1

Modes of Grating‐Assisted Coupling ............................................ 79 5.1.1

Co‐linear couplers ............................................................... 80

5.1.2

Co‐planar couplers .............................................................. 84

Inverse Scattering Theory................................................................ 86

5.3

Iterative Fourier Methods................................................................ 87

5.4

Impulse Response Methods ............................................................ 90 5.4.1

Causality in counter‐directional gratings......................... 90

5.4.2

Causality in co‐directional gratings .................................. 91

Special Concerns ............................................................................... 95 5.5.1

Infinite impulse response (IIR) gratings........................... 95

5.5.2

Chromatic dispersion.......................................................... 97

5.6

Conclusions ....................................................................................... 98

5.7

Bibliography ...................................................................................... 98

Delta-Sigma Modulation

101

6.1

Threshold Quantization................................................................. 101

6.2

Classical Delta‐Sigma Modulation Theory ................................. 103

6.3

6.4

Chapter 7

79

5.2

5.5

Chapter 6

Bibliography ...................................................................................... 76

6.2.1

Noise‐to‐output transfer function ................................... 103

6.2.2

Oversampling ratio ........................................................... 105

Band‐pass Delta‐Sigma Modulation ............................................ 106 6.3.1

Loop stability...................................................................... 107

6.3.2

Filter design ........................................................................ 107

6.3.3

Multi‐band modulators .................................................... 109

6.3.4

Input scaling....................................................................... 110

6.3.5

Multi‐level quantization ................................................... 111

Future Directions ............................................................................ 111 6.4.1

Sub‐bit modulation............................................................ 111

6.4.2

DSM‐based direct synthesis ............................................. 112

6.5

Conclusions ..................................................................................... 113

6.6

Bibliography .................................................................................... 113

Direct BSG Synthesis 7.1

115

Transfer Matrix Optimization....................................................... 116

xi

 

7.2

Chapter 8

Choice of start structure.................................................... 118

7.1.2

Cost function ...................................................................... 118

7.1.3

Inequality constraints........................................................ 119

7.1.4

Performance........................................................................ 121

Simulated Annealing...................................................................... 122 7.2.1

Principle of operation........................................................ 124

7.2.2

Fast annealing .................................................................... 125

7.2.3

Multi‐agent methods......................................................... 126

7.2.4

Performance........................................................................ 127

7.3

Direct vs. Two‐Step Synthesis: Comparison............................... 128

7.4

Bibliography .................................................................................... 129

BSG Implementation 8.1

8.2

8.3

Chapter 9

7.1.1

131

BSG Design Rules ........................................................................... 131 8.1.1

Spectral Resolution............................................................ 131

8.1.2

Bit length............................................................................. 134

Grating Morphologies.................................................................... 135 8.2.1

Etched or deposited cladding .......................................... 135

8.2.2

Lateral satellite gratings.................................................... 136

8.2.3

Waveguide width variation ............................................. 137

Design of Counter‐Directional Couplers..................................... 137 8.3.1

Asymmetric couplers ........................................................ 138

8.3.2

Symmetric couplers........................................................... 140

8.4

Design of Co‐Directional Couplers .............................................. 141

8.5

A Note regarding Supermodes..................................................... 144

8.6

Conclusions ..................................................................................... 146

8.7

Bibliography .................................................................................... 146

Reprogrammable BSGs

147

9.1

Reprogrammability: Why? ............................................................ 147

9.2

Reprogrammability: How?............................................................ 148

9.3

Thermal Actuation.......................................................................... 150 9.3.1

9.4

Micro‐Electromechanical (MEMS) Actuation............................. 152 9.4.1

9.5

Differential heating............................................................ 151 Index matching fluid......................................................... 153

Liquid‐Crystal (LC) Actuation...................................................... 153

xii

 

9.6

Chapter 10

9.5.1

Surface alignment layer .................................................... 155

9.5.2

Flip‐chip bonding .............................................................. 157

Hitless Switching ............................................................................ 158 9.6.1

Intrinsically hitless operation........................................... 160

9.6.2

Programmatically hitless operation ................................ 161

9.7

Conclusions ..................................................................................... 162

9.8

Bibliography .................................................................................... 163

Experimental Progress

165

10.1 Counter‐Directional Couplers ...................................................... 165 10.2 Co‐Directional Couplers ................................................................ 171 10.3 Liquid‐Crystal Reprogrammable BSGs ....................................... 176 10.3.1 Bulk LC actuation of waveguide devices....................... 176 10.3.2 LC alignment on waveguide using LPP......................... 178 10.3.3 Fixed‐program BSG in LC ................................................ 179 10.3.4 CMOS‐controlled BSG in LC............................................ 181 10.4 Other Work...................................................................................... 183 10.4.1 Self‐collimated multi‐wavelength lasers ........................ 183 10.4.2 Tunable distributed feedback (DFB) lasers.................... 184 10.5 Conclusions ..................................................................................... 184 10.6 Bibliography .................................................................................... 184

Chapter 11

Future Directions

185

11.1 Demonstration of a Reprogrammable BSG................................. 185 11.2 Sub‐bit Delta‐Sigma Modulation.................................................. 186 11.3 Analog Synthesis under Chromatic Dispersion ......................... 186 11.4 Improved Optimization‐based Synthesis.................................... 187 11.5 Sectionally Tuned BSG................................................................... 188 11.6 Two‐Dimensional BSG Synthesis ................................................. 188 11.7 Conclusions ..................................................................................... 189

Chapter 12

Conclusions

191

   

xiii

 

List of Tables Table 2.1:

The basic constants of electromagnetism [3]. ................................................................. 20

Table 7.1:

A  comparison  between  optimization‐based  direct  BSG  synthesis and  the  two‐ step approach of Chapter 4. ............................................................................................ 128

Table 10.1:

Dimensions  and  modal  parameters  for  the  reflective  lateral‐satellite  BSG  devices in silicon‐on‐insulator (SOI), as indicated in Figure 10.2a............................ 167

Table 10.2:

Dimensions  and  modal  parameters  for  the  cross‐guide  counter‐directional  lateral‐satellite  BSG  couplers  implemented  in  silicon‐on‐insulator  (SOI).  Measurements are indicated in Figure 10.2b................................................................ 168

Table 10.3:

Sample dimensions and modal parameters for the co‐directional BSG couplers  implemented  in  silicon‐nitride  (SiN).  Measurements  are  indicated  in  Figure  10.7.  172

Table 10.4:

Approximate  dimensions  for  the  LC‐actuated  Mach‐Zehnder  interferometer  illustrated in Figure 10.12 and produced in silicon‐on‐insulator. ............................. 177

   

xiv

 

List of Figures Figure 1.1:

A point‐to‐point optical data link employing wavelength division multiplexing  (WDM). Multiple wavelengths are multiplexed onto a single fiber at the source  and demultiplexed at the destination. ...............................................................................2

Figure 1.2:

Multi‐node WDM network. Individual network nodes are implemented using  a)  complete  optical  demultiplexing  and  electronic  add/drop  multiplexing  followed  by  retransmission;  or  b)  optical  add/drop  multiplexing  (OADM),  which allows all‐optical pass‐by and avoids retransmission..........................................3

Figure 1.3:

Characteristic  drop‐channel  spectrum  for  a  three‐band  optical  add/drop  multiplexer  (OADM).  Marked  are  the  through‐channel  isolation  and  the  desirable flat tops of the stop‐bands...................................................................................4

Figure 1.4:

A comparison of the Raman‐Nath (“free‐space”) and Bragg regimes. a) In the  Raman‐Nath  regime:  a  diffractive  micro‐electromechanical  system  (MEMS)  with ribbon‐like reflective actuators illuminated by lens‐spread light [9]. b) In  the Bragg regime: a fiber Bragg grating, which operates within an optical fiber  and reflects a selected wavelength band back into its input...........................................6

Figure 1.5:

A  form  of  the  Binary  Supergrating  (BSG)  employing  an  etched  partial  top  cladding to attain aperiodic modulation of the waveguide’s effective refractive  index.  Proper  choice  of  the  binary  modulation  pattern  can  produce  near‐ arbitrary spectral features; the process of determining this pattern is known as  BSG synthesis. .......................................................................................................................7

Figure 1.6:

Binary  modulation’s  immunity  to  nonlinearity:  any  error  in  the  modulation  levels  still  leaves  them  lying  on  a  straight  line.  This  corresponds  to  an  affine  (linear)  transformation  and  does  not  induce  nonlinear  distortion  of  the  spectrum.................................................................................................................................8

xv

  Figure 1.7:

Three different simulated spectra belonging to BSG devices that differ only in  their  programs.  These  correspond  to  a)  optical  add/drop  multiplexing,    b)  dispersion‐slope compensation, and c) channel power equalization. ........................ 10

Figure 1.8:

Graceful degradation of a short 300‐bit BSG in the face of individual bit flips.  The response is milder the more bits there are in the BSG. .......................................... 10

Figure 2.1:

Reflection and transmission at a normal refractive‐index interface............................ 21

Figure 2.2:

Refraction at an off‐normal refractive‐index interface. ................................................. 22

Figure 2.3:

Guided‐wave propagation viewed as light trapped in the core region by total  internal  reflection  (TIR).  For  TIR  to  occur,  the  core  and  cladding  must  be  selected such that nclad   n2 and  θ1 is sufficiently large, the right‐hand‐side of (2.15) can be greater  than 1, making it impossible for the equation to be satisfied for any real θ2. This situation  is known as  total internal reflection (TIR) and implies that no light is transmitted – the  index interface acts as a perfect mirror.  The angle  θ1 at which TIR first occurs is  called  the critical angle. 

2.2

Optical Waveguides

Optical waveguides are devices that confine light and can be used to direct it much like  wiring.  They  come  in  two  main  varieties:  one‐dimensional  or  wire‐like  waveguides,  which  constrain  light  in  two  dimensions;  and  two‐dimensional  or  slab  waveguides,  which restrict it to a plane. They are typically made of transparent materials and confine  light to a  core region by surrounding it with a lower refractive‐index  cladding. If light is  launched into the guide at a sufficiently oblique angle, total internal reflection can keep  it bouncing within (see Figure 2.3).  Optical fibers, which are long strands of glass designed to have a higher index center,  are  a  common  type  of  optical  waveguide.  They  are  prevalent  because  they  can  carry  signals  over  large  distances  with  little  attenuation  or  impairment.  Another  variety  of  waveguides  are  those  manufactured  on  the  surface  of  a  glass  or  semiconductor 

2.2   Optical Waveguides   

23

substrate. These form the basis of planar lightwave circuits (PLCs), which are microchip‐ like  optical  devices.  Chapter  8  describes  several  material  systems  suitable  for  such  waveguides. 

nclad Total internal reflection Input

ncore Total internal reflection

nclad   Figure 2.3:  Guided‐wave propagation viewed as light trapped in the core region  by total internal reflection (TIR). For TIR to occur, the core and cladding must be  selected such that nclad   0),  whereas  mode  2  remains  free  to  either  co‐  or  counter‐  propagate. The two modes are assumed to be orthogonal and have modal profiles that  are normalized to carry unit power.  We suppose further that the system is subject to a spatially varying material profile  characterized by the electric permittivity map 

60   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

ε ( x , y , z ) = ε 0 [ε base ( x , y ) + η Δ ε ( x , y , z ) ] .  

 

(4.2) 

Here, ε0 is the permittivity of free space, εbase is the relative permittivity of the z‐invariant  material  profile  to  which  modes  1  and  2  correspond,  and  η.Δε  is  a  perturbation  to  this  profile  representing  the  diffractive  structure  under  consideration.  η  is  a  “smallness  parameter”  that  scales  the  perturbation,  and  Δε  is  assumed  to  be  non‐zero  only  in  the  domain 0 ≤ z ≤ L for some device length L. Coupled mode theory provides the following  governing equations for this system [7]: 

da 1 = iκ 11 (z )a 1 (z ) + iκ 12 ( z )a 2 ( z )e i (k 2 − k1 ) z dz   da 2 i ( k1 − k 2 ) z = iκ 21 ( z )a 1 ( z )e + iκ 22 (z )a 2 ( z ) . dz

 

(4.3) 

Correspondingly,  κ11(z)  and  κ22(z)  represent  self‐coupling  functions  imposed  by  the  perturbation,  whereas  κ12(z)  and  κ21(z)  represent  cross‐mode  coupling  functions.  A  simple  expression  for  these  functions  that  applies  exactly  if  the  two  modes  are  TE‐ polarized and approximately in most other cases is 

κ μυ =

 

ωε 0 4

∫∫ E μ (x , y ) ⋅η Δ ε ( x , y , z ) Eν (x , y ) dxdy .   *

(4.4) 

x, y

The exact details of the coupling functions beyond their proportionality to  η do not  affect  this  derivation,  so  we  abstract  the  mode‐to‐perturbation  overlap  integrals  in  the  functions cμν: 

κ μυ ( z , ω ) ≡ ηω c μυ ( z , ω ) .  

 

(4.5) 

We proceed with a perturbative solution to the coupled differential equations in (4.3)   by  expanding  the  modal  amplitude  coefficient  as  a  power  series  in  the  smallness  parameter η:   

a μ (z ) = η 0 a μ

(0)

(z ) + η 1 a μ (1) (z ) + η 2 a μ ( 2 ) (z ) +



(4.6) 

4.2   The Fourier Appro ximation   

61

Assuming  without  loss  of  generality  that  mode  1  serves  as  the  device  input  and  substituting  (4.5)  and  (4.6)  into  (4.3),  we  collect  terms  in  η1.  If  the  two  modes  are  co‐ propagating, this provides the device’s first‐order cross‐port transmission coefficient t21(1)  (see Section 4.7.1 for derivation details): 

t 21

 

(1)



η a 2 (1) ( L ) a1

( in )

~ Κ μν ( k ) =

 

~ = iΚ 21 ( k 2 − k 1 )  



∫ κ μν (z )e

− ikz

dz .  

(4.7a) 

(4.7b) 

−∞

Equation (4.7b) can be identified as the Fourier transform of the coupling functions  κμν.  If  instead  the  modes  are  counter‐propagating,  the  analysis  yields  the  first‐order  cross‐ port reflectance coefficient r21(1): 

r21

 

(1 )



η a 2 (1) ( 0 ) a1

( in )

~ = − iΚ 21 ( k 2 − k 1 ) .  

(4.8) 

Both  first‐order  coefficients  are  therefore  proportional  to  the  coupling  function’s  Fourier  component  at  k2  –  k1,  and  stand  in  support  of  the  Fourier  approximation.  Moreover, expressions (4.7a) and (4.8) identify specific key information: if the structure  is to operate over the band of optical frequencies spanning  ω1 to  ω2, its key information  includes  the  Fourier  components  of  κ21  that  lie  in  a  corresponding  band  of  spatial  frequencies. This “band of interest” can be defined as   

{Κ~ } = {k , Κ~ 21 1

21

(k ) k = ± [k 2 (ω ) − k 1 (ω )], ω 1 ≤ ω ≤ ω 2 }.  

(4.9) 

Knowledge of this key information enables the development of transformations that  modify form but maintain functionality. In particular, it directs the design of quantizers  that  translate  analog  structures  into  binary  form  through  processes  that  conserve  the  ~ Fourier  information  in  the  { Κ }1  band  of  interest.  BSG  synthesis  through  one  such  21

process is presented in the following section. 

62   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

4.3

Delta-Sigma Modulation

To  facilitate  the  pursuing  discussion,  we  adopt  the  simplifying  assumption  that  the  mode‐to‐perturbation  overlap  integrals  cμν  defined  in  (4.5)  are  independent  of  optical  frequency  ω. Although such strict independence rarely exists, it nonetheless serves as a  good approximation often even in the presence of moderate dispersion. This assumption  allows  us  to  characterize  and  transform  diffractive  structures  on  the  basis  of  their  overlap  integrals  alone,  which  accordingly  become  more  manageable  as  one‐ dimensional  functions  of  space,  cμν(z).  Furthermore,  it  allows  binary  structures,  which  consist of only two types of structural elements, to be described fully by two simple sets  of values: cμνh for “high bits” and cμνl for “low bits”.  The  simplest  technique  for  binarizing  diffractive  structures  is  known  as  “threshold  quantization”  [8].  According  to  this  method,  the  analog  structure’s  mode‐to‐ perturbation  overlap  integral  c21(zi)  is  compared  at  equally  spaced  samples,  zi,  to  a  threshold value lying between the binary structure’s overlap integral values  c21h and  c21l.  Each  analog  sample  is  thus  converted  to  the  “nearest”  binary  element,  regardless  of  values  at  other  sample  points.  This  technique  is  very  similar  to  its  digital  signal  processing  namesake,  and  unfortunately  shares  with  it  the  problem  of  quantization  noise. This “noise” is an expression of the information loss intrinsic to quantization and  manifests  itself  in  unwanted  spectral  features  and  an  often  severe  deterioration  in  optical figures of merit.  An alternative approach is to keep track of the quantization noise introduced as each  sample is binarized and attempt to compensate for it in subsequent samples. This is the  basis  of  Delta‐Sigma  modulation  (DSM;  also  referred  to  as  Sigma‐Delta  modulation),  a  quantization  technique  used  in  the  field  of  analog‐to‐digital  signal  conversion  that  employs such feedback. The canonical DSM is illustrated in Figure 4.2. 

4.3   Delta‐Sigma Modulation   

63

  Figure 4.2:  The  canonical  Delta‐Sigma  modulator  (DSM)  and  its  noise‐shaping  characteristics.  Discrete  spatial  frequency  has  been  normalized  to  the  Nyquist  frequency, corresponding to half the sampling rate. 

Figure  4.2  additionally  illustrates  the  modulator’s  noise‐to‐output  transfer  function,  which  is  a  measure  of  the  quantizer’s  “noise  shaping”  characteristics  derived  by  abstracting  the  threshold  operation  as  a  simple  addition  of  noise  [9].  It  is  important  to  note that a given quantization technique can only shape the quantization noise spectrum  and not avoid it altogether, as information loss is inherent to the quantization process.  Consequently, the art of quantizer design lies in choosing the information that survives  the process and the fidelity of its reproduction.  The  canonical  DSM  forces  quantization  noise  to  higher  frequencies  and  preserves  Fourier  information  in  the  signal’s  low‐frequency  range  (the  baseband).  Our  identified  band of key information, however, lies away from the baseband. The canonical DSM can  nevertheless  overcome  this  through  oversampling:  the  introduction  of  multiple  binary  samples for each analog sample in a proportion known as the oversampling ratio. This  expands the quantizer’s discrete frequency scale, which is inversely related to the binary  sample  length,  and  extends  the  baseband  to  encompass  the  formerly  high‐frequency  band  of  interest.  The  oversampling  ratio  further  stands  as  a  measure  of  the  attainable  fidelity in the conserved band, as the added binary bits increase the signal’s information  capacity.  Unfortunately,  this  approach  is  rarely  desirable  since  oversampling  often 

64   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

brings a commensurate increase in the lithographic resolution required to implement the  device.  A  preferred  course  lies  in  recognizing  that  the  band  of  interest  constitutes  only  a  fraction  of  the  total  (discrete)  Fourier  spectrum  and  that  this  fraction  itself  stands  as  a  sort  of  oversampling  ratio.  This  observation  motivates  the  application  of  an  atypical  form  of  DSM  known  as  band‐pass  DSM  –  modulation  designed  to  conserve  Fourier  information in a specific frequency band. Such modulators are constructed by replacing  the canonical DSM’s summation block (“Sigma”) with suitable linear filters that provide  the  desired  noise  shaping  while  maintaining  the  feedback  loop’s  stability.  The  design  process can involve a variety of control‐theoretic techniques  [10],  [11]; it is discussed in  detail  in  Chapter  6.  A  sample  DSM  devised  for  conserving  information  in  the  neighborhood of the Nyquist frequency (half the sampling rate) is shown in Figure  4.3.  In many applications, the small fraction of the optical spectrum represented by the band  of interest represents a sufficient oversampling ratio, allowing for binarization without  increase in resolution requirements. 

  Figure 4.3:  An  implementation  of  band‐pass  DSM  together  with  suitable  filter  coefficients. 

The  DSM  approach  well  suited  to  BSG  synthesis  as  it  quantizes  while  maintaining  specified  spatial‐frequency  content.  Furthermore,  DSM  algorithms  are  highly  efficient 

4.3   Delta‐Sigma Modulation   

65

and  typically  require  only  linear  O(L)  computation  time  with  device  length  L.  It  is  important to note, however, that whereas quantization noise produced outside the band  of interest is of secondary importance within the two‐mode model, it may nevertheless  contribute  to  unmodeled  effects  such  as  radiation‐mode  scattering.  Fortunately,  these  effects  can  often  be  minimized  through  the  optimization  of  mode‐to‐radiation  overlap  integrals, for example, but still should not be ignored.  Figure  4.4  displays  the  reflectance  spectra  of  two  analog  implementations  of  a  complex dense wavelength division multiplexed (DWDM) telecom filter, together with  the  spectra  of  the  BSGs  to  which  they  were  transformed  using  the  DSM  in  Figure  4.3.  The two analog structures are reflectivity‐scaled versions of the same design, and feature  50GHz channel spacing, ‐40dB stop‐bands, and 25GHz‐wide pass‐bands that are flat to  within  0.2dB.  The  BSG  corresponding  to  the  less  reflective  structure  maintains  these  figures  of  merit,  whereas  that  corresponding  to  the  more  reflective  structure  deviates  noticeably.  This  degradation  in  quality  with  increasing  diffractive  strength  hints  that  additional key information exists, an issue pursued in the following section. 

  Figure 4.4:  Reflectance spectra corresponding to two analog diffractive structures  and the BSGs to which they were transformed using the DSM in Figure  4.3. The  analog design in (a) attains a peak‐reflectivity of 1%, whereas that in (b) features  a  peak‐reflectivity  of  81%.  The  spectra  were  obtained  using  the  transfer  matrix  method. 

66   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

4.4

Second-Order Considerations

The foregoing results suggest that the first‐order perturbation analysis that yielded the  Fourier approximation is insufficient for strong gratings. Fortunately, the analysis can be  extended  to  uncover  the  missing  key  information  by  considering  the  model’s  second‐ order  behavior.  To  do  so,  we  again  substitute  (4.5)  and  (4.6)  again  into  (4.3),  but  now  collect  terms  in  η2.  After  considerable  simplification  (see  Section  4.7.2),  we  find  the  second‐order cross‐port transmission coefficient t21(2) for co‐propagating systems to be 

t 21

(2)

 

≡ t 21 = t 21

(1)

(1)

+

η 2 a 2 (2) ( L) a1

(0)

(0)

i ~ ~ ~ ∫ k [Κ (k ) − Κ (0 )]Κ (Δ k − k )dk



+

22

−∞

3

22

21

3

 

3

(4.10) 

3

i ~ ~ ~ ∫ k [Κ (Δ k − k ) − Κ (Δ k )]Κ (k )dk





21

−∞

3

21

11

3

3

.

3

Similarly,  the  second‐order  cross‐port  reflectance  coefficient  r21(2)  for  counter‐ propagating systems becomes 

 

r21

( 2)

≡ r21

(1)

+

η 2 a 2 ( 2 ) (0) a1

(0)

(0)

= − t 21

(2)

~ ~ − Κ 21 ( k 2 − k 1 ) Κ 22 ( 0 ) .  

(4.11) 

The  integrals  in  (4.10)  and  implicitly  in  (4.11)  can  be  interpreted  as  follows:  for  a  given  optical  wavelength,  the  spatial  frequency  associated  with  first‐order  coupling  corresponds  graphically  to  a  vector  connecting  a  start  state  at  k1  to  an  end  state  at  k2.  That  is,  it  is  the  structure’s  Fourier  component  at  k2  –  k1  that  is  relevant.  In  turn,  the  integrals  resulting  from  second‐order  analysis  correspond  to  two‐step  coupling  that  connects  the  same  endpoints  through  intermediate  “virtual  states”.  The  resulting  depictions of Figure  4.5 can be recognized as a form of Feynman diagrams. In this light,  the  second‐order  process  comprises  two  constituents,  one  corresponding  to  a  cross‐ mode  coupling  effected  by  κ21  followed  by  a  same‐mode  coupling  effected  by  κ22,  the 

4.4   Second‐Order  Considerations   

67

other  to  a  same‐mode  coupling  effected  by  κ11  followed  by  a  cross‐mode  coupling  effected by κ21. 

  Figure 4.5:  Feynman  diagrams  corresponding  (a)  to  the  Fourier  approximation  and (b) to second‐order analysis. 

On  first  account,  it  seems  that,  unlike  the  first  set  of  key  information,  the  missing  second  set  of  key  information  does  not  correspond  to  a  specific  Fourier  band:  the  second‐order  coupling  integrals  in  (4.10)  traverse  all  possible  virtual  states,  thus  drawing  information  from  the  entire  Fourier  spectrum.  However,  closer  examination  reveals that not all intermediate states participate equally, as transitions with large k3 are  highly penalized by the denominator. This resonance is a consequence of the improved  phase‐matching  experienced  by  virtual  states  that  neighbor  true  modes.  Accordingly,  the  practically  relevant  second‐order  transitions  combine  “low”  spatial‐frequency  vectors contributed by κ11 and κ22 with “high” spatial‐frequency components contributed  by  κ21.  Beyond  a  slight  widening  of  the  frequency  band,  the  latter  components  have  already been identified as key information in (4.9). The prior components, however, are  new. We can therefore summarize the extended collection of key information as 

{Κ~ } = {k , Κ~ (k ) k ± Δk (ω ) ≤ δ , ω ≤ ω ≤ ω } {Κ~ } = {k , Κ~ (k ) k ≤ δ }   ~ ~ {Κ } = {k , Κ (k ) k ≤ δ } 21 2

 

21

1

11 2

11

22 2

22

2

(4.12) 

Δ k (ω ) = k 2 (ω ) − k 1 (ω ) .

Here,  δ  represents  a  limit  defining  the  “low”  spatial  frequencies  that  is  determined  in  practice by the desired fidelity in the transformation‐conserved spectral features. 

68   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

4.5

The Baseband Exclusion Principle

The extended set of key information can be incorporated into the DSM approach to BSG  synthesis  through  the  use  of  the  so‐called  baseband  exclusion  principle.  This  principle  can  be  illustrated  by  reverting  to  the  formalism  of  wavelength‐independent  mode‐to‐ perturbation  overlap  integrals  cμν.  As  before,  each  of  the  binary  structure’s  bits  corresponds to a specific set of these coefficients, allowing us to relate the binary overlap  integral functions through linear relations: 

c11 ( z i ) =  

c 22 ( z i ) =

[

]

c11h − c11l l c 21 ( z i ) − c 21 + c11l h l c 21 − c 21 c c

h 22 h 21

−c −c

l 22 l 21

[c

21

(z i ) − c 21l ] + c 22l

 

(4.13) 

.

Consequently,  the  spatial  frequency  information  in  a  binary  structure’s  c11  and  c22  is  determined  by  its  c21  content.  This  observation  may  seem  problematic  since  it  further  implies  that  the  binary  c11  and  c22  are  mutually  dependent,  whereas  the  corresponding  parameters  of  the  analog  structure  may  vary  independently.  However,  it  is  rarely  a  pitfall  in  practice:  many  analog  structures  carry  no  information  in  the  low‐frequency  bands  identified  in  (4.12),  or  else  they  can  be  made  not  to  do  so.  Most  others  exhibit  nearly  proportional  low‐frequency  c11  and  c22  content,  which  can  be  sufficiently  reproduced  by  a  BSG  with  suitable  bit  structures.  This  motivates  the  definition  of  a  single function,  c 21equiv . (z), which carries all the required information:  equiv . (z ) = c 21

 



1 ~ C 21equiv . (k )e ikz dz ∫ 2π − ∞ ~ ~ C 21 (k ) k ∈ K 21

⎧ ~ equiv . ⎪ h l C 21 (k ) = ⎨ c 21 − c 21 ~ l l ⎪ c h − c l C 11 (k ) − c11 + c 21 11 ⎩ 11

[

]

{ } ~ k ∈ {K }

 

(4.14) 

2

11 2

.

Compounding  the  key  information  into  a  single  function  facilitates  improved  quantization  using  the  band‐pass  DSM  infrastructure  of  section  4.3  with  one 

4.5   The Baseband Exclusion Principle   

69

modification:  the  addition  of  a  second  noise‐free  region  covering  a  portion  of  the  spectral baseband. Such augmented modulators maintain both critical bands as  c 21equiv .  is  quantized and are said to employ baseband exclusion. Delta‐Sigma modulators with two  noise‐free  regions  can  be  designed  using  many  of  the  same  techniques  involved  in  designing single‐band modulators; a sample two‐band modulator is illustrated in Figure  4.6. 

  Figure 4.6:  Band‐pass  Delta‐Sigma  modulator  utilizing  baseband  exclusion  designed to conserve the same spectral features as the modulator in Figure 4.3. 

Baseband  exclusion  modulators  must  support  a  sufficiently  wide  low‐frequency  region in order to produce suitable fidelity  in the transformed grating’s spectrum. The  minimum width this requires varies with application and may be gauged analytically or  through iteration (see Section  4.7.3). However, this minimum is often small and can be  overestimated  with  insignificant  harm  to  the  oversampling  ratio.  Exclusions  encompassing 1% of the discrete‐frequency scale are typically ample in practice.  Figure  4.7 displays the reflectance spectra for the same analog structures as in Figure  4.4,  together  with  the  spectra  of  the  BSGs  to  which  they  were  transformed,  this  time  using the DSM in Figure  4.6. Both BSG structures now faithfully reproduce the desired  performance measures and illustrate that modulators employing the baseband exclusion  principle  indeed  overcome  the  diffractive  strength  limits  that  they  were  conceived  to  avoid. 

70   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

  Figure 4.7:  Reflectance  spectra  corresponding  to  the  same  analog  diffractive  structures  as in  Figure  4.4 and  the  BSGs  to  which  they  were  transformed  using  the  DSM  in  Figure  4.6,  which  employs  the  baseband  exclusion  principle.  The  spectra were again obtained using the transfer matrix method. 

4.6

Conclusions

The two‐step approach to BSG synthesis affords unprecedented flexibility in the design  of Bragg‐domain diffractive spectra by providing a means to harness the knowledgebase  of  analog  grating  design.  Band‐pass  DSM  proves  well‐matched  to  the  demands  of  the  binarization  step  of  this  method  and  offers  structural  transformation  based  on  the  principle  of  key  information  with  no  attendant  increase  in  lithographic  resolution.  Through  baseband  exclusion,  band‐pass  modulators  are  capable  of  quantizing  optical  structures with strong diffractive features and provide a powerful and efficient method  for  synthesizing  Binary  Supergratings.  Such  gratings  enable  near‐arbitrary  control  of  spectral  amplitude  and  phase  characteristics  through  a  robust  and  practical  form,  and  stand  as  a  powerful  tool  for  spectral  engineering.  The  principle  of  key  information  moreover represents a general approach to diffractive structure transformation and can  likewise  be  employed  in  the  design  of  other  binary  and  non‐binary  Bragg‐regime  devices. 

4.7   Appendix – Key  Derivations   

4.7 4.7.1

71

Appendix – Key Derivations The Fourier approximation

Substituting (4.5) and (4.6) into (4.3) and collecting terms in  η0 yields the perturbation‐ free behavior, which indicates the absence of modal coupling in the device:  (0)

(0)

da 1 dz

 

a1

 

(0)

( z ) = a1

(0)

(z) = a2

a2

=

(0)

da 2 dz

= 0 . 

( 0 ) = a1

(0)

(0)

(0) = a 2

( L ) ≡ a1

(0)

(4.15a) 

( in )

(L) ≡ a2

( in )

.

 

(4.15b) 

As the system is linear, we can simplify the derivation without loss of generality by  assuming that mode 1 serves as the device input and setting a2(in) = 0. Collecting terms in 

η1 corresponds to a first‐order perturbation:  (1 )

da 1 ( in ) = i ω c 11 ( z )a 1 dz   (1 ) da 2 ( in ) − iΔ kz = i ω c 21 ( z )a 1 e . dz

 

(4.16) 

Correspondingly, we define Δk = k2 – k1. Equation (4.16) can be integrated directly: 

a1 ( z ) = i ω a1 (1)

 

( in )

z

∫ c (z ′)dz ′   11

(4.17a) 

0

 

a2

(1)

(z) = a2

(1)

( 0 ) + iω a 1

( in )

z

∫ c (z ′) exp (− iΔ kz ′)dz ′ .   21

(4.17b) 

0

Finding  the  system’s  end‐to‐end  functionality  requires  evaluating  (4.17b)  at  z  =  L.  Fortunately, the perturbation’s restriction to 0 ≤ z ≤ L permits a simple result: 

72   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

a2

 

(1)

( L) = a 2

(1 )

( 0 ) + iω a 1

( in )

L

∫ c (z ′) exp (− iΔ kz ′)dz ′   21

0

= a2

(1 )

( 0 ) + iω a 1 ∞

~ C 21 ( k ) =

 

( in )

(4.18a) 

~ C 21 ( k 2 − k 1 )

∫ c (z )e

− ikz

21

dz .  

(4.18b) 

−∞

~ C 21(k) can be recognized as the spatial Fourier transform of c21(z). 

When the two‐mode system is co‐propagating (i.e. Re(k2) > 0) we can set  a2(1)(0) = 0 in  (4.17a) and write the device’s first‐order cross‐port transmission coefficient t21(1) as 

t 21

 

(1)



η a 2 (1) ( L ) a1

( in )

~ Κ μν ( k ) =

 



~ = iΚ 21 ( k 2 − k 1 )  

∫ κ μν (z )e

− ikz

dz .  

(4.7a) 

(4.7b) 

−∞

If instead the modes are counter‐propagating, we can set  a2(1)(L) = 0 in (4.17a) and solve  for the first‐order cross‐port reflectance coefficient r21(1): 

r21

 

4.7.2

(1)



η a 2 (1) ( 0 ) a1

(0)

(0)

~ = − iΚ 21 ( k 2 − k 1 ) .  

(4.8) 

Second-order coupling coefficients

We substitute (4.5) and (4.6) again into (4.3) and now collect terms in η2:  (2)

da 1 (1) (1 ) = i ω c11 ( z )a 1 + iω c 12 ( z )a 2 e iΔ kz dz   (2) da 2 (1) (1 ) = i ω c 22 ( z )a 2 + iω c 21 ( z )a 1 e − iΔ kz . dz

 

(4.19) 

Assigning  a1(1)  and  a2(1)  in  (4.19)  to  their  expressions  from  (4.17a)  and  (4.17b)  respectively, integrating to  z =  L, and employing the limited domain of the perturbation  (0 ≤ z ≤ L) yields 

4.7   Appendix – Key  Derivations   

a2

(2)

(L) = a2

(2)

73 L

( 0 ) + iω a 2 ( 0 ) ∫ c 22 ( z ′ )d z ′ (1)

0

 

− ω 2 a1

∞ z ′′

∫ ∫ c (z ′′)c (z ′)exp (− iΔ kz ′)d z ′d z ′′

( in )

22

 

21

(4.20) 

−∞ 0

− ω 2 a1

∞ z ′′

( in )

∫ ∫ c (z ′′)c (z ′ )exp (− iΔ kz ′′)d z ′d z ′′ . 21

11

−∞ 0

Equation  (4.20)  can  be  brought  into  the  Fourier  domain  using  the  inverse  Fourier  relations 

c μν

1 2π

(z ′ ) exp (− iΔ kz ′ ) =

 

1 2π

c μν ( z ′′ ) =



~ ∫ exp (ik z ′)C μν (Δ k + k )dk 3

3

3

−∞ ∞

∫ exp (ik

4

 

(4.21) 

~ z ′′ )C μν (k 4 )dk 4 .

−∞

Expanding (4.20) using (4.21) and reordering the integration yields 

a2

(2)

(L) = a2

(2)

~ (1) ( 0 ) + iω a 2 ( 0 )C 22 (0 )

~ ~ ~ ~ ∫ ∫ [C (k )C (Δ k + k ) + C (Δ k + k )C (k )]

∞ ∞

 



22

4

21

3

21

4

11

3

 

(4.22) 

−∞ −∞



ω 2 a1 ( in ) 2π





−∞

z ′′

exp (ik 4 z ′′ )∫ exp (ik 3 z ′ )d z ′d z ′′dk 3 dk 4 . 0

Equation (4.22) can be further simplified by noting that 

 

z ′′



0

−∞

ikz ∫ e dz =

e ikz ∫ [H (z ) − H (z − z ′′)]e dz = ∞

 

∫e

ikz

ik z ′′

ik

−1

 

dz = 2πδ (k ) .  

(4.23a) 

(4.23b) 

−∞

Here,  H(z)  is  the  Heaviside  step  function,  and  δ(k)  is  the  Dirac  delta  function.  Substituting (4.23a) into (4.22) and integrating using (4.23b) produces 

74   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION

a2

(2)

(L) = a 2

(2)

( 0 ) + iω a 2

(1)

~ ( 0 )C 22 (0 )

~ ~ ~ ~ ∫ ∫ [C (k )C (Δ k + k ) + C (Δ k + k )C (k )]

∞ ∞

 



22

4

21

3

21

4

11

 

3

(4.24) 

−∞−∞



ω 2 a 1 ( in ) ik 3

[δ (k 4

+ k 3 ) − δ (k 4 )]dk 3 dk 4 .

Applying  the  Dirac  delta  function’s  sifting  property  reduces  the  equation  to  single‐ variable integrals: 

a2

(2)

(L) = a 2 ∞

 





(2)





[C

22

(k 3 ) − C~ 22 (0 )]C~ 21 (Δ k − k 3 )dk 3

[C

21

(Δ k − k 3 ) − C~ 21 (Δ k )]C~11 (k 3 )dk 3 .

ω 2 a1 ( in ) ~ ik 3

−∞

+

~ (1) ( 0 ) + iω a 2 ( 0 )C 22 (0 )

ω 2 a1 ( in ) ~ ik 3

−∞

 

(4.25) 

When the two‐mode system is co‐propagating we can set a2(1)(0) = a2(2)(0) = 0 and write  the device’s second‐order cross‐port transmission coefficient t21(2) as 

t 21  

(2)

≡ t 21

(1)

= t 21

(1)

+

η 2 a 2 (2) ( L) a1

(0)

(0)

i ~ ~ ~ ∫ k [Κ (k ) − Κ (0 )]Κ (Δ k − k )dk



+

22

−∞

3

22

21

3

 

3

(4.10) 

3

i ~ ~ ~ ∫ k [Κ (Δ k − k ) − Κ (Δ k )]Κ (k )dk





21

−∞

3

21

11

3

3

.

3

If  instead  the  modes  are  counter‐propagating,  we  can  set  a2(1)(L)  =  0,  find  a2(1)(0)  using  (4.18a), and solve (4.24) for  a2(2)(0). This provides the second‐order cross‐port reflectance  coefficient r21(2): 

4.7   Appendix – Key  Derivations   

r21

 

4.7.3

(2)

≡ r21

(1)

+

75

η 2 a 2 ( 2 ) (0) a1

(0)

(0)

= − t 21

(2)

~ ~ − Κ 21 ( k 2 − k 1 ) Κ 22 ( 0 ) .  

(4.11) 

Baseband exclusion width

The  minimum  width  of  the  low‐frequency  noise‐free  region  required  to  attain  certain  fidelity  in  grating  spectrum  can  be  estimated  by  considering  the  second‐order  correction. If this correction remains below some bound so should the aberration caused  by the baseband region.  Suppose  that  K1  is  the  highest  amplitude  found  amongst  spatial‐frequency  ~ }1 band of interest and that q is the fraction of this amplitude that  components in the { Κ 21

defines  the  maximum  allowed  aberration.  The  fraction  q  =  0.01,  for  example,  corresponds roughly to ‐40dB fidelity. According to (4.10), the magnitude of the second‐ order correction should not exceed the bound set by q if 

dk ~ ~ ~ ∫ [Κ (k ) + Κ (k ) − Κ (0 ) ] k



 

11

3

22

3

3

22

3

0



1 q  2

(4.26) 

Let  κ11h  and  κ11l  be  mode  1’s  self‐coupling  coefficients  for  high  and  low  bits,  respectively, and let  κ22h and  κ22l be the corresponding coefficients for mode 2. Assume  further  that  these  are  computed  at  the  frequency  ω  where  the  coupling‐coefficient  modulations Δκ11 = |κ11h ‐ κ11l| and Δκ22 = |κ11h ‐ κ11l| are greatest. According to Parseval’s  theorem  [12],  a  structure  with  bounded  modulation  energy  in  the  spatial  domain  has  bounded  modulation  energy  in  the  frequency  domain  as  well.  A  limit  on  the  required  baseband  exclusion  width  kb  can  be  obtained  by  assuming  that  all  the  available  modulation energy lies in a single spectral peak at the spatial frequency  kb, where it has  a powerful impact. For a grating of length L, this peak must have a width of at least 2/L.  Substituting into (4.26) yields 

 

kb ≥

2π (Δ κ 11 + Δ κ 22 ) .  q

(4.27) 

76   

CHA PTER 4.   BSG SYNTHESIS & KEY INFORMATION The limit in (4.27) is typically too strict. A different approximation can be derived by 

assuming  that  the  available  modulation  energy  is  distributed  evenly  in  the  discrete‐ frequency domain. Specifically, the modulation is assumed to lie between the baseband  and the Nyquist rate  π/lb, where  lb is the bit length. However, since it is likely employs  uncorrelated (incoherent) phase, the integration in (4.26) must be done in a root‐mean‐ square sense and on the FFT frequency grid:  L lb



⎢ Lk ⎥ j=⎢ b ⎥ ⎣ 2 πl b ⎦

lb L k3

2

(Δκ

2 11

)

+ Δ κ 11 Δ k 3 = 2

2

(

L 2 lb

lb L 2 2 Δ κ 11 + Δ κ 11 2 ⎢ Lk b ⎥ j



)

j=⎢ ⎥ ⎣ 2π ⎦

 

(

)



2l ⎞ 2 2 ⎛ 2π l b L Δ κ 11 + Δ κ 11 ⎜⎜ − b ⎟⎟ L ⎠ ⎝ Lk b



2πl b 2 2 Δ κ 11 + Δ κ 11 kb

(

)

 

(4.28) 

≤ q.

This corresponds to the limit 

kb ≥

 

(

)

2πl b 2 2 Δ κ 11 + Δ κ 11 .  2 q

(4.29) 

  This limit tends to be too strict as well. In practice, baseband exclusion widths are best  set using an iterative process. Alternatively, the designer may simply select a width of  around 1% of the discrete‐frequency scale, which is typically ample. 

4.8

Bibliography

[1]

D. Levner, M. F. Fay, and J. M. Xu, ʺProgrammable spectral design using a simple  binary Bragg‐diffractive structure,ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 42, pp. 410‐417,  Apr. 2006. 

[2]

K. A. Winick and J. E. Roman, ʺDesign of corrugated waveguide filters by Fourier‐ transform techniques,ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 26, pp. 1918‐1929, Nov. 1990. 

4.8   Bibliography   

77

[3]

P.  Petropoulos,  M.  Ibsen,  A.  D.  Ellis,  and  D.  J.  Richardson,  ʺRectangular  pulse  generation based on pulse reshaping using a superstructured fiber Bragg grating,ʺ  J. Lightwave Techol., vol. 19, pp. 746‐752, May 2001. 

[4]

E.  Peral,  J.  Capmany,  and  J.  Marti,  ʺIterative  solution  to  the  GelFand‐Levitan‐ Marchenko coupled equations and application to synthesis of fiber gratings,ʺ IEEE  J. Quantum Electron., vol. 32, pp. 2078‐2084, Dec. 1996. 

[5]

R. Feced, M. N. Zervas, and M. A. Muriel, ʺEfficient inverse scattering algorithm for  the design of nonuniform fiber Bragg gratings,ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 35,  pp. 1105‐1115, Aug. 1999. 

[6]

B.  E.  A.  Saleh  and  M. C.  Teich,  Fundamentals  of  Photonics.  New  York:  Wiley,  1991,  pp. 150. 

[7]

N.  Nishihara,  M.  Haruna,  and  T.  Suhara,  Optical  Integrated  Circuits.  New  York:  Macmillan, 1989, pp. 47‐95. 

[8]

I.  A.  Avrutsky,  M.  F.  Fay,  and  J.  M.  Xu,  “Multiwavelength  diffraction  and  apodization using binary superimposed gratings,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol.  10, pp. 839‐841, June 1998. 

[9]

S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. C. Temes, Delta‐Sigma data converters: theory,  design, and simulation. New York: Wiley, 1997, pp. 46‐53. 

[10] D. A. Johns and K. Martin, Analog integrated circuit design. New York: Wiley, 1997,  pp. 531‐573.  [11] T.  Ueno,  A.  Yasuda,  T.  Yamaji,  and  T.  Itakura,  “A  fourth‐order  bandpass  Delta‐ Sigma  modulator  using  second‐order  bandpass  noise‐shaping  dynamic  element  matching,” IEEE J. Solid‐State Circuits, vol. 37, pp. 809‐816, July 2002.  [12] J. D. Gaskill, Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics. New York: Wiley, 1978,  pp. 179‐217.       

 

Chapter 5 Analog Grating Synthesis Whether  they  are  used  as  part  of  the  two‐step  method  or  as  inspiration  for  one‐step  synthesis approaches, algorithms for the design of “analog” gratings, in which refractive  index  values  are  unconstrained,  are  important  to  consider.  Such  algorithms  stem  from  several  fundamentally  different  theoretical  footings,  with  each  family  sporting  unique  advantages  in  respective  domains  of  application.  Despite  the  subject’s  age,  analog  synthesis  remains  an  area  of  ongoing  research,  as  several  of  these  domains  still  pose  considerable challenges. 

5.1

Modes of Grating-Assisted Coupling

The  nature  and  difficulty  of  the  synthesis  problem  can  depend  considerably  on  the  grating‘s  configuration  in  the  device.  In  waveguide‐based  systems,  this  configuration  may  involve  three  possible  modes  of  operation:  co‐planar,  co‐directional  or  counter‐ directional coupling. These modes are compared in the following sections. 

79

80   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

5.1.1

Co-linear couplers

Co‐linear  coupling  is  defined  as  the  transfer  of  light  between  optical  modes  that  propagate in the same or opposite directions. Consequently, it is further divided into co‐ directional  and  counter‐directional  modalities.  It  occurs  most  commonly  in  devices  based on one‐dimensional (wire‐like) waveguides and corresponds to coupling between  the multiple modes of the same waveguide or modes of different waveguides. Counter‐ directional  coupling,  wherein  the  coupled  modes  propagate  in  opposite  directions,  includes  reflective  devices  such  as  the  fiber  Bragg  grating  (see  Section  3.3).  It  also  includes  cross‐waveguide  devices  such  as  that  in  Figure  5.1a.  Co‐directional  coupling,  may also rely on mode diversity within a single guide  [1] or on the modes of separate  waveguides  [2], as depicted in Figure  5.1b. It is important to note that a device used in  transmission  is  not  necessarily  co‐directional,  as  its  spectral  effect  may  nevertheless  result from coupling between counter‐propagating modes. 

a)

b)

  Figure 5.1:  a) cross‐waveguide counter‐directional coupling, b) cross‐waveguide  co‐directional coupling. 

Coupling  in  the  co‐  and  counter‐directional  modalities  is  intuitively  similar,  as  in  both  cases  it  requires  a  grating  periodicity  that  provides  phase  matching  between  the  two  coupled  modes.  With  such  phase  matching,  light  in  the  first  mode  is  transferred  gradually  with  each  grating  feature  to  the  second  mode  in  such  a  way  that  the  individual  couplings  add  up  in  phase.  Phase  matching  in  a  reflective  (counter‐ directional) context is illustrated in Figure 5.2. 

5.1   Modes of Grating‐Assisted Coupling   

81

/k1

Forward wave (k1)

Backward wave

Grating (k1 + k2)

  Figure 5.2:  Phase  matching  provided  by  a  grating  in  a  reflective  (counter‐ directional)  context.  A  grating  feature  is  present  wherever  the  forward‐  and  backward‐propagating waves align. 

Phase  matching  can  be  expressed  mathematically  in  terms  of  the  modes’  spatial  frequencies (wavevectors) 

ki =

 

2πni

λi



(5.1) 

where  ni  and  λi  are  the  modal  index  and  free‐space  wavelength  of  the  ith  mode,  respectively.  The  spatial‐frequency  kG  of  the  grating  that  provides  the  phase  matching  required for coupling can be written simply as [3] 

k G = k 2 − k1 ≡ Δk . 

 

(5.2) 

Equation  (5.2)  is  known  as  the  Bragg condition  and  facilitates  the  simple  graphical  interpretation in terms of Feynman diagrams illustrated in Figure 5.3.  Figure  5.3  further  illustrates  the  origin  of  wavelength  selectivity  in  grating‐assisted  coupling:  as  the  input  wavelength  varies,  so  does  the  spatial‐frequency  difference  Δk.  The grating frequency kG, in turn, does not scale with incident wavelength and hence no  longer provides phase matching. 

82   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

b) kG -k1(λ1)

a)

0

k1(λ1)

kG 0

k1

c) kG -k1(λ2)

0

k1(λ2)

  Figure 5.3:  Sample  Feynman  diagrams  for  a)  co‐directional  coupling;   b)  successful  counter‐directional  (reflective)  coupling  for  input  wavelength  λ1;  and c) unsuccessful counter‐directional coupling for the detuned wavelength λ2. 

Despite  their  strong  similarities,  co‐  and  counter‐directional  couplers  are  fundamentally  different  in  their  behavior.  These  differences  greatly  influence  their  application and design. They are as follows:  1. Length  scale.  The  spatial‐frequencies  of  gratings  that  promote  co‐directional  coupling  tend  to  be  small  as  they  correspond  to  a  difference  between  two  similar  wavevectors.  Spatial‐frequencies  of  counter‐directional  coupler  gratings correspond, in contrast, to a difference between oppositely pointing  wavevectors and tend to be far larger. Consequently, the spatial length‐scales  and  hence  the  implementation  resolutions  required  for  counter‐directional  couplers are of the same order as the optical wavelength and typically smaller  than  250nm  in  telecom  applications.  Length  scales  for  co‐directional  coupler  gratings, in contrast, typically range between 5μm and 200μm.  2. Coupling strength. If  κ is a measure of a grating’s strength and  L a measure  of its length, coupled‐mode theory predicts that  R21(ω0), the fraction of power  coupled (reflected) at the center wavelength of a counter‐directional coupler is  given by [3] 

5.1   Modes of Grating‐Assisted Coupling   

83

R 21 (ω 0 ) = tanh (κL ) .  2

  

(5.3) 

In  contrast,  the  fraction  of  power  coupled  at  the  center  wavelength  of  a  co‐ directional coupler, T21(ω0), is given by 

T21 (ω 0 ) = sin (κL ) .  2

 

(5.4) 

This  marks  qualitatively  different  behavior:  a  counter‐directional  grating  intended for near‐100% coupling but made too strong, for example, becomes  only more reflective; a co‐directional grating designed for the same purpose,  in  contrast,  produces  less  coupling  as  power  “sloshes”  back  into  the  input  guide. This behavior is illustrated in Figure 5.4. 

a)

b)

100

Coupled power (%)

Coupled power (%)

100 80 60 40 20 0 0

1

2

3

Grating strength (κL)

4

5

80 60 40 20 0 0

1

2

3

4

5

Grating strength (κL)

6

7

 

Figure 5.4:  Fraction  of  power  coupled  vs.  grating  strength  for  a)  counter‐ directional  coupling,  and  b)  co‐directional  coupling.  Counter‐directional  coupling  exhibits  a  saturation‐like  behavior,  whereas  co‐directional  coupling  is  characterized by “power sloshing” between the two modes. 

3. Spectral  width.  Figure  5.5  illustrates  the  behavior  of  co‐  and  counter‐ directional  couplers  as  the  grating  strength  κ  is  increased.  The  spectral  response  of  counter‐directional  couplers  becomes  wider  and  flatter  as  saturation  is  approached.  In  contrast,  the  spectral  response  of  co‐directional  couplers  designed  for  wide  and  flat  stop‐bands  becomes  narrower  and  rounder  with  increasing  grating  strength.  This  is  a  significant  difference  as  stop‐band flatness is important in many applications. 

84   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

a)

Power reflectance

1

κL = κL = κL = κL =

0.8 0.6

1 2 3 4

0.4 0.2 0 1530

1535

1540

1545

1550

1555

1560

1565

1570

Wavelength (nm)

b) Power fraction coupled

1

κL = 0.4*π/2 κL = 0.6*π/2 κL = 0.8*π/2 κL = 1*π/2

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1535

1540

1545

1550

1555

1560

1565

Wavelength (nm)

 

Figure 5.5:  The  evolution  of  stop‐band  shape  with  grating  strength.  a)  A  narrowband  counter‐directional  coupler  becomes  wider  and  flatter  as  κ  is  increased  towards  saturation.  b)  A  co‐directional  coupler  designed  for  a  wide  and flat stop‐band becomes narrower and less flat as κ is increased. 

5.1.2

Co-planar couplers

In some devices, light is not constrained to wire‐like one‐dimensional gratings but rather  to  a  planar  slab‐waveguide.  In  such  situations,  grating‐assisted  coupling  can  occur 

5.1   Modes of Grating‐Assisted Coupling   

85

between any modes that propagate in the guide’s plane. This configuration is known as  co‐planar coupling.  The basic physics of co‐planar and co‐linear coupling is the same in that the grating  enacts phase‐matching between input and output modes. This matching corresponds to  the  same  Bragg  condition  as  in  (5.2),  except  that  the  spatial‐frequencies  involved  are  now  vectors  lying  in  the  plane.  Typically,  co‐planar  coupling  occurs  between  similar  modes  that  propagate  in  different  directions  within  the  same  guide,  implying  that  the  wavevectors k1 and k2 lie on a circle. Such a case is illustrated in Figure 5.6. 

k2 kG

k1 0

  Figure 5.6:  Feynman  diagram  for  co‐planar  coupling  between  two  modes  that  propagate in different directions within the same planar waveguide. 

The principal difference between the physics of co‐planar and co‐linear coupling is as  follows:  the  co‐linear  configuration  deals  with  coupling  between  a  discrete  number  of  optical  modes  (two  modes  in  a  simple  reflective  device,  for  example).  Consequently,  a  small variation in the grating wavevector  kG or the presence of a spectral width in that  component does not result in unwanted coupling, as it does not correspond to coupling  to a valid end‐mode. In contrast, co‐planar coupling deals with a continuum of modes  (described  by  the  whole  circle  of  points  in  Figure  5.6,  for  example),  so  a  grating  that  corresponds  to  an  end‐mode  that  is  slightly  different  than  k2  can  nevertheless  cause  sustainable coupling. This difference plays an important role in the design of co‐planar 

86   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

grating couplers intended for multi‐wavelength operation. For example, in the case of a  reconfigurable planar mirror array, which can be viewed as belonging to this category,  the  continuum  of  optical  modes  imposes  a  maximum‐efficiency  limit  on  any  multi‐ wavelength design [4].  A notable special case of co‐planar operation occurs where there is a single input and  a  single  output  as  illustrated  in  Figure  5.7.  In  this  scenario,  the  use  of  curved  grating  lines  that  provide  lensing  allows  the  two‐dimensional  problem  to  be  mapped  onto  an  equivalent  one‐dimensional  design.  The  general  co‐planar  grating  design  problem  is  beyond the present context. 

Grating

Output guide

Input guide

  Figure 5.7:  The special case of a one‐input one‐output co‐planar grating‐assisted  coupler,  which  can  be  mapped  onto  an  equivalent  one‐dimensional  grating  design by use of elliptical grating lines. 

5.2

Inverse Scattering Theory

Inverse  scattering  theory  is  the  rigorous  mathematical  study  of  the  inverse  problem  of  quantum  mechanical  scattering.  It  was  originally  motivated  by  the  need  to  determine  the  properties  of  a  scattering  body  such  as  an  atomic  nucleus  or  other  sub‐atomic  particle from its diffractive spectrum. However, due to the strong relation between the  physics of quantum mechanical particles traversing energy landscapes and light‐waves  propagating  through  varying  refractive‐index  media,  many  of  the  theory’s  results  are  directly applicable to optics. 

5.3   Iterative Fourier  Methods   

87

In  addition  to  providing  specific  methods  for  solving  the  inverse  problem,  inverse  scattering  theory  offers  several  mathematical  conditions  for  the  solution  to  exist  [5].  Fortunately,  these  are  always  satisfied  in  realistic  optical  structures.  It  is  the  converse  that is troublesome: for a unique inverse to exist, the provided information must include  diffractive data for the entire electromagnetic spectrum as well as details on any “bound  states”  that  may  exist.  Even  if  bound  states  are  assumed  not  to  exist,  specifying  the  diffractive  spectrum  over  the  entire  optical  range  invariably  requires  extrapolation.  While such extrapolation is possible, it can be done in a multitude of ways; the methods  of inverse scattering theory are sensitive to the specific choice but unfortunately provide  no  guidance  in  making  it.  Consequently,  inverse  scattering  theory  is  said  to  be  under‐ determined for optical element design. This result is general and plagues other grating  synthesis algorithms as well.   The  multiplicity  of  solutions  to  any  given  synthesis  problem  is  not  always  a  hindrance,  as  the  remaining  degrees  of  freedom  can  be  used  to  optimize  other  system  parameters.  For  example,  a  desired  grating  may  be  defined  uniquely  as  one  which  attains  the  spectral  specifications  while  utilizing  the  smallest  refractive‐index  modulation. In general, such criteria are difficult to incorporate in synthesis algorithms,  but notable exceptions exist. 

5.3

Iterative Fourier Methods

The Fourier approximation of Section  4.2 is a powerful construct; beyond describing the  impact  of  structure  on  spectrum,  it  is  easily  invertible  and  permits  the  spectrum  to  be  related to its generating structure. The inverse relation, which corresponds to the inverse  Fourier transform, provides a basis for a family of grating synthesis algorithms.  Gratings  with  up  to  50%  coupling  strength  can  be  synthesized  directly  with  decent  fidelity  using  the  inverse‐Fourier  approach  [6],  even  though  the  approach  is  approximate. Accordingly, the counter‐directional grating profile κ21(z) produced by this  method is given by 

88   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

κ 21 (z ) =

 



i r21 (Δk )e izΔk dΔk .  2π −∫∞

(5.5) 

The corresponding expression for co‐directional coupling is similarly  ∞

i κ 21 ( z ) = − t 21 (Δk )e izΔk dΔk .  ∫ 2π −∞

 

(5.6) 

These  expressions  rely  on  the  coupling  spectra  mapped  onto  the  wavevector  space  according to 

r21 (Δk ) ≡ r21 (ω ) for Δk = k 2 (ω ) − k1 (ω ) .  t 21 (Δk ) ≡ t 21 (ω )

 

(5.7) 

Profiles intended for more than 50% coupling can be augmented using higher‐order  corrections  to  the  inverse  approximation.  This,  however,  is  a  complicated  and  tedious  process. Instead, the profile’s aberrations can be corrected using an iterative process:  1. Generate  a  grating  profile  κ21(z)  based  on  the  inverse‐approximation  in  (5.5)   or (5.6).  2. Simulate the spectral response r21(ω) or t21(ω) obtained by κ21(z).  3. Determine the spectral error e21(ω) between the computed and desired spectra;  terminate if the match is sufficiently good.  4. Compute  a  correction  κ21’(z),  which  corresponds  to  the  error  e21(ω)  transformed through (5.5) or (5.6) as though computing a new grating profile  to match the spectral response error.  5. Augment  the  grating  profile  with  the  correction,  κ21(z)  =  κ21(z)  +  κ21’(z),  and  return to step 2. 

5.3   Iterative Fourier  Methods   

89

When employing the inverse‐Fourier approximation without iteration, it is helpful to  apply  a  scaling  that  accounts  for  the  saturation  behavior  of  (5.3)  and  (5.4)  –  that  is,  operate in terms of the scaled quantities 

r21′ = tanh −1 ( r21 ) ∠r21′ = ∠r21

 

′ = sin −1 ( t 21 ) t 21 .  ′ = ∠t 21 ∠t 21

(5.8) 

However,  when  employing  iteration  it  is  better  to  proceed  without  this  scaling,  as  the  more  gradual  convergence  resulting  from  allowing  the  feedback  to  account  for  the  saturation  behavior  leads  to  more reliable  operation.  Such  gradual  convergence  can  be  enforced directly by scaling down each step’s correction by some factor so that only part  of the spectral error is compensated for.  Unfortunately, as Figure  5.8 illustrates, iterative Fourier methods prove incapable of  synthesizing  structures  that  produce  near  100%  power  coupling,  as  the  Fourier  approximation  fails  to  provide  suitable  corrections  in  that  regime.  This  failure  is  problematic  in  practice,  as  many  desirable  devices  fall  this  in  this  category,  and  motivates the examination of other approaches. 

Coupled power fraction

1

As synthesized Specifications

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1502

1504

1506

1508

1510

1512

Wavelength (nm)

1514

1516

1518

 

Figure 5.8:  A  co‐directional  grating‐assisted  coupler  synthesized  for  flat‐top  band‐pass  filter  characteristics  using  the  iterative  Fourier  method.  The  synthesized grating presents a poor match to the specifications in both pass‐band  suppression and stop‐band ripple. 

90   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

5.4

Impulse Response Methods

Linear  system  theory  states  that  a  spectral  response  specified  in  terms  of  frequency  or  wavelength  can  be  transformed  into  a  corresponding  impulse  response  in  the  time  domain  [7]. Posing the grating synthesis problem in terms of desired impulse response,  in turn, facilitates a range of methods with fundamentally different properties than those  based on the Fourier approach. These methods are typically not iterative and rely on a  “layer peeling” approach enabled by the principle of causality. 

5.4.1

Causality in counter-directional gratings

The  principle  of  causality  can  be  appreciated  most  clearly  in  the  case  of  a  reflective  grating: since light propagates at a finite speed, the grating’s impulse response at time  

t  =  τ  must  be  determined  entirely  by  the  refractive  index  values  in  the  first  τ . c/nmin  of  grating length, where  c is the speed of light in vacuum and  nmin is the lowest refractive  index in that region. More specifically, the grating’s impulse response at the first instant  of  incidence,  t  =  0,  must  be  determined  entirely  by  the  grating’s  first  refractive  index  value  (at  z  =  0)  because  the  light  could  not  have  experienced  any  other  part  of  the  structure. This is the basis of the layer peeling method, which applies to the synthesis of  structures that have been discretized along the grating length (making them analogous  to thin‐film filters). A version of this method inspired by the method in [8] is as follows:  1. Determine the  t = 0 value of the desired impulse response  I(t) by extracting it  from the frequency‐domain specifications r21(ω) according to  ∞

  

I (0 ) = ∫ r21 (ω )d ω . 

(5.9) 

−∞

2. I(0) corresponds to the first layer’s reflectivity  r(0), which in turn determines  the first layer’s refractive index value n(0): 

5.4   Impulse Response  Methods   

91

r (0 ) = I (0 )  

1 + r (0 ) n (0 ) = − ⋅ n (− 1) . 1 − r (0 )

 

(5.10) 

n(‐1) indicates the index of the preceding layer.  3. With  n(0) known, find the transfer matrices  S(ωi) at the frequencies  ωi for the  first interface and first‐layer propagation length, as given in Section 2.3.2.  4. Compute  the  reflectance  spectrum  r’21(ω)  that  the  structure  without  its  first  layer would have to produce in order to meet the desired specifications: 

⎡ a (ω i )⎤ ⎡ 1 ⎤ ⎢ b (ω )⎥ = S (ω i )⎢ r (0 )⎥ i ⎦ ⎣ ⎦ .  ⎣ b (ω i ) r21′ (ω i ) = a (ω i )

 

(5.11) 

5. Replace  r21(ω)  with  r’21(ω)  and  return  to  step  1,  truncating  the  first  (now‐ determined) layer and pretending that n(1) is now n(0).  A  potentially  faster  variant  of  this  method  is  possible  if  one  approximates  the  per‐ layer propagation time to be equal. This is true in the limit of small index modulation,  and allows the grating to be simulated directly in terms of impulse response (forward‐  and  backward‐propagating  delta‐function  pulse  trains).  In  this  domain,  the  counter‐ directional grating synthesis problem becomes identical to the infinite‐impulse response  (IIR)  lattice  filter  design  problem  from  electronic  signal  processing  [9],  [10].  Staying  entirely in the time domain avoids the many frequency‐domain calculations in the above  method. 

5.4.2

Causality in co-directional gratings

The causality notion behind the method in section  5.4.1 does not apply to the synthesis  of co‐directional grating‐assisted couplers since there light must propagate through the  entire grating length before any portion of the output is determined. Nevertheless,  [11] 

92   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

describes  an  algorithm  for  mapping  a  co‐directional  synthesis  problem  onto  an  equivalent  counter‐directional  problem  to  which  methods  such  as  the  previous  can  be  applied. This transformation relies on the quantity Heq(ω), which is defined as 

H eq (0 ) =

 

t 21 (ω ) ,  t11 (ω )

(5.12) 

where  t21(ω) and  t11(ω) are the grating’s cross‐waveguide and same‐waveguide transfer  functions, respectively.   Since 100% power transfer requires that t11(ω) = 0, the full‐coupling condition leads to  a singularity in  Heq(ω) and consequently to problems with this approach. An alternative  method free of this concern is presented here. It builds on a modified notion of causality  appropriate to co‐directional coupling. To illustrate this notion, we assume without loss  of generality that  n1, the index of mode 1, is smaller than that of mode 2,  n2. Under such  conditions, an impulse launched into the input of mode 1 can reach the grating output  no faster than t0 = L . c/n1, where L is the grating’s length and c is again the speed of light  in  vacuum.  Moreover,  for  light  to  arrive  at  the  output  at  this  first  possible  instant,  it  must travel entirely in mode 1 or else be delayed. Consequently, the impulse response at  the output of mode 2 at time t0 can be determined only by the modal coupling at z = L.  This co‐directional causality principle can be appreciated more easily using the model  illustrated in Figure  5.9, where the grating is divided into a discrete sequence of layers.  Each grating layer supports a fast path (mode 1), a slow path (mode 2), and some degree  of  coupling  between  them.  Furthermore,  the  model  is  “relativistic”  as  only  the  differential delay between the two modes,  Δτ, is considered. This way, the earliest that  an  input  impulse  can  arrive  at  the  output  is  at  t  =  0,  which  simplifies  computation  especially when the local variation of modal index with grating strength is considered. 

5.4   Impulse Response  Methods    κ(z0)

93

κ(z1)

… …

Mode 1 Mode 2

Δτ

Δτ

κ(zN-1)

Δτ

κ(zN)

Δτ

 

Figure 5.9:  A  discrete  and  “relativistic”  model  of  co‐directional  coupling  as  presented  in  [11].  This  model  can  be  seen  as  an  implementation  of  a  finite‐ impulse‐response  (FIR)  lattice  filter  from  the  realm  of  digital  signal  processing  (DSP). 

With  the  modified  notion  of  causality  and  the  relativistic  model  in  hand,  the  singularity‐free  layer‐peeling  co‐directional  synthesis  algorithm  proceeds  similarly  to  the counter‐directional algorithm of Section 5.4.1 as follows:  1. Determine the  t = 0 value of the desired same‐mode and cross‐mode impulse  responses  I11(t)  and  I21(t)  by  extracting  them  from  the  frequency‐domain  specifications t11(ω) and t21(ω) according to  ∞

I 11 (0 ) = ∫ t11 (ω )d ω −∞

  





(5.13) 

I 21 (0 ) = ∫ t 21 (ω )d ω −∞

2. In  accordance  with  the  causality  principle,  the  ratio  of  I21(t)  to  I11(t)  corresponds to the last layer’s coupling coefficient κ(zN): 

κ ( z N ) = tan −1

 

I 21 (0 ) .  I 11 (0 )

(5.14) 

3. With κ(zN) known, find the transfer matrices S(ωi) at the frequencies  ωi for the  last coupling and last‐layer propagation length, as given in Section 2.3.1 (keep  in mind to that mode 1 should produce no delay in this relativistic model).  4. Compute  the  transmission  spectrum  t’11(ω)  and  t’21(ω)  that  the  structure  without  its  last  layer  would  have  to  produce  in  order  to  meet  the  desired  specifications: 

94   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

⎡ t11′ (ω i )⎤ ⎡ t11 (ω i )⎤ −1 ⎢t ′ (ω )⎥ = S (ω i )⎢t (ω )⎥ .  ⎣ 21 i ⎦ ⎣ 21 i ⎦

 

(5.15) 

5. Replace  t11(ω)  and  t21(ω)  with  t’11(ω)  and  t’21(ω),  and  return  to  step  1,  truncating the last (now‐determined) layer.  Again, a potentially faster variant of this method is possible if one approximates the  per‐layer  propagation  time  to  be  equal.  This  is  true  in  the  limit  of  small  index  modulation,  and  allows  the  grating  to  be  simulated  directly  in  terms  of  impulse  response  (forward‐  and  backward‐propagating  delta‐function  pulse  trains).  In  this  domain,  the  co‐directional  grating  synthesis  problem  becomes  identical  to  the  finite‐ impulse response (FIR) lattice filter design problem from electronic signal processing [9],  [10].  Typically, the same‐mode transmission spectrum  t11(ω) is not specified explicitly. For  lossless  gratings,  its  amplitude  can  be  determined  from  power‐conservation  considerations:   

t11 (ω i ) = 1 − t 21 (ω i ) .  2

2

(5.16) 

Its  phase,  however,  is  indeterminate.  Nevertheless,  if  one  demands  that  the  grating  provide “minimum phase” functionality, which corresponds roughly to the solution that  attains the desired spectrum with minimum coupling strength, the missing phase can be  derived by means of the Hilbert transform H{F} [12]:   

∠ t11 (ω ) = − H {ln t11 (ω ) }. 

(5.17) 

Equation (5.17) is equivalent to the familiar Kramers‐Kronig relations [13].  Figure  5.10  illustrates  a  co‐directional  flat‐top  band‐pass  filter  that  couples  around  99% of input power. The filter was synthesized using the impulse response method and  demonstrates  a  remarkable  match  to  the  specifications.  The  algorithm  has  a  computational  order  of  O(N2)  and  stands  as  the  most  efficient  method  known  to  date  that is capable of producing such a result. 

5.5   Special Concerns   

95

Coupled power fraction

1

As synthesized Specifications

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1502

1504

1506

1508

1510

1512

Wavelength (nm)

1514

1516

1518

 

Figure 5.10:  A  co‐directional  grating‐assisted  coupler  synthesized  for  the  same  flat‐top band‐pass filter characteristics illustrated in Figure  5.8 using the impulse  response  method.  The  match  between  the  specification  and  the  synthesized  result  is  better  than  ‐120dB!  This  illustrates  the  power  of  the  method  presented  here, which can handle near‐100% power coupling with ease. 

5.5 5.5.1

Special Concerns Infinite impulse response (IIR) gratings

The  impulse  response  of  co‐directional  grating  couplers  is  always  of  a  finite  and  pre‐ determined  length,  classifying  them  as  finite‐impulse‐response  (FIR)  systems.  Appropriately,  these  couplers  lend  themselves  well  to  synthesis  through  the  impulse  response  method,  in  which  a  desired  finite‐length  impulse  response  is  specified.  Counter‐directional grating couplers, on the other hand, are characterized by an impulse  response with a decaying tail but no clear end‐point, marking them as infinite‐impulse‐ response  (IIR)  systems.  This  can  present  a  problem  when  employing  the  FIR‐based  impulse response method for their synthesis.  In  particular,  when  a  counter‐directional  grating  is  synthesized  using  an  N‐sample  long  finite‐length  impulse  response  as  a  specification,  the  algorithm  ensures  that  the  device’s  first  N  samples  of  impulse  response  are  as  desired.  However,  the  grating’s  impulse  response  does  not  end  after  these  first  samples,  and  continues  in  some 

96   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

indeterminate  fashion.  This  latter  “residual”  section  of  the  impulse  response  may  translate to undesirable spectral characteristics.  There are three techniques for managing this problem:  1. Zero‐pad  the  impulse  response.  Adding  zeros  to  the  end  of  the  impulse  response  specification  forces  the  algorithm  to  terminate  the  infinite  impulse  response  together  with  the  FIR  specification.  The  more  zeros  added,  the  weaker the impulse response residue but the longer the grating.  2. Synthesize  a  longer  grating.  In  general,  increasing  the  length  of  a  grating  while  keeping  the  resolution  of  the  spectral  features  fixed  allows  one  to  improve pass‐band suppression and reduce stop‐band ripple. In the temporal  domain,  this  corresponds  to  extending  the  tail  of  the  impulse  response  and  permitting it to attenuate before it cuts off at the grating’s end. It is the sudden  termination  of  the  impulse  response  that  gives  rise  to  these  aforementioned  aberrations. The sharpness of the termination also correlates with the amount  of  residual  impulse  response  produced  by  the  IIR  grating.  Extending  the  grating  can  reduce  this  residue.  This  approach  can  be  more  attractive  than  zero  padding,  as  it  utilizes  the  increased  grating  length  to  improve  spectral  performance as well.  3. Approximate  with  a  rational  transfer  function.  The  residue  problem  stems  from trying to emulate an FIR transfer function with an IIR system. Instead of  doing  so,  one  can  generate  specifications  that  correspond  to  an  intrinsically  IIR transfer function such as one obtained from the rational form:   

r12 =

a ( z − z1 )( z − z 2 ) (z − p1 )(z − p 2 )

(z − z m ) .  (z − p n )

(5.18) 

Synthesizing  a  counter‐directional  grating  to  match  the  impulse  response  of  such  a  rational  form  produces  a  smaller  residual.  Unfortunately,  fitting  a  rational form to typical spectral specifications usually involves compromise. 

5.5   Special Concerns   

5.5.2

97

Chromatic dispersion

High  index‐contrast  waveguide  systems  are  characterized  by  moderate  to  severe  wavelength  dependence  in  their  spectral  characteristics,  which  strongly  influences  grating  operation.  Gratings  synthesized  with  this  wavelength  dependence  neglected  perform poorly in its presence, especially when near‐100% power transfer is demanded.  Algorithms  capable  of  synthesizing  gratings  in  the  face  of  such  dispersion  are  not  yet  available  in  the  literature.  However,  the  problem  can  be  addressed  through  modifications to the methods of Section 5.4.  Dispersion shows itself in grating synthesis in two forms: as wavelength dependence  of the propagator matrices, implying that the phase velocities of the two modes and the  difference  between  them  are  not  constant;  and  in  the  dependence  of  the  coupling  matrices,  implying  that  the  overlap  integrals  of  the  modes  with  the  grating‐producing  perturbation vary with wavelength. Dispersion of the first kind is easy to account for in  both the co‐ and counter‐directional algorithms presented here as they do not impact the  causality  principles.  All  that  is  required  is  that  the  wavelength‐dependent  propagator  matrices be used instead of the fixed ones.  Dispersion  of  the  second  kind  is  more  difficult  to  account  for,  as  the  layer‐peeling  method  relies  on  knowing  the  impulse  response  of  the  coupling  matrix.  In  the  dispersion‐free case, these matrices are memoryless and so an impinging impulse in one  guide produces immediately a single impulse with known amplitude in the other guide.  In  the  wavelength‐dependent  case,  in  contrast,  the  coupling  matrix  has  its  own  dynamics and so an impinging impulse can cause an extended response in the other. For  the  causality  argument  to  work,  the  first  instant  of  this  extended  response  must  be  known.  However,  the  first‐instant  response  can  only  be  determined  conclusively  if  the  wavelength  dependence  over  the  entire  electromagnetic  spectrum  is  known.  This  is  almost never the case, as the coupling matrices are typically derived through simulation  over a limited range of wavelengths.  A promising approach to the solution of this problem is the “causal continuation” of  the  limited‐wavelength  data  to  the  remainder  of  the  spectrum  so  that  the  first‐instant 

98   

CHA PTER 5.   ANALOG  GRATING SYNT HESIS

response could be computed. Accordingly, the data must be extrapolated in such a way  that the corresponding impulse response remains causal, that is, it produces no output  before an input has been received. There are several possible paths to such continuation.  However, this is currently remains an open problem. 

5.6

Conclusions

Impulse‐response, inverse‐Fourier and inverse‐scattering theory based methods provide  three  distinct  approaches  to  the  analog  grating  synthesis  problem.  All  perform  well  in  the  design  of  weak  diffractive  structures,  but  each  performs  differently  in  the  various  extreme cases. These extreme cases correspond to near‐100% power‐transfer and to the  presence of chromatic dispersion.  The  impulse‐response  method  successfully  addresses  the  near‐100%  power‐transfer  in  the  counter‐directional  regime.  However,  it  is  the  adaptation  introduced  here  that  enables  it  to  address  the  analogous  situation  in  the  co‐directional  regime  as  well.  The  impulse‐response  method  also  provides  an  intuitive  mechanism  for  the  treatment  of  chromatic dispersion, although further development is required before it is sufficiently  capable in that regard. 

5.7

Bibliography

[1]

R.  C.  Alferness,  ʺEfficient  waveguide  electro‐optic  TE  to  or  from  TM  mode  converter/wavelength filter,ʺ Appl. Phys. Lett., vol. 36, pp. 513‐15, April 1980. 

[2]

R. C. Alferness, T. L. Koch, L. L. Buhl, F. Storz, F. Heismann, and M. J. R. Martyak,  ʺGrating‐assisted  InGaAsP/InP  vertical  codirectional  coupler  filter,ʺ  Appl.  Phys.  Lett., vol. 55, pp. 2011‐13, Nov. 1989. 

[3]

N.  Nishihara,  M.  Haruna,  and  T.  Suhara,  Optical  Integrated  Circuits.  New  York:  Macmillan, 1989, pp. 47‐95. 

[4]

R.  Belikov  and  O.  Solgaard,  ʺOptical  wavelength  filtering  by  diffraction  from  a  surface relief,ʺ Opt. Lett., vol. 28, pp. 447‐449, Mar. 2003. 

5.7   Bibliography   

99

[5]

Z.  S.  Agranovich  and  V.  A.  Marchenko,  The  Inverse  Problem  of  Scattering  Theory.  New York: Gordon & Breach, 1963. 

[6]

K. A. Winick and J. E. Roman, ʺDesign of corrugated waveguide filters by Fourier‐ transform techniques,ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 26, pp. 1918‐1929, Nov. 1990. 

[7]

J. D. Gaskill, Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics. New York: Wiley, 1978,  pp. 179‐217. 

[8]

R. Feced, M. N. Zervas, and M. A. Muriel, ʺEfficient inverse scattering algorithm for  the design of nonuniform fiber Bragg gratings,ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 35,  pp. 1105‐1115, Aug. 1999. 

[9]

A. H. Gray and J. D. Markel, ʺDigital lattice and ladder filter synthesis,ʺ IEEE Trans.  Audio Electroacoust., vol. AU‐21, pp. 491‐500, Dec. 1973. 

[10] L. Wanhammar, DSP Integrated Circuits. San Diego: Academic Press, 1999, pp. 115‐ 165.  [11] R. Feced and M. N. Zervas, ʺEfficient inverse scattering algorithm for the design of  grating‐assisted codirectional mode couplers,ʺ J. Opt. Soc. Am. A, vol. 17, pp. 1573‐ 1582, Sept. 2000.  [12] J.  F.  Claerbout,  Fundamentals  of  Geophysical  Data  Processing.  New  York:  McGraw‐ Hill, 1976, pp. 59‐62.  [13] B.  E.  A.  Saleh  and  M. C.  Teich,  Fundamentals  of  Photonics.  New  York:  Wiley,  1991,  pp. 179.     

 

Chapter 6 Delta-Sigma Modulation By its very concept, the Binary Supergrating employs only a small number of refractive  index values – a demand which most grating synthesis algorithms were not designed to  meet. BSG synthesis, as a result, must rely either on entirely new algorithms developed  with quantization in mind, or alternatively, on a two‐step process wherein the grating is  first  synthesized  with  no  regard  for  the  binary  constraint  and  then  suitably  quantized.  Such two‐step methods prove highly successful and support a mix‐and‐match flexibility  whereby  the  synthesis  and  quantization  algorithms  can  be  chosen  independently.  Several  suitable  non‐constrained  synthesis  algorithms  have  been  presented  in  the  previous chapter. This chapter describes corresponding quantization methods.

6.1

Threshold Quantization

The  BSG’s  predecessor,  the  Binary  Superimposed  Grating,  achieved  two‐level  form  through  a  process  of  threshold  quantization.  There,  rudimentary  analog  refractive  index  profiles  were  binarized  by  replacing  refractive‐index  values  above  a  certain  threshold  with  “1  bits”  and  values  below  that  threshold  with  “0  bits”  [1].  While  quite  effortless,  threshold quantization is unfortunately plagued by a high degree of spectral distortion, 

101

102   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

making  the  Binary  Superimposed  Grating  suitable  for  only  a  narrow  range  of  application.  This  distortion  can  be  viewed  as  an  expression  of  the  information  loss  inherent  to  the  quantization  process  or  alternatively  as  the  product  of  the  non‐linear  nature of the threshold operation. As Figure  6.1 illustrates, threshold quantization has a  severely deleterious effect on Fourier features found commonly in grating structures. 

Fourier coefficient

Quantization distortion, multi-peak spectrum

1 1000 0.5 500 0

0 0.9

Fourier coefficient

Quantization distortion, flat-top spectrum

1500

0.95

1

1.05

1500

1500

1000

1000

500

500

0

0.9

0.95

0.9

0.95

1

1.05

1

1.05

0 0.9

0.95

1

ω

1.05

ω

 

Figure 6.1:  Distortion of Fourier information typical of grating structures caused  by threshold quantization. 

The  notable  exception  where  threshold  quantization  has  proven  successful  is  in  the  context  of  “multi‐peak”  gratings,  which  are  often  used  to  provide  wavelength‐ dependent feedback for laser application. In that context, distorted peak heights can be  adjusted  by  iteratively  manipulating  the  phases  and  amplitudes  of  the  Bragg  components  of  the  input  analog  profile.  Artifacts  such  as  spurious  inter‐modulation  peaks  and  a  high  noise  floor,  in  turn,  can  be  altogether  disregarded  as  they  have  little  effect  on  laser  operation  due  to  gain  selectivity.  Pass‐band  suppression  can  be  further  improved  by  applying  an  empirical  recipe  for  apodization  [2].  The  method  has  been  used  to  design  gratings  that  provide  wavelength‐dependent  feedback  for  distributed  Bragg reflector (DBR) [1], [3] and distributed feedback (DFB) [4] lasers. 

6.2   Classical Delta‐Sigma Modulation Theory   

6.2

103

Classical Delta-Sigma Modulation Theory

Chapter 4 argues that a quantization technique suitable for BSG synthesis must maintain  certain Fourier information through its transformation. Delta‐Sigma modulation (DSM;  sometimes  referred  to  as  Sigma‐Delta  modulation)  is  one  such  process,  which  uses  feedback  to  compensate  for  quantization  error.  The  canonical  DSM,  from  which  the  name arises, is illustrated in Figure 4.2. There, the quantization error is summed (Sigma)  and  fed  back  into  the  input  stream  in  a  negative‐feedback  fashion  (Delta).  In  general,  however,  the  summation  block  can  be  replaced  by  a  higher‐order  linear  filter  f(z)  to  produce the generalized DSM structure of Figure 6.2. 

Loop Filter xi

Threshold Quantization

+

yi

f(z) −

  Figure 6.2:  The generalized Delta‐Sigma Modulator structure. 

6.2.1

Noise-to-output transfer function

The most powerful approach to the analysis of DSM operation is based on modeling  the threshold quantization operation as an addition of a “quantization error” signal  ei as  shown  in  Figure  6.3  [5].  This  error  signal  is  a  deterministic  function  of  the  threshold  quantizer’s input and in itself presents no approximation. However, DSM theory argues  that for a “sufficiently rich” input waveform, the quantization error can be modeled as  an  addition  of  stochastic  noise.  Since  the  model  system  is  linear,  this  approximation  motivates the derivation of a noise‐to‐output transfer function N(z), which measures the  spectral character of the quantization error after the effect of feedback: 

104   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

N (z ) ≡

 

Y (z ) 1 .  = E (z ) 1 + f (z )

E(z)

Loop Filter X(z)

(6.1) 

+

+

f(z) −

Y(z)

+

  Figure 6.3:  The additive noise model of Delta‐Sigma Modulation, which permits  the derivation of a noise‐to‐output transfer function. This transfer function is an  indicator of the modulator’s noise‐shaping characteristics. 

The noise‐to‐output transfer function is an indicator of the modulator’s noise‐shaping  characteristics,  which  determine  the  distribution  of  quantization  noise  in  the  output  waveform.  It  is  important  to  note  that  a  modulator  can  only  shape  the  noise  spectrum  and  not  eliminate  it  altogether,  as  information  loss  is  inherent  to  the  quantization  process. This can be appreciated by considering that an analog waveform l‐samples long  can  contain  an  infinite  amount  of  information  in  its  continuum  of  possible  values.  In  contrast, a binary waveform of l‐samples can express at most 2l values.  The  noise  shaping  character  of  the  canonical  DSM  is  illustrated  in  Figure  4.2.  Analytically, its noise‐to‐output transfer function Ncanon.(z) takes the form 

 

N canon . ( z ) =

1 ⎛ 1 ⎞ 1+ ⎜ ⎟ ⎝ z −1 ⎠

= 1 − z −1 = 2ie − iω 2 sin (ω 2 ) . 

(6.2) 

Here and for the remainder of this chapter,  ω  indicates discrete frequency with  ω = 2π  representing the sampling rate.  ω =  π correspondingly stands as the  Nyquist frequency,  which is the highest frequency that can be contained in the sampled signal. 

6.2   Classical Delta‐Sigma Modulation Theory   

6.2.2

105

Oversampling ratio

Classical DSMs such as the canonical DSM are intended to preserve Fourier content  in  the  baseband  –  the  lowest  frequency  region  near  ω  =  0.  The  preserved  content  is  defined  by  a  spectral  extent  ωmax  and  constitutes  a  fraction  of  the  available  spectrum   (0  ≤  ω  ≤  π)  known  as  the  oversampling  ratio.  In  the  context  of  these  modulators,  the  oversampling ratio OR is given by 

OR = π ω max . 

 

(6.3) 

This frequency‐domain oversampling ratio corresponds to commensurate time‐domain  oversampling, which indicates that the data rate of binary samples is OR‐times the data  rate of independent analog samples.  The  oversampling  ratio  is  important  as  it  is  associated  with  the  fidelity  of  the  quantization‐conserved  information.  This  can  be  appreciated  by  examining  the  total  noise power present in the conserved‐signal band NPtotal: 

NPtotal =  

ω max −

∫ ω

max

ω max

2

N canon . dω =

ω max

∫ 4 sin (ω 2 ) dω ω 2



 

max

2 2π 3 3 ≅ ∫ ω 2 dω = ω max = OR − 3 3 3 − ω max

 

(6.4) 

(for small ω max ).

This relation has been generalized to higher‐order classical DSMs and takes the form [5]:   

Noise reduction = [3dB + 6 dB ⋅ order ]⋅ log 2 (OR )  

 

(6.5) 

where  order is the order of the loop filter  f(z), which correspond to its number of poles.  The  strong  dependence  on  order  must  not  be  sustainable  as  it  does  not  appear  in  an  alternate  formulation  of  the  noise  limit  that  stems  from  information‐content  considerations. According to this formulation, each frequency bin  ωi is assigned OR‐bits  of resolution, half to the amplitude’s real part and half to the imaginary. Consequently,  the minimum‐possible average quantization error per frequency bin ΔE(ωi) is given by 

106     

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

Δ E (ω i ) ≅ E max (ω i ) 2

− 12 OR

 

 

(6.6) 

where  E(ωi)  is  the  maximum  amplitude  available  in  each  frequency  bin.  According  to  (6.6),  the  common  telecom  requirement  for  pass‐band  suppression  better  than  ‐40dB  demands an oversampling ratio of at least 14. 

6.3

Band-pass Delta-Sigma Modulation

As seen in  Chapter 4, the Fourier band of key information that needs to be conserved in  BSG  synthesis  exists  in  a  high‐frequency  part  of  the  spectrum.  This  high‐frequency  region can be moved to the baseband so that its quantization is compatible with classical  DSM techniques by increasing oversampling. However, this comes at the cost of reduced  feature sizes in the device’s manufacture, which is usually an unattractive compromise.  Fortunately,  an  atypical  form  of  Delta‐Sigma  Modulation  known  as  band‐pass  DSM  exists, and it allows the band of conserved Fourier information to be placed anywhere in  the spectrum. The output of such a modulator is shown in Figure  6.4, which illustrates  quantization‐conserved Fourier content and surrounding quantization noise. 

Conserved band

  Figure 6.4:  The  output  of  a  band‐pass  DSM  showing  transformation‐conserved  Fourier features surrounded by quantization noise. 

6.3   Band‐pass Delta‐Sigma Modulation   

6.3.1

107

Loop stability

Band‐pass  DSMs  are  designed  by  deriving  a  loop  filter  f(z)  that  provides  a  noise‐to‐ output  transfer  function  with  suitable  noise‐free  regions.  This,  however,  needs  to  be  done  in  such  a  way  that  the  feedback  loop’s  stability  is  maintained.  In  the  context  of  linear  system  theory,  stability  is  ensured  by  demanding  that  the  poles  of  the  noise  transfer function N(z) are all within the unit circle  z = 1   [6]. DSM stability, however, is  more  difficult  to  ensure,  as  the  modulator  is  a  highly  non‐linear  system.  Unstable  modulators  result  in  oscillatory,  chaotic  or  stuck‐constant  outputs.  Furthermore,  DSM  stability can be a function of its input, and modulators that appear stable under certain  conditions can enter instability under others.  There are several design criteria intended to ensure stable DSM operation. However,  most  are  empirical  and  are  not  guaranteed  to  be  either  sufficient  or  necessary.  DSM  stability  remains  an  open  area  of  research.  Nevertheless,  a  stability  criterion  that  has  proven itself in the design of DSM filters for BSG synthesis is [7] 

N (e iw ) < 1 .5 ∀ ω  

 

 

(6.7) 

In addition, the criterion demands that the poles of f(z) lie within the unit circle as well. 

6.3.2

Filter design

Since both the noise‐free regions and the stability condition (6.8) are defined in terms of  the noise‐to‐output transfer function, it is convenient to design DSM filters in terms of  their N(z) and then invert it to extract f(z) using 

f (z ) =

 

1

N (z )

−1  

 

(6.8) 

The choice of N(z) is constrained by the following: 



For  f(z)  to  be  a  realizable  DSM  filter,  it  must  have  a  strictly  proper  transfer  function.  For  f(z)’s  transfer  function  to  be  strictly  proper,  in  turn,  N(z)  must 

108   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION have  the  same  number  of  zeros  as  poles  and  a  gain  of  1  at  z  → ∞.  The  number of poles in N(z), or equivalently in f(z), is known as the DSM’s order.  



Furthermore, according to (6.1), the poles of f(z) become the zeros of N(z), and  so the stability requirement that the poles of both N(z) and  f(z) lie within the  unit circle implies that both the poles and the zeros of N(z) must stay within  the unit circle.  



Finally, since the system’s response must involve only real numbers, the poles  and zeros of N(z) must lie symmetrically about the real axis [8]. 

These  requirements  suggest  that  N(z)  can  be  designed  through  the  placement  of  an  equal number of poles and zeros within the unit circle as illustrated in Figure 6.5. 

- zero

1

Im(z) Band of importance

- pole

Re(z) 1

Stability criterion

1

i

|N(e ω)|

1.5

Band of importance

0.5

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

π

ω

Figure 6.5:  DSM filter design through the placement of an equal number of poles  and  zeros  within  the  unit  circle.  This  procedure  yields  the  noise‐to‐output  transfer function N(z), which can then be inverted to extract the loop filter f(z). 

 

6.3   Band‐pass Delta‐Sigma Modulation   

109

The zeros and poles may be placed manually or automatically through the use of an  iterative  optimization  procedure.  Such  a  procedure  can  begin  with  an  approximate  assignment  as  depicted  in  Figure  6.5  and  gradually  shift  pole  and  zero  location  to  improve the depth of the stop‐band. This can be done using a constrained optimization  algorithm  so  that  the  poles  and  zeros  remain  within  the  unit  circle  and  the  stability  criterion (6.7) is satisfied. 

6.3.3

Multi-band modulators

Section  4.5  proposes  that  BSG  quantization  should  include  two  noise‐free  regions.  The  design  of  modulators  for  such  multi‐band  specifications  can  proceed  similarly  to  the  design of single‐band band‐pass DSMs. The pole/zero map for the two‐band DSM from 

Imaginary Axis

Figure 4.6 is shown in Figure 6.6. 

High frequency key information

Baseband exclusion

Real Axis

  Figure 6.6:  Pole/zero map for the two‐band DSM of Figure 4.6. This is a 10th order  modulator  with  six  zeros  assigned  to  the  high‐frequency  band  and  four  to  the  baseband. 

While  the  automatic  optimization  of  pole  and  zero  locations  can  be  initialized  in  a  variety  of  ways,  it  seems  that  better  convergence  is  obtained  if  the  available  zeros  are  “assigned” to respective noise‐free bands. For instance, the optimization that yielded the 

110   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

10th order two‐band modulator of Figure  6.6 was initialized with six of the zeros placed  near the unit circle positions that correspond to the intended high‐frequency noise‐free  band,  whereas  the  remaining  four  were  placed  near  the  unit  circle  segment  corresponding to the baseband. A comprehensive optimization procedure can repeat its  search for all possible zero assignments and select the most successful result. 

6.3.4

Input scaling

Classical DSM output ranges from +1 to ‐1, so it is intuitive that there is a bound to the  analog  signal  amplitude  that  this  output  can  capture.  Consequently,  the  modulator’s  limits must be scaled in correspondence to the signal being quantized. If these limits are  made too small, content in the noise‐free region is distorted or lost; if made too large, the  output may strain the optical modulation available to produce the grating.  There are no formal theoretical results suggesting how the modulator’s limits should  best be scaled. A general rule to follow in practice is that the maximum amplitude of the  input signal should be commensurate with the output’s. Highly peaked inputs, in which  signal amplitude is large only locally, can often exceed the modulator’s output bounds.  Conversely, input signals whose amplitude envelope is mostly flat must often be scaled  to undershoot the modulator’s limits. As a rule of thumb, inputs should be scaled so that  their peak amplitude lies between 0.7‐times and 1‐time the output limits. To date, more  precise conditions can be determined only through trail and error.  Less  intuitively,  some  modulators  experience  problems  if  their  input  is  too  small  compared to their output limits. In extreme cases, this difficulty can play a role even in  the quantization of large‐amplitude inputs, as these typically have small‐amplitude tail  portions.  A  supplement  to  the  stability  conditions  which  I  have  found  mitigates  this  problem is to demand that the feedback loop has sufficient gain margin. A higher gain  margin indicates that the system is less sensitive to a variation in the gain of any of its  elements  [9]. In the case of DSM, the threshold element may be viewed as causing this  gain variation as it produces proportionally large output in response to small inputs. A  gain margin of 3dB seems sufficient and can be incorporated into automatic filter design. 

6.4   Future Directions   

6.3.5

111

Multi-level quantization

Although many of the BSG’s advantages stem from its binary nature, some persist if it is  extended  to  a  multi‐level  quantized  form.  For  example,  a  BSG  implemented  using  waveguide  width  variation  (see  Section  8.2.3)  could  employ  four  distinct  width  values  and  still  enjoy  greater  robustness  and  simpler  design  than  an  analog  form.  Such  structures  are  easily  synthesized  using  the  two‐step  approach  by  replacing  the  binary  threshold operation in the Delta‐Sigma modulator with a suitable multi‐level threshold.  DSM filters designed to be stable for two‐level quantization are also stable with a multi‐ level  threshold  in  the  feedback  loop.  The  multiple  levels  do  not  have  to  be  linearly  distributed, as the modulator’s feedback correction does not rely on such assumptions. 

6.4

Future Directions

The  following  are  two  suggested  modifications  to  the  DSM  process,  which  promise  improved oversampling and reduced quantization noise. 

6.4.1

Sub-bit modulation

The  incremental  resolution  available  lithographically  is  several  times  better  than  the  minimum feature size. For example, 250nm deep‐UV lithography typically makes use of  masks designed on a 25nm grid or better. Consequently, there is an untapped degree of  freedom available in varying the widths of individual bits or the spacing between them.  One  way  to  exploit  this  freedom  in  BSG  synthesis  is  to  perform  the  DSM  step  of  synthesis on an oversampled version of the analog profile that corresponds to the finer  incremental‐resolution grid. This can be done using a modulator employing a modified  threshold  quantization  element  that  disallows  +1/‐1  transitions  as  long  as  the  present  feature  is  smaller  than  the  minimum  feature  size.  The  primary  difficulty  with  this  approach lies in ensuring DSM stability, as the modulator’s feedback may nevertheless  attempt to produce sub‐minimum features. The solution could take the form an added  stability  criterion  ensuring  that  the  feedback  loop’s  gain  stays  smaller  than  unity  for 

112   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

frequencies  higher  than  those  that  correspond  to  the  minimum  feature  size.  This  criterion may be overly restrictive, however.  Sub‐bit modulation has the potential of greatly increasing the effective oversampling  ratio and, consequently, having a strong impact on modulation quality. This may prove  particularly  useful  for  counter‐directional  devices,  which  operate  at  the  limit  of  lithographic resolution  and are prone to optical loss through radiation‐mode coupling.  Using this method, grating Fourier components that play a strong role in such scattering  could be attenuated without harm to the oversampling ratio or increase in lithographic  resolution. 

6.4.2

DSM-based direct synthesis

The  impulse  response  methods  for  the  synthesis  of  analog  co‐  and  counter‐directional  gratings could be built into the feedback loop of a Delta‐Sigma modulator as illustrated  in Figure 6.7. The resulting system would enable one‐step BSG synthesis by allowing the  DSM  feedback  loop  to  correct  for  quantization  error  in  the  grating’s  impulse  response  directly, rather than correcting for error in its Fourier content. Modulators designed for  this  purpose  would  likely  not  need  to  employ  baseband  exclusion,  as  the  effect  of  the  baseband or any other Fourier band on the spectrum would already be accounted for in  the impulse response simulation. By operating on a measure that accounts for all high‐ order  perturbations  to  the  spectrum,  this  approach  should  provide  better  quantization  fidelity than the two‐step method for those applications that demand it. 

Loop Filter xi

Determine first/last binary element

yi

Simulate 1-bit impulse response

+

f(z) − Peel first/last layer

  Figure 6.7:  One‐step BSG synthesis based on the integration of impulse‐response  analog synthesis methods into the Delta‐Sigma modulator feedback loop. 

6.5   Conclusions   

6.5

113

Conclusions

Band‐pass DSM proves well‐matched to the demands of BSG binarization as part of the  two‐step approach to synthesis. It offers structural transformation based on the principle  of  key  information  with  no  attendant  increase  in  lithographic  resolution.  Through  baseband exclusion,  band‐pass modulators are  capable of  quantizing optical structures  with strong diffractive features.  Methods  presented  in  this  chapter  enable  the  automatic  design  of  high‐order  modulators.  These  provide  substantially  more  control  over  DSM  noise‐shaping  than  previously  possible.  The  suggested  sub‐bit  modulation  furthermore  offers  an  opportunity for significant reduction in quantization noise, as it can effectively enhance  the oversampling ratio with no detriment to static BSG devices. 

6.6

Bibliography

[1]

I.  A.  Avrutsky,  D.  S.  Ellis,  A.  Tager,  H.  Anis,  and  J.  M.  Xu,  ʺDesign  of  widely  tunable  semiconductor  lasers  and  the  concept  of  binary  superimposed  gratings  (BSGs),ʺ IEEE J. Quantum Electron., vol. 34, pp. 729‐741, Apr. 1998. 

[2]

I.  A.  Avrutsky,  M.  F.  Fay,  and  J.  M.  Xu,  ʺMultiwavelength  diffraction  and  apodization  using  binary  superimposed  gratings,ʺ  IEEE  Photon.  Technol.  Lett.,  vol.  10, pp. 839‐841, June 1998. 

[3]

M.  F.  Fay,  P.  Mathieu,  A.  J.  SpringThorpe,  and  J.  M.  Xu,  ʺSelf‐collimated  multiwavelength  laser  enabled  by  the  binary  superimposed  grating:  concept,  design,  theory,  and  proof‐of‐principle  experiment,ʺ  1999  IEEE  LEOS  Annual  Meeting Conf. Proc., vol. 1, pp. 335‐336, Nov. 1999. 

[4]

M.  Müller,  M.  Kamp,  A.  Forchel,  and  J.‐L.  Gentner,  ʺWide‐range‐tunable  laterally  coupled  distributed  feedback  lasers  based  on  InGaAsP‐InP,ʺ  Appl.  Phys.  Lett.,  vol.  79, pp. 2684‐2686, Oct. 2001. 

[5]

S. R. Norsworthy, R. Schreier, and G. C. Temes, Delta‐Sigma data converters: theory,  design, and simulation. New York: Wiley, 1997, pp. 46‐53. 

[6]

R. T. Stefani, C. J. Savant, B. Shahian, and G. H. Hostetter, Design of Feedback Control  Systems. Oxford: Oxford Univ. Press, 2002, pp. 764‐768. 

114   

CHA PTER 6.   DELTA‐SIGMA MODULATION

[7]

D. A. Johns and K. Martin, Analog integrated circuit design. New York: Wiley, 1997,  pp. 531‐573. 

[8]

J. D. Gaskill, Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics. New York: Wiley, 1978,  pp. 179‐217. 

[9]

R. T. Stefani, C. J. Savant, B. Shahian, and G. H. Hostetter, Design of Feedback Control  Systems. Oxford: Oxford Univ. Press, 2002, pp. 405‐488.     

 

Chapter 7 Direct BSG Synthesis The  two‐step  approach  to  BSG  synthesis  permits  independent  control  of  the  analog‐ synthesis  and  quantization  steps,  thereby  allowing  the  most  suitable  method  to  be  applied  to  each  process.  Furthermore,  it  enables  the  use  of  Delta‐Sigma  binarization,  which  is  highly  efficient  and  lends  itself  well  to  real‐time  operation.  As  a  drawback,  however, the two‐step method is incapable of bringing any notions of optimality to the  overall  procedure.  Moreover,  its  reliance  on  Delta‐Sigma  modulation  (DSM)  may  sometimes be undesirable due to DSM’s resolvable but often critical stability problems.  For  such  reasons,  it  is  important  to  consider  direct  “one‐step”  approaches  to  BSG  synthesis as well.  Direct  synthesis  can  take  one  of  two  forms:  sequential,  wherein  the  synthesis  algorithm  generates  grating  bits  one‐by‐one  and  in  order;  and  iterative,  wherein  the  binary  structure  is  refined  through  successive  steps.  Whereas  techniques  belonging  to  the first approach typically maintain a strong resemblance to the DSM method, those in  the  latter  category  hinge  instead  on  optimization‐related  algorithms  and  represent  a  fundamentally  different  methodology.  This  chapter  examines  such  optimization‐based  approaches to direct BSG synthesis. 

115

116   

CHA PTER 7.   DIRECT  BSG SYNTHESIS

7.1

Transfer Matrix Optimization

The  difficulty  in  optimization‐based  direct‐path  BSG  synthesis  stems  from  three  main  sources:  firstly,  the  optimization  is  of  a  combinatorial  nature  due  to  the  binary  constraint;  secondly,  the  number  of  degrees  of  freedom  is  very  large;  and  thirdly,  the  optimization’s  “cost  function”,  which  is  related  to  the  error  between  the  grating’s  desired  and  best‐achieved  spectral  response,  is  time‐consuming  to  evaluate.  The  first  two concerns greatly restrict the applicable optimization methods; the third requires that  either  few  cost‐function  evaluations  are  made  or  that  some  sort  of  speed‐up  “trick”  is  employed.  One method that addresses all three concerns is that of  transfer matrix optimization.  It is based on the transfer matrix approach to the simulation of grating spectra, wherein  the structure’s sum response is evaluated through the multiplication of transfer matrices  corresponding  to  each  individual  bit’s  spectral  action  (see  Section  2.3).  The  method  requires the following four inputs: 



A start structure to be optimized 



Specifications for the desired spectrum 



A cost function that defines how well a structure matches the specifications 



Transfer matrices for the 1 and 0 bits at each relevant optical frequency ωj 

With these inputs specified, transfer matrix optimization proceeds as follows:  1. Compute the start structure’s overall transfer matrix Ttotal(ωj) at each ωj: 

T total (ω j ) = ∏ Ti (ω j )   N

 

i =1

where Ti(ωj) is the ith bit’s transfer function and there are N bits in total.  2. Evaluate the start structure’s cost Cbest using the cost function. 

(7.1) 

7.1   Transfer Matrix Optimization   

117

3. Initialize  the  variables  Tleft(ωj)  =  1  (identity)  and  Tright(ωj)  =  Ttotal(ωj).Tk(ωj)‐1,  which  respectively  correspond  to  the  structure’s  transfer  function  to  the  left  and right of the currently examined bit, k = 1 (see Figure 7.1).  4. Compute the grating’s overall transfer matrix Tnew(ωj) with the kth bit flipped: 

Tnew (ω j ) = Tright (ω j )Tk (ω j )Tleft (ω j )  

 

(7.2) 

5. Evaluate the new (bit‐flipped) cost Cnew.  6. If  Cnew  0

 

(7.4) 

.

Here,  b is a scale factor that determines the barrier stiffness. For the inequality to hold  strictly,  b  must  be  made  gradually  larger  (b  →  ∞),  which  is  best  done  during  the  optimization  process  (for  example,  b  could  be  made  proportional  to  the  iteration  step  number). 

7.1.3.2

Lagrange multipliers

A  more  rigorous  technique  involves  the  method  of  Lagrange  multipliers.  This  method  was  conceived  originally  to  deal  with  equality  constraints,  but  may  be  adapted  to  inequalities through the introduction of slack variables vi [1]:   

fi ≤ 0

(f



i

+ vi

2

)= 0 . 

(7.5) 

These slack variables are appended to the list of optimization state variables (bit values,  in  this  instance).  While  the  vi  values  are  not  constrained,  vi2  are  always  non‐negative,  ensuring that the functions fi are non‐positive.  Once  transformed  into  equality  constraints,  the  inequalities  can  be  incorporated  in  the cost function by defining the new optimization goal Cnew to be:   

(

C new = C + ∑ λ i f i + v i

2

). 

(7.6) 

i

The  new  variables  λi  are  known  as  Lagrange  multipliers  and  get  affixed  to  the  list  of  optimization  state  variables  as  well.  The  minimum  value  found  through  the  optimization of Cnew over all grating bits, vi and λi must satisfy the constrained problem.  While  grating  bits  represent  binary  state  variables,  the  added  Lagrange  multipliers  and  slack  variables  are  continuous.  This  presents  some  difficulty  in  the  optimizer’s  implementation as it must now operate on a mixed state space. 

7.1   Transfer Matrix Optimization   

7.1.3.3

121

Pareto-optimality analysis

In  many  cases,  the  spectral  specifications  call  for  only  a  single  inequality  constraint  of  the  form  “performance  measure  X  must  not  be  greater  than  YdB.”  A  simple  and  effective approach for dealing with such situations involves the use of Pareto‐optimality  analysis – the study of tradeoffs in multi‐objective optimization  [2]. The method works  as follows: suppose that C is the optimization cost function and f ≤ YdB is the constraint.  The two can be combined into a single multi‐objective function Cnew: 

C new = C + wf .  

 

(7.7) 

The  weight  w,  in  turn,  determines  the  tradeoff  between  the  cost’s  two  goals.  Pareto‐ optimality analysis involves executing the optimization with different tradeoff weights  until the desired balance is reached. That is, if at the optimization’s end the inequality is  satisfied strongly, the weight  w may be decreased to give the cost  C more importance;  conversely, if the inequality remains unsatisfied the weight w must be increased. 

7.1.4

Performance

Simple  transfer  matrix  optimization  terminates  quickly,  but  most  often  produces  low‐ fidelity matches to the desired spectrum (see Figure  7.2). This is due to the algorithm’s  high susceptibility to local minima, which are prevalent in this combinatorial problem.  The  algorithms  presented  in  the  following  section  provide  modifications  to  the  basic  approach intended to avoid precisely this problem. 

122   

CHA PTER 7.   DIRECT  BSG SYNTHESIS 1

Magnitude of amplitude-reflectance

0.9

Synthesized response Specification

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

1530

1535

1540 Wavelength (nm)

1545

1550

 

Figure 7.2:  Sample  reflectance  specifications  and  the  simulated  spectrum  of  a  BSG  synthesized  to  meet  them  using  the  simple  transfer  matrix  optimization  method.  The  procedure  employed  an  L8  norm  to  approximate  maximum‐error  (L∞)  optimization  and  converged  in  136  steps;  the  large lobes  between  channels  are  allowed  by  the  specifications.  This  grating  uses  12,500  bits,  an  index  modulation (Δn) of 0.005, and yields pass‐band suppression of around ‐26dB. 

7.2

Simulated Annealing

The simple transfer matrix optimization method attempts to minimize the cost‐function  through  individual  bit‐flips.  However,  in  many  situations  each  single  bit‐flip  acts  to  raise the structure’s cost even when multiple flips may still lower it. This is a matter of  the optimization settling into a local minimum that is not also the global minimum and  occurs very frequently in practice.  While  it  is  difficult  to  guarantee  that  the  optimizer  find  the  global  minimum,  it  is  significantly easier to ensure that it does not terminate in a shallow local one. This can be  done  by  introducing  a  degree  of  randomness,  which  occasionally  allows  the  optimization  trajectory  to  proceed  “uphill”  –  in  the  direction  of  increased  cost.  Such  occasional uphill climb can bring the optimizer far enough over the hill to discover the 

7.2   Simulated Annealing   

123

next valley. Unfortunately, this new valley may not be better than the first or closer to  the global minimum.  An  alternative  use  of  randomness  in  optimization  that  has  its  roots  in  statistical  mechanics  is  known  as  simulated  annealing  (SA).  This  method  is  modeled  after  the  physical  process  of  thermal  annealing,  in  which  structures  relax  their  internal  stresses  and arrive at low energetic states by cooling slowly from high temperature. Its principal  difference  from  the  simple  bit‐flipping  approach  is  that  in  SA  bit‐flips  that  raise  the  structure’s cost are occasionally (probabilistically) accepted. The traditional (Metropolis)  recipe for the probability of accepting a bit‐flip, pflip, is given by the formula [3], [4] 

⎧ 1 p flip = ⎨ − ΔC t ⎩e

 

ΔC < 0 ΔC ≥ 0

.

 

(7.8) 

Here,  ΔC  represents  the  change  in  cost  function  due  to  the  bit‐flip.  The  parameter  t  is  known as the synthetic temperature. If t is held constant and the system is evolved until  equilibrium  is  reached,  this  recipe  results  in  a  Boltzmann  distribution  of  the  cost  statistics.  Equation  (7.8)  originates  in  the  study  of  optimization  problems  with  continuous  variables  and  is  unfortunately  not  well  suited  for  problems  with  binary  degrees  of  freedom. This can be appreciated in the limit of high temperature, where the Metropolis  recipe  implies  that  every  bit‐flip  should  be  pursued  –  the  intended  randomization  is  instead replaced by a deterministic oscillation. An alternative acceptance probability that  is better suited to binary optimization corresponds to the Fermi function: 

 

p flip =

1   1 + e ΔC t .

(7.9) 

At the same high temperature limit, this recipe leads to equal probabilities for flipping  or maintaining a given bit and hence the desired randomization effect.  At  the  heart  of  simulated  annealing  lies  the  annealing  schedule  –  the  protocol  according  to  which  temperature  is  gradually  lowered.  The  schedule  must  start  at  a 

124   

CHA PTER 7.   DIRECT  BSG SYNTHESIS

sufficiently high temperature so that all points in the search space are accessible and end  with t = 0 so that a minimum cost state is “frozen”. However, it is unclear how it should  proceed  in  between.  To  date,  no  optimal  schedule  has  been  identified;  choosing  a  schedule  is  considered  an  art.  If  cooled  too  fast,  the  system  will  likely  settle  in  a  non‐ global minimum; if too slow, significant computation time may be lost.   One  of  the  few  general  theoretical  results  in  this  domain  is  that  a  cooling  rate  sufficient (but not necessary) for finding the global minimum with probability 1 is given  by the schedule [5] 

ts =

 

t0   ln s

(7.10) 

where t0 is the initial temperature and s is the simulation time‐step. This schedule tends  to  be  far  too  slow  for  most  applications, and instead  practitioners  often  favor  linear  or  exponential  temperature  reduction  despite  their  lack  of  theoretical  guarantees.  These  take the form 

 

Linear: 

ts =

t 0 (α + 1)   s +α

(7.11a) 

 

Exponential: 

t s = t 0 e −α ( s −1) . 

(7.11b) 

The parameter α controls the rate of cooling. 

7.2.1

Principle of operation

The operation of simulated annealing can be illustrated using the example in Figure  7.3,  where two valleys are separated by a barrier. When the simulation enters the shallower  of  the  valleys,  the  occasional  energy‐increasing  updates  can  knock  the  state  over  the  barrier  and  into  the  deeper  valley.  While  the  same  is  qualitatively  true  for  the  deeper  valley, the exponential nature of the acceptance probability makes the reverse transition,  which  needs  to  overcome  a  larger  barrier,  less  likely.  As  a  result,  the  optimizer’s  state  can  be  found  in  the  deeper  valley  with  higher  probability,  or  equivalently,  in  a  larger 

7.2   Simulated Annealing   

125

number  of  the  simulation  steps.  The  expectation  is  that  as  the  temperature  is  lowered  this  imbalance  becomes  larger,  until  the  state  is  highly  unlikely  to  leave  the  deeper 

Cost

valley’s bottom. 

Optimization coordinate

 

Figure 7.3:  A  cost  landscape  with  two  valleys.  Simulated  annealing  allows  the  optimization state to climb uphill and go from one valley to the next. However,  leaving the deeper valley is much less likely than leaving the shallow one. 

The  optimization’s  outcome  is  probabilistic  and  there  is  no  guarantee  that  the  state  will  settle  in  the  deeper  valley  even  if  it  has  visited  that  valley  along  its  way.  For  that  reason,  it  is  important  to  keep  track  of  the  lowest‐cost  state  discovered  through  the  process  and  compare  it  to  the  end  result:  if  it  is  lower,  it  may  be  helpful  to  restart  the  simulation  from  that  position.  However,  the  simulation  settling  on  an  obviously  sub‐ optimal solution on a regular basis is clear evidence that the annealing schedule is too  fast.  

7.2.2

Fast annealing

A more recent improvement to simulated annealing is based on abandoning the familiar  Boltzmann  distribution  and  instead  relying  on  one  crafted  specifically  for  use  in  optimization.  This  approach  is  often  referred  to  as  fast  annealing  (FA)  and  employs  a 

126   

CHA PTER 7.   DIRECT  BSG SYNTHESIS

modified  method  for  selecting  the  new  state  to  which  the  acceptance  probability  is  applied  [6].  By  allowing  the  optimization  to  explore  new  states  that  are  far  from  the  current one, FA and newer methods like it permit a farther reaching random walk that is  less prone to trapping in local minima. Correspondingly, they support an exponentially  faster  annealing  schedule  shown  to  be  sufficient  for  finding  the  global  minimum  with  probability 1: 

ts =

 

t0 .  s

(7.12) 

Unfortunately,  when  applied  to  transfer  matrix  optimization  the  modified  state‐ selection methods of FA or its relatives require that more than a single bit be flipped in  each  optimization  step.  This  prevents  the  use  of  the  layer‐peeling  technique,  which  greatly  accelerates  the  standard  transfer  matrix  process.  As  a  result,  the  advanced  methods are of interest mostly in situation where a (probabilistic) guarantee of finding  the global minimum is desired. In other situations, standard simulated annealing using  a non‐guaranteed (linear or exponential) schedule is preferable. 

7.2.3

Multi-agent methods

If the probability of not finding the global minimum through simulated annealing is qgm,  then the probability of still not finding it after  n repeated trials is (qgm)n. That is, a linear  increase in computational efforts amounts to an exponential reduction in the likelihood  of  failure.  This  motivates  a  number  of  techniques  known  as  multi‐agent  methods,  wherein several different optimization searches are conducted in a single run.  Advanced  multi‐agent  techniques  send  their  agents  to  explore  the  various  search  paths  simultaneously  and  provide  some  form  of  communication  between  them.  This  way,  a  more  successful  agent  can  inform  the  others  and  bring  them  closer  to  its  neighborhood. However, even the straight‐forward repetition of the basic SA search can  lead to improvements, standing as a simple modification to direct BSG synthesis. 

7.2   Simulated Annealing   

7.2.4

127

Performance

Figure  7.4 illustrates an application of the simulated annealing method to the synthesis  of a 12,500‐bit grating. It is evident that the thermal approach has yielded a better match  to the specifications than did the monotonic‐decent procedure, which was applied to the  same  synthesis  problem  in  Figure  7.2.  However,  it  is  doubtful  that  the  method  has  produced the globally optimal grating, as its spectrum seems inferior in quality to ones  obtained using the two‐step Delta‐Sigma modulation method. Future work may be able  to resolve this shortfall.  1

Magnitude of amplitude-reflectance

0.9

Synthesized response Specification

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

1530

1535

1540 Wavelength (nm)

1545

1550

Figure 7.4:  Sample  reflectance  specifications  and  the  simulated  spectrum  of  a  BSG  synthesized  to  meet  them  using  simulated  annealing  with  an  adaptive  exponential  cooling  rate.  The  procedure  employed  an  L8  norm  to  approximate  maximum‐error  (L∞)  optimization  and  converged  in  1481  steps;  the  large  lobes  between channels are allowed by the specifications. This grating uses 12,500 bits,  an  index  modulation  (Δn)  of  0.005,  and  yields  pass‐band  suppression  of   around ‐32dB. 

 

128   

7.3

CHA PTER 7.   DIRECT  BSG SYNTHESIS

Direct vs. Two-Step Synthesis: Comparison

Table  7.1  provides  a  comparison  between  optimization‐based  direct  BSG  synthesis  and the two‐step approach of Chapter 4. 

Two‐step synthesis 

 

Direct synthesis 

Direct synthesis advantages 

Domain of application 

Wherever suitable analog  algorithms exist (currently  there are difficulties with  100% coupling and with  handling dispersion) 

Universal – optimization  works regardless of specific  conditions as long as they can  be simulated 

Unattended operation? 

Must verify DSM stability 

No stability concerns 

None to date 

Probability of finding global  optimum 

Optimality notions 

Two‐step method advantages  Computational time   (for N‐bit grating) 

Analog synthesis:  O(N2)  Delta‐Sigma:  O(N) 

Linear or adaptive‐exp.  schedule:  O(N3) – O(N4) 

Suitable for   real‐time use? 

Yes, especially if analog  “basis” is pre‐computed 

Not for high‐resolution  devices 

Satisfactory results despite  lack of theoretical guarantee 

Good optimum difficult to  attain despite theoretical  motivations for the approach 

Quality of results 

Table 7.1:  A comparison between optimization‐based direct BSG synthesis and  the two‐step approach of Chapter 4. 

Optimization‐based  synthesis  provides  a  practical  alternative  to  the  two‐step  approach  in  situations  where  DSM  is  undesirable.  It  also  suggests  some  notions  of  optimality,  which  are  not  available  with  the  two‐step  method.  However,  at  present,  optimization‐based  synthesis  typically  falls  short  of  its  promise  and  produces  spectra 

7.4   Bibliography   

129

that  are  inferior  to  those  attained  using  the  two‐step  method.  Consequently,  the  direct  approach invites future development. In the absence of such development, optimization‐ based synthesis is most attractive in cases where suitable analog synthesis techniques do  not exist, such as in the presence of strong chromatic dispersion. 

7.4

Bibliography

[1]

D.  A.  Pierre,  Optimization  Theory  with  Applications,  2nd  ed.  New  York:  Wiley,  1986,  pp. 42‐45. 

[2]

S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization. Cambridge: Cambridge Univ.  Press, 2004, pp. 177‐188. 

[3]

N.  Metropolis,  A.  W.  Rosenbluth,  M.  N.  Rosenbluth,  A.  H.  Teller,  and  E.  Teller,  ʺEquation of state calculation by fast computing machines,ʺ J. Chem. Phys., vol. 21,  pp. 1087‐1092, June 1953. 

[4]

S.  Kirkpatrick,  C.  D.  Gelatt,  and  M.  P.  Vecchi,  ʺOptimization  by  simulated  annealing,ʺ Science, vol. 220, pp. 671‐680, May 1983. 

[5]

S.  Geman  and  D.  Geman,  ʺStochastic  relaxation,  Gibbs  distribution  and  Bayesian  restoration in images,ʺ IEEE Trans. Patt. Anal. Mach. Int., vol. PAMI‐6, pp. 721‐741,  Nov. 1984. 

[6]

H.  H.  Szu  and  R.  L.  Hartley,  ʺNonconvex  optimization  by  fast  simulated  annealing,ʺ Proc. IEEE, vol. 75, pp. 1538‐1540, Nov. 1987. 

After  writing  of  this  chapter,  it  has  been  brought  to  my  attention  that  a  simulated‐ annealing—based  technique  for  the  synthesis  of  a  device  similar  to  the  BSG  had  been  published  recently.  I  am  including  a  reference  to  a  representative  paper  as  an  acknowledgment of this work.  [7]

S. Chakraborty, M. C. Parker, D. Hasko, and R. J. Mears, ʺInverse design of nano‐ scale  aperiodic  photonic‐bandgap  waveguidesʹ,ʺ  ECOC  2004.  Stockholm,  Sweden,  2004, pp. We4.P.050.     

 

Chapter 8 BSG Implementation This chapter explores the implementation of Binary Supergratings in waveguide‐based  couplers.  It  begins  with  a  discussion  of  the  basic  BSG  design  rules.  These  direct  the  choice of fundamental BSG parameters such as bit length and number. Following that is  a  comparison  of  methods  and  configurations  for  BSG  inscription  in  single‐waveguide  and  multi‐waveguide  devices.  The  chapter  concludes  with  the  examination  of  specific  issues that arise in the design of co‐ and counter‐directional couplers. 

8.1

BSG Design Rules

The following are basic guidelines that are fundamental to any BSG design. 

8.1.1

Spectral Resolution

The resolution at which grating spectra can be controlled is a critical parameter in most  applications.  In  wavelength  division  multiplexed  (WDM)  optical  telecom  systems,  for  example,  spectral  resolution  must  correspond  to  wavelength‐channel  spacing;  in  spectroscopic  applications,  it  must correspond  to  the  required  resolving  power.  As  the 

131

132   

CHA PTER 8.   BSG IMPLEMENTAT ION

following demonstrates, BSG spectral resolution is proportional to device length and to  modal index contrast. 

8.1.1.1

Co-directional grating couplers

Suppose  that  a  BSG‐based  coupler  of  length  l  couples  two  co‐propagating  modes with  modal indices  n1 and  n2 (let  n1  n1 2ω 1 − ω 2

(8.6a) 

(8.6b) 

It can be appreciated that the bound in (8.6b) is more stringent than the one in (8.6a) in  the  common  case  of  ω2  2 n avg λ avg

(8.7) 

140   

8.3.2

CHA PTER 8.   BSG IMPLEMENTAT ION

Symmetric couplers

A different approach to avoiding reflection in cross‐mode couplers introduced here is to  nullify  the  overlap  integrals  that  determine  the  strength  of  undesired  coupling.  These  integrals  are  given  in  Section  4.2  and  define  the  mode  ν  to  mode  μ  coupling  functions 

κμν:   κ μυ ∝ ω ∫∫ E μ * ( x , y ) ⋅ Δ ε ( x , y , z ) Eν ( x , y ) dxdy . 

 

(8.8) 

x, y

The idea is to set  κ11 =  κ22 = 0 while allowing  κ12 to maintain nonzero value. This can be  done by noting that the same‐mode coupling functions in isotropic materials are given  by 

κ υυ ∝ ω ∫∫ Eν ( x , y ) Δ ε ( x , y , z ) dxdy .  2

 

(8.9) 

x, y

In particular,  κνν = 0 if the index modulation  Δε has the opposite symmetry of the modal  profile Eν(x,y).   Cross‐waveguide  couplers  such  as  that  in  Figure  8.6  typically  couple  the  first‐order  modes  of  the  two  guides.  These  modes  are  evenly  symmetric  about  their  respective  waveguide’s center, implying that grating perturbations that are oddly symmetric about  the  same  centers  should  lead  to  no  coupling.  This  motivates  the  symmetric  coupler  design  of  Figure  8.6.  Accordingly,  the  grating  present  between  the  two  waveguides  is  supplemented by “inverse gratings” with reverse bit values on either side. These inverse  gratings are intended to nullify the coupling coefficients corresponding to reflection. 

8.4   Design of Co‐Directional Couplers   

141

Inverse grating bits

Waveguide 1 Grating bits

Waveguide 2 Inverse grating bits

   Figure 8.6:  The  symmetric  grating‐assisted  coupler  introduced  here  permits  cross‐mode counter‐directional coupling where sufficient waveguide asymmetry  is not available. 

This  analysis  is  not  accurate  when  considering  the  structure’s  supermodes  (see  Section  8.5) but provides a good starting point for design. In the more general case, the  three gratings involved may be considered independent and designed to control each of  the three coupling functions, κ21, κ11 and κ22, individually. 

8.4

Design of Co-Directional Couplers

Co‐directional  couplers  always  rely  on  wavevector  mismatch  between  modes  to  attain  wavelength‐dependent operation. Consequently, they couple the modes of asymmetric  waveguides  [4]  or  disparate  modes  of  the  same  guide  [5].  In  the  same‐guide  case,  the  coupled modes may correspond to different states of polarization (TE to TM) or to the  different  orders  of  a  multi‐mode  guide.  In  all  cases,  the  presence  of  backward‐ propagating  versions  of  the  modes  is  not  a  problem,  as  the  spatial‐frequency  components that can induce counter‐directional coupling are easily avoided.  Waveguide length is a critical parameter in co‐directional coupler design, as it often  determines practicality. In turn, Section 8.1.1.1 argues that coupler length is proportional  to  Δng,  the  group‐index  contrast  between  the  coupled  modes.  Consequently,  the  attainable group‐index contrast is of prime importance. 

142   

CHA PTER 8.   BSG IMPLEMENTAT ION

In  the  cross‐waveguide  configuration,  group‐index  contrast  can  be  maximized  by  making the two waveguides as distinct as possible. This can be done either by varying  material  composition  or  waveguide  dimensions.  Composition  variation  provides  a  powerful effect over index contrast, but it is not a commonly available in manufacture.  Similarly, controlling both the height and width of the waveguides provides substantial  control,  but  height  variation  is  not  typically  allowed.  This  leaves  waveguide  width  variation as the most common method of attaining modal index contrast. The variation  of  waveguide  widths  is  straight  forward,  as  it  can  be  implemented  directly  in  the  lithographic  mask.  Furthermore,  transitioning  from  one  width  to  another  is  easily  facilitated by gradual width tapers, which can also be described by the same mask. This  is not the case with height or material composition variation, as these transitions tend to  be abrupt.  The  design  of  asymmetric  waveguide  couplers  that  employ  waveguide  width  variation  is  usually  constrained  by  mode‐cutoff  considerations.  In  particular,  it  is  desirable  for  the  two  waveguides  to  support  only  a  single  mode  each  so  as  to  avoid  opportunities  for  undesired  coupling.  This  constrains  the  wider  of  the  guides  to  a  maximal  width  in  the  neighborhood  of  the  second‐order  mode  cutoff.  Similarly,  the  narrower of the guides must be wide enough to support the first‐order mode. It is often  made  even  wider  so  as  to  avoid  the  strong  dispersion  effects  present  near  cutoff.  A  sample  modal  diagram  indicating  suitably  selected  waveguide  widths  is  shown  in  Figure 8.7.  As  a  rule  of  thumb,  the  maximum  group‐index  contrast  attainable  through  width  variation  in  stripline  (photonic  wire)  waveguides  is  around  1/6  of  the  core‐cladding  material  index  contrast.  Approximate  minimum  bit‐lengths  computed  using  this  rule  for  a  variety  of  common  material  systems  are  given  in  Figure  8.8.  Percentage  index‐ contrasts  correspond  to  glass‐based  materials  where  the  cladding  is  at  nclad  =  1.45.  Correspondingly, a 2% index‐contrast system uses a material with ncore = 1.48. 

Group index

8.4   Design of Co‐Directional Couplers   

143

2.2 2 1.8 1.6 1.4

Refractive index

400

600

800

600

800

1000

1200

1400

1600

1200

1400

1600

TE1 TM1 TE2

1.8 1.7 1.6 1.5 1.4

400

1000 Width (nm)

  

Figure 8.7:  Modal index and group index  as a function  of  waveguide  width for  550nm‐thick silicon‐nitride waveguides. Indicated in dotted lines are two widths  chosen for an asymmetric co‐directional BSG coupler. 

2

1mm

0.75 % 413 μm

8 6

2% 155 μm

Bit length

4

5% 62 μm

2

100µm

8 6

17 % 18 μm

4

40 % 8 μm

2

10µm

8 2

0.1

3

4 5 6

2

3

4 5 6

1 Index Contrast, %

2

3

4

10

  

Figure 8.8:  Approximate  minimum  bit  lengths  attainable  through  waveguide  width variation in a co‐directional BSG coupler. These set the Nyquist frequency  to a free‐space wavelength of 1550nm. Percentage index contrasts correspond to  glass‐based systems where the cladding is at n = 1.45. 

144   

8.5

CHA PTER 8.   BSG IMPLEMENTAT ION

A Note regarding Supermodes

When  two  waveguides  are  brought  to  close  proximity,  their  individual  modes  are  no  longer proper modes of the joint system as defined by the plane‐wave‐like evolution of  (2.18).  Instead,  the  waveguide  equation  (2.19)  must  be  solved  again  as  though  the  two  guides  constitute  a  single  two‐core  waveguide  structure.  The  resulting  modes  are  known as the system’s supermodes.  An  instructive  example  is  the  case  of  two  identical  neighboring  waveguides,  as  depicted in Figure  8.9. Let E(x,y) and E(x‐x0,y) represent the modal profiles of the first‐ order  modes  of  these  guides,  which  are  separated  laterally  by  a  distance  x0.    To  first  order, the supermodes of the system are the symmetric and antisymmetric modes [6]   

E sym =

1 2

E (x , y ) +

1 2

E (x − x 0 , y )

E antisym =

1 2

E (x , y ) −

1 2

E ( x − x 0 , y ) .  (8.10) 

While  the  modal  indices  of  the  original  modes  are  equal,  the  modal  indices  of  the  supermodes “detune” from each other. Namely, if  n is the index of the original modes,  the  index  of  the  symmetric  supermode  is  nsym  =  n  +  ½Δn,  and  the  index  of  the  antisymmetric  supermode  is  nantisym  =  n  ‐  ½Δn.  The  detuning  Δn  increases  as  the  waveguides are brought closer. 

Symmetric mode

Antisymmetric mode

Waveguide 1

Waveguide 2

  Figure 8.9:  Supermodes of a system of two neighboring identical waveguides. 

8.5   A Note regarding Supermodes   

145

A consequence of detuning is that power “sloshes” between the two guides. This can  be  observed  by  noting  that  optical  power  injected  into  only  one  of  the  guides  corresponds to a superposition of the symmetric and antisymmetric modes:  Power in guide 1 = E (x , y ) = E sym + E antisym . 

 

(8.11) 

After  a  distance  of  ½λ0/Δn,  where  λ0  is  the  injected  light’s  free‐space  wavelength,  the  phase  relation  between  the  two  modes  is  reversed,  and  all  the  power  transfers  to  the  second guide:  z z − (n + 1 Δ n ) − (n − 1 Δ n ) λ ⎞ 2 2 ⎛ λ0 λ0 E ⎜ x , y , z = 0 ⎟ = E sym e + E antisym e 2Δn ⎠ ⎝ 2π

 

=e

(



− n + 1 Δn 2 Δn

[E

sym



+ E antisym e π

]

 

(8.12) 

∝ E sym − E antisym = Power in guide 2 .

Such intrinsic power transfer occurs also when the two waveguides are not identical.  However, in such cases there is a limit to the amount of power transferred – the larger  the modal index contrast between the guides, the less power transfers back and forth.  Intrinsic  power  transfer  occurs  at  all  wavelengths  and  may  therefore  significantly  alter  a  coupler’s  spectrum  if  unaccounted  for.  One  solution  is  to  begin  the  coupler’s  design  by  selecting  the  waveguides  and  placing  them  as  close  as  possible  such  that  intrinsic power transfer remains below some limit. This allows the designer to disregard  the supermodes in later stages of design and operate in terms of the decoupled modes.  This approach is not always successful, as grating action is also penalized by increased  distance. In such situations, the design must proceed entirely in terms of supermodes.  Regardless  of  the  design  method  used,  it  is  important  to  remember  that  grating  physics considers only the system’s supermodes. Designs should always be verified in  their complete supermode‐based context. 

146   

CHA PTER 8.   BSG IMPLEMENTAT ION

8.6

Conclusions

The BSG boasts the unique quality that its bit length, and correspondingly the size of the  smallest features involved in its implementation, can be chosen almost arbitrarily of the  spectral  demands.  Total  device  length,  on  the  other  hand,  depends  strongly  on  the  group‐index contrast attainable between the coupled modes. This is of prime importance  in  co‐directional  designs,  where  long  device  lengths  limit  practicality.  In  the  counter‐ directional  regime,  increased  index‐contrast  typically  amounts  to  a  wider  band  of  operation.  This  is  not  the  case,  however,  with  the  novel  symmetric  coupler,  which  avoids index‐contrast requirements altogether. 

8.7

Bibliography

[1]

M.  F.  Fay,  ʺBinary  supergratings:  aperiodic  optics  for  spectral  engineering,ʺ  Ph.D.  dissertation, Div. of Eng., Brown University, Providence, RI, 2003. 

[2]

V.  Jayaraman,  D.  A.  Cohen,  and  L.  A.  Coldren,  ʺDemonstration  of  broadband  tunability  in a semiconductor laser  using sampled gratings,ʺ Appl. Phys. Lett.,  vol.  60, pp. 2321‐2323, May 1992. 

[3]

M. F. Fay, D. Levner, and J. M. Xu, ʺBinary supergratings in a novel lateral satellite  grating  configuration,ʺ  Optical  Fiber  Communications  Conference,  2003.  Washington:  Optical Society of America, 2003. 

[4]

R. C. Alferness, T. L. Koch, L. L. Buhl, F. Storz, F. Heismann, and M. J. R. Martyak,  ʺGrating‐assisted  InGaAsP/InP  vertical  codirectional  coupler  filter,ʺ  Appl.  Phys.  Lett., vol. 55, pp. 2011‐13, Nov. 1989. 

[5]

R.  C.  Alferness,  ʺEfficient  waveguide  electro‐optic  TE  to  or  from  TM  mode  converter/wavelength filter,ʺ Appl. Phys. Lett., vol. 36, pp. 513‐15, April 1980. 

[6]

N.  Nishihara,  M.  Haruna,  and  T.  Suhara,  Optical  Integrated  Circuits.  New  York:  Macmillan, 1989, pp. 47‐95.       

 

Chapter 9 Reprogrammable BSGs The  Binary  Supergrating  (BSG)  permits  the  near‐arbitrary  control  of  optical  amplitude  and phase in a wavelength‐dependent manner. This chapter presents an extension to the  BSG  concept  that  allows  the  near‐arbitrary  spectral  response  to  be  modified  freely  during  operation.  The  resulting  reprogrammable  device  is  capable  of  addressing  numerous dynamic applications in telecom and spectroscopy. 

9.1

Reprogrammability: Why?

In  the  absence  of  reconfigurable  optical  elements,  wavelength  division  multiplexed  (WDM) telecom systems must rely on predefined wavelength‐channel allocations. Since  bandwidth  demands  vary  over  time,  network  designers  must  allot  more  capacity  for  each destination than is typically needed. Moreover, the wavelength allocation process –  wavelength provisioning – is complex and expensive, and must be repeated with every  major  change  in  network  utilization.  The  introduction  of  “wavelength  agile”  components,  most  notably  reconfigurable  optical  add/drop  multiplexers  (ROADMs),  eliminates  the  need  for  over‐allocation  and  reprovisioning,  and  offers  substantial  potential cost savings. 

147

148   

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

Outside of optical telecom, the need for reconfigurable elements can be appreciated in  the domain of spectroscopy. There, light reflected by, transmitted through or emitted by  a sample is collected and analyzed in terms of its spectral content. Traditional “scanned”  spectroscopy  examines  the  signal  by  passing  it  through  a  narrow  wavelength‐selective  filter,  which  is  scanned  to  cover  some  spectral  band.  Advanced  methods  such  as  Hadamard spectroscopy use more complex filters, which reduce measurement noise by  permitting more light to reach the detector  [1]. Traditional and Hadamard spectroscopy  are compared in Figure  9.1. Both call for dynamic wavelength‐selective optical filtering  and motivate the reprogrammable BSG. 

Power

Power

Power

Input Wavelength

Wavelength

Wavelength

Wavelength

Wavelength

Wavelength

Power

Power

Wavelength

Power

Hadamard spectroscopy Power

Power

Power

Traditional (scanned) spectroscopy

Wavelength

Wavelength

 

Figure 9.1:  Traditional  vs.  Hadamard  spectroscopy.  Hadamard  spectroscopy  reduces measurement noise by permitting more light to reach the detector. Both  methods call for a dynamic wavelength‐selective optical filter. 

9.2

Reprogrammability: How?

The  BSG  lends  itself  well  to  reprogrammable  implementation  since  its  structure  and  scale do not need to vary with spectral function. In particular, the size and position of  constituent  bits  can  remain  fixed  through  reprogramming,  as  a  variation  in  the  binary  values  alone  is  sufficient  to  control  device  behavior.  Such  bit‐by‐bit  control  can,  in  principle, be actuated by any mechanism that varies local refractive index in response to  external  signal.  Primary  candidates  are  thermo‐optic,  micro‐electromechanical  system  (MEMS),  and  liquid‐crystal  (LC)  methods.  The  structure’s  independence  of  function  permits a fixed set of electrodes or mechanical elements to actuate any program. 

9.2   Reprogrammability: How?   

149

The  BSG’s  binary  nature  further  simplifies  reprogrammable  implementation,  as  it  eliminates  the  need  for  careful  analog  control  of  bit  levels.  By  relying  on  only  two  setpoints  (“on”  bits  and  “off”  bits),  the  reprogrammable  BSG  avoids  the  difficult‐to‐ model  and  often  time‐varying  transition  behavior  presented  by  many  actuation  schemes. Consequently, MEMS control can, for instance, rely on physical stops to define  on  and  off  positions,  whereas  liquid‐crystal  designs  can  support  the  threshold‐like  switching common to many configurations [2].  Due  to  its  roots  in  laser‐feedback  applications,  most  prior  work  on  Bragg‐regime  gratings  such  as  the  binary  superimposed  grating  [3],  sampled  grating  (SG)  [4]  and  super‐structure  grating  (SSG)  [5]  address  devices  used  as  reflectors.  In  such  operation,  the dimensionality of grating features is invariably commensurate with the Bragg pitch –  the  scale  employed  by  the  periodic  Bragg  grating.  Consequently,  physical  features  are  typically smaller than 0.5  μm and challenge lithographic resolution limits even in static  implementations.  Such  small  scales  make  the  placement  of  actuation  electrodes  a  formidable challenge.  A key step in the development of the reprogrammable BSG was the adoption of a co‐ directional coupling configuration. This arrangement involves grating‐assisted coupling  between  two  guided  modes  that  propagate  in  the  same  direction.  These  modes  may  correspond to two separate waveguides  [6] or to mode diversity within the same guide  [7]. In both cases, the spatial frequency of the grating component required for coupling  equals  the  difference  in  spatial  frequencies  (wavevectors)  of  the  two  modes.  Correspondingly,  the  co‐directional  grating  pitch  is  much  longer  than  in  the  reflective  case,  and  can  easily  span  10s  to  100s  of  micrometers.  Such  large  length‐scales  are  far  more  conducive  to  dynamic  bit  actuation  than  those  found  in  the  counter‐directional  case. 

150   

9.3

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

Thermal Actuation

All  materials  exhibit  a  change  in  their  refractive  index  in  response  to  temperature  variation.  This  change  is  usually  linearized  about  a  baseline  temperature  T0  and  expressed as function of temperature T: 

n (T ) = n (T0 ) + (T − T0 )

 

The parameter 

dn dT



(9.1) 

T = T0

dn  is known as the material’s thermo‐optic coefficient [8].  dT

Thermo‐optic  variation  of  refractive  index  can  generate  the  modulation  required  to  induce  a  grating.  Figure  9.2  illustrates  a  co‐directional  BSG  device  implemented  using  this  method.  In  this  design,  individual  heaters  correspond  to  grating  bits  and  effect  a  localized  change  in  temperature.  Such  heaters  are  typically  wires  made  of  deposited  conductive film, which heat up in response to electric current [8]. 

  Figure 9.2:  A  thermally  actuated  BSG  co‐directional  coupler.  Single‐bit  heaters  vary local refractive index values to induce a grating. 

Localized  heating  from  small  wires  can  be  designed  to  spread  only  10s  to  100s  of  microns,  allowing  sufficient  resolution  for  independent  bit  actuation.  Moreover,  localized heating produces smooth bit profiles, which result in reduced scattering losses.  A simulated thermal profile illustrating these features is shown in Figure 9.3. 

9.3   Thermal Actuation   

151

20

100 Air

80

10 Polymer

0

Polymer / Waveguide

90 60 30

60 40

o

C

20 µm

0 Glass

10

-30

Si Wafer

-50 -400

-200

0 µm

200

400

 

Figure 9.3:  Simulated thermal profile for a thermally actuated BSG co‐directional  coupler, showing two “on” bits separated by one “off” bit. Heaters are 75μm by  100μm and produce 11mW of thermal power. 

While bulk thermal actuation is a relatively slow process, the small volumes involved  in localized heating make bit‐by‐bit actuation remarkably faster. Typical response times  are in the 100μs to 1ms regime even in silica on silicon systems. 

9.3.1

Differential heating

Waveguide systems are frequently designed to be unresponsive to temperature changes  so  as  to  permit  consistent  device  operation  over  a  wide  range  of  environmental  conditions.  Unfortunately,  such  design  also  reduces  the  efficiency  of  thermo‐optic  actuation.  In  highly  temperature  insensitive  systems  such  as  silica  on  silicon,  for  example, actuation by direct heating as illustrated in Figure 9.2 is virtually impossible.  Thermal actuation in temperature insensitive systems is considerably more effective  if  heat  is  applied  to  produce  a  temperature  differential  between  the  coupler’s  two  waveguides.  Such  differential  heating  breaks  the  orthogonality  between  the  coupler’s  supermodes (see Section  8.5) and induces mode coupling. It can be effected by placing  the heater laterally to the waveguide pair. Substantially better results may be obtained 

152   

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

by  constructing  the  waveguides  in  a  vertical  stack  and  allowing  the  natural  heater‐to‐ substrate temperature gradient to establish the differential heating. 

9.4

Micro-Electromechanical (MEMS) Actuation

In MEMS actuation, grating bits correspond to ribbon‐like elements that can be deflected  towards  the  waveguide  surface.  When  deflected,  these  elements  interact  with  the  mode’s  evanescent  tail  and  provide  the  grating‐inducing  perturbation.  As  Figure  9.4  illustrates, such devices are mechanically similar to diffractive MEMS (see Section  3.2),  with  the  exception  that  ribbon  surfaces  are  coated  with  a  transparent  material  rather  than a reflective one. 

  Figure 9.4:  A  micro‐electromechanical  system  (MEMS)  actuated  BSG  co‐ directional  coupler.  MEMS  ribbon‐like  elements  deflect  towards  the  waveguide  surface where they interact with the mode’s evanescent tail to produce a grating. 

MEMS  elements  are  actuated  electrostatically  [9].  Namely,  ribbons  are  attached  to  controllable voltage sources, which charge them with respect to a nearby substrate. This  charge can lead to an attractive or repulsive force that produces mechanical deflection.  The  amount  of  electrostatic  charge  can  be  used  to  control  the  extent  of  deflection  and  correspondingly  the  distance  from  the  waveguide  surface.  However,  it  is  substantially  easier to use mechanical stops to define this distance. For such reasons, MEMS actuation  proves challenging in the implementation of reprogrammable analog gratings and is far  better suited to BSG devices. 

9.5   Liquid‐Crystal (LC) Actuation   

9.4.1

153

Index matching fluid

When a MEMS ribbon is away from the waveguide surface, its space is taken up by air.  Air,  in  turn,  has  a  refractive  index  that  is  much  lower  than  the  waveguide’s  cladding,  implying  that  the  mode’s  evanescent  tail  decays  quickly  at  the  formed  interface,  often  within 50nm to 100nm of the surface.  Correspondingly,  designs  based  on  bringing  the  MEMS  ribbon  close  to  the  waveguide  surface  but  without  contact  are  exceedingly  sensitive  to  nanometer‐scale  variation  in  ribbon‐to‐surface  separation.  Designs  based  on  bringing  MEMS  ribbons  to  contact,  on  the  other  hand,  are  equally  sensitive  to  nanometer‐scale  roughness  of  the  contacting surfaces. An alternative is to fill the chip’s empty spaces with a fluid whose  refractive  index  is  better  matched  to  the  waveguide’s  cladding.  Index  matching  fluids,  which  are  oils  designed  to  attain  specific  index  values,  are  good  candidates  for  this  purpose. The improved index match with the waveguide’s cladding establishes a slowly  decaying evanescent tail, which is less sensitive to ribbon position.  The  presence  of  liquid  in  the  MEMS  device  is  expected  to  reduce  the  speed  of  mechanical motion due to viscosity effects. However, liquid‐free MEMS ribbon reaction  times are typically in the 10μs to100μs range and leave sufficient margin to meet telecom  requirements  even  with  this  impediment.  The  primary  concern  with  the  use  of  index  matching  fluid  is  the  associated  device  packaging  technology,  which  does  not  commonly deal with liquids at the present time. Nevertheless, the packaging of MEMS‐ based  components  saturated  with  fluid  is  similar  to  the  packaging  of  liquid  crystal  devices, which is done regularly. 

9.5

Liquid-Crystal (LC) Actuation

Liquid  crystals  (LCs)  are  a  class  of  materials  that  flow  like  liquids  but  maintain  long‐ range order like crystalline solids. They are characterized by long and slender molecules  as depicted in Figure  9.5. The molecule’s long axis has different optical properties than  its slender axes. In particular, the long axis corresponds to an “extraordinary” refractive 

154   

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

index  ne  that  is  typically  higher  than  the  “ordinary”  index  no  of  the  slender  axes  [10].  Accordingly, light polarized along the long axis experiences a different refractive index  than light polarized perpendicular to it. 

ne

no no   Figure 9.5:  The  elongated  nature  of  liquid‐crystal  (LC)  molecules.  The  physical  anisotropy produces an optical anisotropy: the long axis is characterized by the  extraordinary refractive index ne, whereas the slender axes are characterized by  the ordinary refractive index no. 

The molecule’s anisotropic nature expresses itself also in the LC’s response to static  electric fields: the molecule’s long axis is characterized by a “DC” electric permittivity  ε ||   that  is  typically  higher  than  the  permittivity  ε ⊥   along  the  slender  axes.  As  a  consequence, LC molecules tend to align in response to applied electric fields with their  long  axes  along  field  lines.  Specially  designed  materials  known  as  negative  dielectric  anisotropy materials exhibit  ε ||  lower than  ε ⊥  and instead align perpendicularly to field  lines.  The  responsivity  to  electric  field  together  with  the  optical  anisotropy  constitute  the  mechanism  for  liquid  crystal’s  function  in  dynamic  optical  devices.  As  illustrated  in  Figure  9.6,  liquid  crystal  can  be  used  to  actuate  a  coupled‐waveguide  device:  with  no  field  applied,  nematic  LC  may  be  made  to  lie  parallel  to  the  substrate  surface.  The  application  of  an  electric  field  can  then  realign  the  LC  to  point  perpendicularly  to  the  substrate.  The  optical  modes  in  the  waveguides,  which  possess  specific  polarization  (either  TE  or  TM),  sample  LC  index  along  a  single  axis  and  are  hence  sensitive  to  the  realignment. The two LC states can correspond to the low and high bits of a BSG. 

9.5   Liquid‐Crystal (LC) Actuation   

155 Electrode

Off-state:

Guide #1

Liquid crystal

Guide #2

Lower cladding Substrate

Electrode

On-state:

Guide #1

Liquid crystal

Guide #2

Lower cladding Substrate

  Figure 9.6:  Liquid‐crystal actuation of a coupled waveguide device. Nematic LC  is aligned horizontally in the off state and vertically in the on state. These states  may correspond to the low and high bits of a BSG. 

States  intermediate  to  those  in  Figure  9.6  are  attainable  through  the  application  of  intermediate  voltage  levels.  However,  specific  configurations  are  difficult  to  obtain  without  feedback  correction,  as  LC  dynamics  are  highly  sensitive  to  temperature  and  surface treatment in this regime. Consequently, LC actuation of analog gratings is highly  problematic. BSG actuation is considerably simpler. 

9.5.1

Surface alignment layer

In the absence of electric fields, liquid crystal molecules align in accordance with surface  forces.  Surface  chemistry  and  its  interaction  with  LC  chemistry  determine  whether  the  LC’s long axis stands perpendicularly to the surface or lies flat along it. Common liquid  crystals lie flat on glass surfaces due to hydrophilic attraction, but can be made to stand  on end through simple surface treatment with surfactants such as lecithin [11].  When surface forces dictate that LC is to lie flat, the planar symmetry of the surface  leaves molecules free to select a specific direction. However, sharp features such as the  corners  between  the  waveguides  and  lower  cladding  in  Figure  9.6  remove  this 

156   

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

symmetry  and  force  LC  molecules  to  a  specific  alignment.  In  the  waveguide  case,  this  interaction forces the LC to align along the waveguides.  Unlike the alignment depicted in the off state of Figure  9.6, LC alignment along the  waveguide  produces  no  grating  modulation  for  TE  modes.  This  is  because  TE  modes  experience  the  ordinary  index  no  during  both  on  and  off  states.  The  waveguides’  alignment  effect  is  difficult  to  overcome  and  may  be  avoided  altogether  through  the  planarization  of  the  device’s  top  surface.  Regardless,  off‐state  LC  alignment  must  be  controlled to ensure that it is as desired.  The  requirement  for  a  specific  surface  alignment  exists  also  in  the  design  of  traditional LC cells, such as those found in information displays. There, the problem is  solved  through  the  use  of  surface  alignment  layers  –  treatments  that  have  chemical  or  physical qualities that fix LC molecules to a specific direction. The most commonly used  method involves the deposition of thin polyimide films that are buffed in the direction  of  desired  alignment  using  felt‐covered  rollers  [11].  This  method  is  used  almost  exclusively in the manufacture of liquid crystal displays (LCDs) and provides  uniform  and durable alignment over large areas.  Standard polyimide absorbs telecom‐wavelength light and is hence unsuitable for use  in  telecom  waveguide  devices.  Chemically  modified  polyimides  such  as  fluorinated  polyimide  [12]  solve  this  problem.  However,  these  may  nevertheless  be  unsuitable  where waveguide features are raised over the substrate due to the mechanical nature of  the  buffing  step.  An  alternative  LC  alignment  technology  that  is  gaining  acceptance  involves  materials  known  as  linearly  photopolymerizable  polymers  (LPPs)  [13].  These  materials are spin‐coated onto their target substrates in liquid form and then exposed to  polarized  ultraviolet  (UV)  light.  LPP  polymerizes  to  form  polymer  chains  along  the  direction of UV polarization. These chains attract LC molecules and align the LC along  them. 

9.5   Liquid‐Crystal (LC) Actuation   

9.5.2

157

Flip-chip bonding

The  configuration  of  Figure  9.6  requires  electrodes  to  be  placed  above  the  waveguide  surface.  This  is  most  easily  done  by  constructing  the  electrodes  and  their  driving  circuitry  on  a  separate  substrate  and  attaching  that  substrate  to  the  one  carrying  the  waveguides.  Such  a  two‐part  approach  allows  the  waveguide‐carrying  and  electrode‐ carrying  subcomponents  of  the  system  to  be  chosen  independently.  For  example,  the  waveguides may be built on a silicon‐on‐insulator (SOI) platform and the electrodes as a  CMOS electronic chip. The process steps for the manufacture of such hybrid system are  shown in Figure 9.7 and involve a flip‐chip bonding process.  In  flip‐chip  bonding,  one  microchip  is  attached  face‐down  (flipped)  to  second  microchip or substrate. Indium solder bumps, which melt at low temperature, are often  used  to  fix  the  chips  together  and  to  create  electrical  contact  for  the  transduction  of  signals  between  them.  However,  as  the  waveguide  chip  has  no  electrical  function,  thermally  curable  epoxy  glue  may  be  used  instead  in  BSG  applications.  The  spacing  between  the  chips  is  critical  for  liquid‐crystal  function.    It  may  be  established  using  lithographically defined spacers, as illustrated in Figure  9.7, or alternatively through the  use of glass spacer‐beads embedded in the epoxy glue. 

158   

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

5. Flip-chip bond • Flip & place over optical baseplane SiO2 Si Metal lines

4. Create contact layer – Lines extend to pad / control circuitry – LC alignment layer required

3. Deposit liquid crystal (LC) mesa

mesa

Si SiO2 Si substrate

2. Deposit spacers

1. Create SOI optical baseplane

 

Figure 9.7:  Process  flow  for  the  manufacture  of  a  silicon‐on‐insulator  (SOI)  LC‐ actuated  reprogrammable  BSG  device,  which  involves  the  flip‐chip  bonding  of  an  electronic  control  plane  onto  a  waveguide  chip.  This  technique  permits  the  independent selection of waveguide and electronic technologies. 

Lower  index‐contrast  waveguide  material  systems  such  as  silica  on  silicon  call  for  chip areas that are too large for actuation using a single CMOS control chip. Fortunately,  bit  lengths  in  such  systems  are  also  larger  and  enable  actuation  using  technologies  designed  for  liquid  crystal  displays.  These  include  thin‐film‐transistor  (TFT)  and  chip‐ on‐glass  techniques.  In  TFT  methods,  electronic  circuits  are  built  directly  on  a  glass  substrate  through  the  deposition  of  thin  semiconductor  films.  In  chip‐on‐glass  techniques,  electrodes  are  defined  on  a  transparent‐conductor  coated  glass  (usually  indium‐tin‐oxide  –  ITO)  and  then  wired  to  a  CMOS  chip  that  is  flip‐chip  bonded  onto  the glass substrate. 

9.6

Hitless Switching

Many  devices  purposed  as  building  blocks  for  reconfigurable  optical  add/drop  multiplexers  switch  the  wavelength‐channel  being  dropped  by  shifting  their  spectral 

9.6   Hitless Switching   

159

response  in  a  “scanning”  fashion.  This,  however,  is  highly  undesirable  in  real‐world  networks, as a device that scans from channel 2 to channel 5 disturbs data traffic in the  intermediate channels 3 and 4. It is said that the scanning device produces “hits” on the  intermediate channels. The desired transition behavior involves a “cross‐fade” character,  as  illustrated  in  Figure  9.8.  A  device  with  such  character,  whose  spectrum  changes  during  transition  only  in  wavelength  regions  corresponding  to  the  start  and  end  channels and stays unaltered elsewhere, is said to be hitless. 

Hitless tuning Power

Power

Scanned tuning

Wavelength Power

Power

Wavelength

Wavelength

Power

Power

Wavelength

Wavelength

Power

Power

Wavelength

Wavelength

Wavelength

  Figure 9.8:  Scanned tuning and hitless tuning in reconfigurable optical add/drop  multiplexers (ROADMs). 

Scanned tuning is usually found in systems that rely on the control of a bulk optical  parameter. Wide‐area heating, mechanical stretching or rotation, and wide‐area current  injection  are  some  examples  of  such  bulk  actuation.  The  reprogrammable  BSG,  on  the  other hand, can be designed to change programs hitlessly. 

160   

9.6.1

CHA PTER 9.   REPROG RAMMA BLE BSGS

Intrinsically hitless operation

The  Fourier  approximation  of  Section  4.2  asserts  that,  to  first  order,  grating  spectrum  varies  linearly  with  the  diffractive  structure’s  spatial‐frequency  content.  Since  spatial‐ frequency  content  is  related  to  index  profile  through  the  linear  Fourier  transform,  spectrum and index are linearly related as well. This linearity can be expressed in terms  of an operator S[n(z)], which maps the index profile n(z) to grating spectrum: 

S [θ n1 ( z ) + (1 − θ )n 2 ( z )] ≅ θ S [n1 (z )]+ (1 − θ )S [n 2 ( z )] ∀ θ ∈ [0,1] . 

 

(9.2) 

We know that the Fourier approximation breaks down in spectral regions of strong  coupling,  and  in  fact  (9.2)  fails  in  wavelength  bands  that  change  extensively  from  S[n1(z)] to S[n2(z)]. However, suppose that the index profiles are such that 

S [n1 ( z )](ω ) ≠ S [n 2 ( z )](ω )

 

S [n1 ( z )](ω ) = S [n 2 ( z )](ω )

ω 1− < ω < ω 1+ or ω 2 − < ω < ω 2 + elsewhere .

 

(9.3) 

That  is,  the  spectra  corresponding  to  the  two  profiles  differ  within  two  wavelength  bands  (WDM  channels)  but  are  identical  everywhere  else.  Due  to  the  degree  of  wavelength‐locality  in  the  corrections  to  the  Fourier  approximation,  such  as  that  in  Section  4.4, the equality in (9.2) holds in spectral regions away from those that change.  The  linearity  of  the  Fourier  approximation  is  nearly  exact  within  the  unvarying  WDM  channels.  Accordingly,  equation  (9.2)  implies  that  if  n1(z)  and  n2(z)  are  the  desired  initial  and  final  grating  programs,  hitless  switching  would  occur  if  the  intermediate  index  profile 

n(z) falls along the path defined by   

n ( z ) = θ n1 ( z ) + (1 − θ )n1 ( z ) ∃ θ ∈ [0,1]. 

(9.4) 

This, in turn, is insured if individual grating bit levels,  nhigh and  nlow, flip in a symmetric  fashion: 

9.6   Hitless Switching   

161

n low → high (θ ) = θ (t )n low + [1 − θ (t )]n high

 

n high → low (θ ) = [1 − θ (t )]n low + θ (t )n high



(9.5) 

Symmetric  bit  flips  and  hence  hitless  operation  occur  naturally  in  certain  systems,  including  those  where  bits  are  actuated  thermally  or  through  current  injection.  Symmetry can be emulated in others, such as where liquid crystal is employed, but it is  difficult to attain in mechanically actuated systems due to the exponential nature of the  optical response to motion. 

9.6.2

Programmatically hitless operation

In  those  systems  where  intrinsically  hitless  switching  cannot  be  obtained,  hitless  operation  can  still  be  achieved  programmatically  through  the  use  of  intermediate  programs  that  guide  the  transition.  This  can  correspond  to  reprogramming  using  programs ni(z) defined by   

n i ( z ) = θ i n1 ( z ) + (1 − θ i )n1 ( z )  

(9.6) 

for values 0  880 nm

880 nm -> 470 nm

1.62

880 nm -> 470 nm

1.0

Normalized Device Output With No Grating

0.8 0.6 0.4

Thru

0.2

Cross

0.0 1.52

1.54

1.56 1.58 Wavelength, µm

1.60

1.62

  Figure 10.8:  a)  Measured  transmission  spectrum  for  a  silicon‐nitride  (SiN)  waveguide  pair.  b)  The  same  spectrum  normalized  by  demanding  unit  output  power.  The  “through”  and  “cross”  waveguides  are  880nm  and  470nm  wide,  respectively. 

Gratings  were  defined  using  a  separate  mask  that  included  variations  in  bit  length  and  grating  pattern.  The  mask  was  used  to  expose  SU‐8  coated  waveguide  chips  by  means  of  a  Karl  Süss  MJB‐3  UV300  mask  aligner.  This  approach  allowed  the  independent  matching  of  waveguides  with  BSG  patterns  and  enabled  a  broad  exploration of the parameter space. A waveguide set with defined SU‐8 grating lines is  depicted  in  Figure  10.9.  The  defined  devices  were  immersed  during  measurement  in  different  index  matching  fluids,  which  facilitated  control  of  grating  index  modulation  strength. 

174   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

Waveguides

Grating lines

50μm

  Figure 10.9:  Co‐directional  BSG  coupler  implemented  using  SU‐8  photoresist  lines on top of silicon‐nitride waveguides. 

 

1.0 Straight Through (800 nm → 800 nm)

0.6

0.4

Transmission, relative

Transmission, relative

0.8

Index Contrast = 0.030

1.0 0.8

3 peak design

0.6

(wavelength and strength vary with waveguide)

0.4 0.2 0.0 1.52

0.2

1.54

1.56 1.58 1.60 Wavelength, µm

1.62

Cross-guide (800 nm → 470 nm)

0.0 1.52

1.54

1.56

1.58

1.60

1.62

µm Figure 10.10:  Measured  spectrum  of  a  co‐directional  BSG  coupler  implemented  using  SU‐8  photoresist  lines  on  top  of  silicon‐nitride  waveguides.  Index  matching  fluid  was  used  to  set  the  grating  index  contrast  to  0.030.  The  waveguides were 800nm and 470nm wide, separated by 700nm wall‐to‐wall. 

 

10.2   Co‐Directional Couplers   

175

Figure  10.10 presents a sample spectrum from a co‐directional SiN BSG coupler clad  with  an  SU‐8  grating  pattern  that  implements  a  three‐peak  spectrum.  The  measured  results reflect the relative amplitudes and uneven spacing of the designed peaks, which  are  shown  in  the  inset.  The  exact  wavelengths  and  transmission  strengths  were  not  expected to match the design, as these vary with the specific waveguide pair and index  matching fluid used.  The spectrum in Figure  10.10 reflects a number of small‐amplitude peaks that are not  in the intended spectrum. These are similar in character to the noise features present in  the  waveguide’s  grating‐free  spectrum  and  were  expected  to  be  independent  of  BSG  operation. This independence was verified directly by repeating the measurement with  different index matching fluids. The result, presented in Figure  10.11, illustrates that the  three peaks attributed to the BSG scaled with the grating’s index contrast, whereas other  features did not. As a consequence, the spectrum in Figure  10.10 may be taken as proof  of BSG operation in the co‐directional regime and in a configuration that is analogous to  reprogrammable forms. 

Cross-guide Transmission, relative

0.8

0.6

On-Off Bit Index Contrast 0.035 0.030 0.025 0.015

0.4

0.2

0.0 1.50

1.52

1.54

1.56

Wavelength, µm

1.58

1.60

1.62

 

Figure 10.11:  The same spectrum as in Figure 10.10 measured at different grating  index contrasts. BSG features scaled with contrast while noise features did not. 

176   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

10.3 Liquid-Crystal Reprogrammable BSGs The  effort  to  produce  reprogrammable  BSGs  actuated  using  liquid  crystal  (LC),  as  defined  in  Section  9.5,  has  not  yet  come  to  fruition.  This  section  reports  intermediate  results that have been attained in the process. 

10.3.1 Bulk LC actuation of waveguide devices Liquid‐crystal  actuation  of  waveguide  devices  is  a  subject  of  recent  interest  in  the  academic community. Very few demonstrations of such actuation presently exist [5].  This  experiment  involved  a  Mach‐Zehnder  interferometer  defined  using  ridge  silicon‐on‐insulator  (SOI)  waveguides  similar  to  those  described  in  Section  10.1.  The  Mach‐Zehnder  configuration  involved  two  equal‐length  waveguides  of  different  dimensions,  and  it  is  illustrated  in  Figure  10.12.  Approximate  dimensions  are  given  in  Table 10.4.  

a)

w1

wg

w2

SiO2 tr ts

Si SiO2

b) lMZ

  Figure 10.12:  Asymmetric  Mach‐Zehnder  interferometer  actuated  using  liquid‐ crystal. 

10.3   Liquid‐Crystal Reprogra mmab le BSGs   

177

Symbol 

Name 

Value 

Symbol 

Name 

Value 

tr  

Guide thickness  at ridge 

250 nm 

w2 

Waveguide 2  width 

540 nm 

t s 

Guide thickness  at shoulder 

150 nm 

w s 

Waveguide  separation 

550 nm 

w1 

Waveguide 1  width 

400 nm 

lMZ 

Length of Mach‐ Zehnder 

~9mm 

Table 10.4:  Approximate  dimensions  for  the  LC‐actuated  Mach‐Zehnder  interferometer illustrated in Figure 10.12 and produced in silicon‐on‐insulator. 

The waveguide chip holding the interferometer was used as the bottom electrode of a  5μm‐thick  LC  cell.  An  indium‐tin‐oxide  (ITO)  coated  glass  plate  was  used  as  the  top  electrode. The cell was filled with ZLI‐5400‐100 liquid crystal from Merck. The ITO plate  was treated with a polyimide LC alignment layer buffed parallel to the waveguides (see  Section 9.5.1), and the waveguides were left untreated.  2 1.8 1.6 1.4

Power (μW)

1.2 1

LC on

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1540

1550

1560

1570

1580

Wavelength (nm) Figure 10.13:  Spectra  obtained  from  an  interferometer actuated using liquid‐crystal. 

  asymmetric 

Mach‐Zehnder 

178   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

The  waveguides  were  interrogated  using  a  Santec  TSL‐210  tunable  laser,  and  the  output  was  detected  by  means  of  Newport  1830‐C  optical  power  meter.  The  experimental  procedure  was  similar  to  that  used  to  test  the  devices  of  Section  10.1.  A  square‐wave voltage source operating at a frequency of 1kHz was used to switch the LC  cell to the on configuration. The switching voltage was under 20V peak‐to‐peak.  A  result  from  this  experiment  is  illustrated  in  Figure  10.13.  It  clearly  demonstrates  optical tuning in response to LC actuation. 

10.3.2 LC alignment on waveguide using LPP The LC‐tuning results of the previous section were obtained by leaving the waveguide  chip  untreated  from  the  perspective  of  liquid‐crystal  alignment.  The  data  does  not  conclusively  determine  whether  the  LC  was  aligned  uniformly  over  the  length  of  the  device,  or  whether  it  was  broken  up  into  domains  as  depicted  in  Figure  10.14a.  Such  domains are undesirable as they are unstable and vary over time and with switching. In  addition,  the  domain  boundaries,  which  are  also  visible  in  Figure  10.14a,  can  lead  to  substantial optical scattering. 

a)

b) Waveguides

LC domain boundaries

350μm

150μm

  Figure 10.14:  LC‐on‐waveguide  cells  in  the  on  state  (voltage  applied).  a)  no  alignment  layer  of  waveguide  can  lead  to  many  LC  domain  boundaries;   b)  domain  boundaries  absent  with  proper  LPP  treatment  for  alignment  parallel  to guides. 

10.3   Liquid‐Crystal Reprogra mmab le BSGs   

179

The domain‐boundary free LC alignment depicted in Figure  10.14b was obtained by  the author using the linearly photopolimerizable polymer LPP ROP‐202/2CP from Rolic.  It  demonstrates  off‐state  alignment  parallel  to  the  waveguides  (see  Section  9.5.1).  Such  treatment does not seem deleterious to the waveguide’s optical operation. It is likely the  first result of its kind. 

10.3.3 Fixed-program BSG in LC An  LC‐based  reprogrammable  BSG  consists  of  two  separable  parts:  the  waveguide  system and the electrode system. The waveguide system and its interaction with liquid  crystal  were  addressed  by  the  experiments  of  the  two  preceding  sections.  This  section  deals with the electronic actuation of liquid crystal in BSG patterns.  Co‐directional BSG devices in high index‐contrast waveguide systems such as silicon‐ on‐insulator (SOI) and silicon‐nitride (SiN) can employ bit lengths as short as 4μm‐5μm.  It  was  unclear  at  the  outset  whether  liquid  crystal  could  be  actuated  on  such  a  small  scale  with  distinct  bit‐by‐bit  separation.  For  that  purpose,  a  set  of  metal‐on‐glass  electrode  chips  were  constructed.  These  were  designed  according  to  the  layout  illustrated  in  Figure  10.15  and  connect  sets  of  interdigitated  electrodes  to  one  of  two  contact  pads.  The  different  glass‐electrode  chips  implement  a  variety  of  Bragg  grating  and  BSG  patterns.  The  chips  were  produced  as  chrome‐on‐glass  photolithographic  masks  by  Advance  Reproductions  and  were  sawed  into  individual  chips  by  the  manufacturer.  These  glass  chips  were  treated  with  Rolic  LPP  ROP‐202/2CP  and  exposed  with  polarized ultraviolet light to induce LC alignment along electrode lines. The chips were  then  used  to  construct  5μm‐thick  LC  cells  using  spacer‐impregnated  epoxy  glue.  An  indium‐tin‐oxide (ITO) coated glass plate treated with buffed polyimide was used as the  top  electrode  and  induced  parallel  (not  twisted)  LC  alignment.  Cells  were  filled  with  ZLI‐5400‐100 liquid crystal from Merck using capillary action. 

180   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

15.25mm

0.25mm

0.25mm

Electrode 1

11.85mm

2mm

1.75mm

0.25mm

2mm

0.25mm 0.25mm

  10.0mm

Figure 10.15:  The  layout  of  a  metal‐on‐glass  chip  designed  to  actuated  Bragg  grating and BSG patterns in liquid crystal. 

a)

b)

30μm

30μm

  Figure 10.16:  Liquid‐crystal  cells  built  using  BSG‐defining  metal‐on‐glass  electrodes viewed under polarization microscope. a) off state; b) on state. 

The  images  in  Figure  10.16  were  obtained  under  polarization  microscope.  They  illustrate clear liquid‐crystal actuation on a 5μm bit scale, which meets the requirements  for LC‐actuated reprogrammable BSGs in high index‐contrast waveguide systems. 

10.3   Liquid‐Crystal Reprogra mmab le BSGs   

181

10.3.4 CMOS-controlled BSG in LC In order to demonstrate the dynamic and reprogrammable actuation of BSG patterns, a  custom  complimentary  metal‐oxide‐silicon  (CMOS)  microchip  was  designed.  This  chip  is capable of actuating liquid crystal on a 4.8μm bit‐by‐bit scale. It is based on the layout  illustrated in Figure 10.17 and consists of four grating‐actuation columns, each with 1940  bits.  The  chip  was  designed  by  Jeffrey  Weiss  and  by  the  author  and  manufactured  through  the  MOSIS  prototyping  service  using  AMI  Semiconductor’s  AMI‐ABN  1.5μm  process. It allows each of the grating lines to be driven by one of two externally supplied  analog  signals,  as  determined  by  a  dynamically  loaded  bit  pattern.  Digitally,  this  chip  has the structure of a shift register, and bits are loaded into it sequentially. 

9.4 MM Width 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

1 Waveguides in serpentine pattern

2 3 4

5 6

P A D S 4 0 0 u m

9.7 MM Height 9.312 mm long 64.8 um wide segment grating region 1940 bits per column

7 8

9 10 1.620 mm from left chip edge to left grating edge

3.828 mm from left edge Fiber pair output Waveguide 4

8.244 mm from left edge 6.036 mm from left edge

Fiber pair input Waveguide 1

Figure 10.17:  Layout of the CMOS designed to reprogrammably actuated liquid‐ crystal  in  a  BSG  pattern.  The  chip  is  divided  into  4  columns  holding  1940  bits  each. Each grating bit is 4.8mm long. 

 

182   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

The microchip was treated with Rolic LPP ROP‐202/2CP to align liquid crystal along  the metal electrodes. It formed the basis of 5μm‐thick LC cells constructed using spacer‐ impregnated  epoxy  glue.  An  indium‐tin‐oxide  (ITO)  coated  glass  plate  treated  with  buffed  polyimide  was  used  as  the  top  electrode  and  induced  perpendicular  (90o  twist)  LC  alignment.  Cells  were  filled  with  ZLI‐5400‐100  liquid  crystal  from  Merck  using  capillary action. 

a)

b)

Power & data bus

Circuitry

100μm

c)

Grating electrodes

120μm

120μm

d)

Grating electrodes

120μm

  Figure 10.18:  CMOS  actuation  of  liquid‐crystal  in  BSG  pattern.  a)  the  chip  viewed with standard microscopy; and under polarization microscopy with b) all  bits off, c) alternating on/off bit groups and d) pseudorandom pattern. 

Figure  10.18a shows a section of the CMOS microchip under standard microscopy. It  reveals  the  grating  area,  which  runs  vertically  through  the  micrograph  and  is  flanked  laterally  by  circuitry.  Figure  10.18b  to  Figure  10.18d  display  the  chip  as  part  of  a  complete LC cell and with different bit patterns loaded. The images were captured using 

10.4   Other Work   

183

polarization  microscopy.  They  illustrate  the  CMOS‐controlled  reprogrammable  actuation  of  BSG‐like  patterns  in  liquid  crystal  on  the  same  scale  necessary  for  a  reprogrammable BSG device. 

10.4 Other Work The following are two demonstrations of BSG operation that have been pursued outside  of  the  research  program  presented  in  this  manuscript.  They  are  described  in  detail  elsewhere and are included here for the sake of completeness. 

10.4.1 Self-collimated multi-wavelength lasers BSG‐based self‐collimated multi‐wavelength lasers use a rectangular resonant cavity to  generate  several  wavelengths  of  light  simultaneously.  Each  wavelength  is  emitted  at  slightly  different  direction,  permitting  easy  separation.  The  device,  depicted  in  Figure  10.19,  was  conceived,  designed  and  implemented  by  Dr.  Martin  Fay.  Experimental  results are reported in [3] and clearly demonstrate BSG operation. 

  Figure 10.19:  Self‐collimated  multi‐wavelength  laser.  This  laser  is  based  on  a  rectangular  BSG  resonant  cavity  and  simultaneously  produces  several  wavelengths. Each wavelength leaves the device at a distinct direction, allowing  easy separation. 

184   

CHA PTER 10.   EXPERIMENTAL PROG RESS

10.4.2 Tunable distributed feedback (DFB) lasers [4] reports a distributed feedback (DFB) laser based on the binary superimposed grating  and implemented in an InGaAsP material system. The laser boasts a wide tuning range  of  25nm  and  considerable  side‐mode  suppression  of  ‐42dB.  It  provides  a  clear  demonstration  of  the  binary  superimposed  grating,  which  shares  its  structure  and  physics (but not design approach) with the BSG. 

10.5 Conclusions The  experimental  work  presented  in  this  chapter  provides  clear  demonstration  of  the  BSG’s  basic  operation  in  both  the  counter‐directional  and  co‐directional  regimes.  It  furthermore illustrates the BSG’s application to active (laser) systems and demonstrates  several aspects of the implementation of reprogrammable BSGs using liquid crystal. 

10.6 Bibliography [1]

M.  F.  Fay,  ʺBinary  supergratings:  aperiodic  optics  for  spectral  engineering,ʺ  Ph.D.  dissertation, Div. of Eng., Brown University, Providence, RI, 2003. 

[2]

M. F. Fay, D. Levner, and J. M. Xu, ʺBinary supergratings in a novel lateral satellite  grating  configuration,ʺ  Optical  Fiber  Communications  Conference,  2003.  Washington:  Optical Society of America, 2003. 

[3]

M.  F.  Fay,  P.  Mathieu,  A.  J.  SpringThorpe,  and  J.  M.  Xu,  ʺSelf‐collimated  multiwavelength  laser  enabled  by  the  binary  superimposed  grating:  concept,  design,  theory,  and  proof‐of‐principle  experiment,ʺ  1999  IEEE  LEOS  Annual  Meeting Conf. Proc., vol. 1, pp. 335‐336, Nov. 1999. 

[4]

M.  Müller,  M.  Kamp,  A.  Forchel,  and  J.‐L.  Gentner,  ʺWide‐range‐tunable  laterally  coupled  distributed  feedback  lasers  based  on  InGaAsP‐InP,ʺ  Appl.  Phys.  Lett.,  vol.  79, pp. 2684‐2686, Oct. 2001. 

[5]

H. Desmet, W. Bogaerts, A. Adamski, J. Beeckman, K. Neyts, and R. Baets, ʺSilicon‐ on‐insulator  optical  waveguides  with  liquid  crystal  cladding  for  switching  and  tuning,ʺ  European  Conference  and  Exhibition  on  Optical  Communication  (ECOC),  Rimini, Italy, vol. 5, pp. 46‐47, Sept. 21‐25 2003.  

 

Chapter 11 Future Directions The  following  are  promising  directions  for  future  research,  which  extend  the  work  presented in this manuscript. 

11.1 Demonstration of a Reprogrammable BSG The  effort  to  produce  a  reprogrammable  BSG  actuated  using  liquid  crystal  (LC),  as  described  in  Section  10.3,  has  not  yet  come  to  fruition.  However,  the  building  blocks  necessary  for  such  a  device  are  now  in  place.  The  remaining  challenges  with  LC  alignment  can  be  mitigated  by  employing  planarized  CMOS  and  waveguide  chips.  Planarized CMOS chips are already industry‐standard for LC‐on‐silicon (LCoS) devices,  which  are  typically  used  as  small‐area  high‐resolution  display  elements  for  video  projectors [1].  An  alternative  course  to  the  demonstration  of  a  reprogrammable  BSG  device  is  through thermal actuation, as described in Section  9.3. A thermally actuated device can  be  implemented  using  silica‐on‐silicon  waveguides  and  metal‐wire  heaters.  Such  waveguide  and  heater  devices  are  produced  regularly  in  glass‐waveguide  foundries,  providing a potentially simple development path. 

185

186   

CHA PTER 11.   FUTURE DIRECTI ONS

11.2 Sub-bit Delta-Sigma Modulation As  Section  6.4.1  argues,  the  incremental  resolution  available  lithographically  is  several  times better than the minimum feature size. Consequently, there is an untapped degree  of freedom available in varying bit widths on a bit‐by‐bit basis. Sub‐bit modulation has  the potential to drastically increase the effective oversampling ratio and, consequently,  enhance modulation quality. This may prove particularly useful for counter‐directional  devices,  which  operate  at  the  limit  of  lithographic  resolution  and  are  prone  to  optical  loss through radiation‐mode coupling. Using this method, grating Fourier components  that  play  a  strong  role  in  such  scattering  could  be  attenuated  without  harm  to  the  oversampling ratio or increase in lithographic resolution. 

11.3 Analog Synthesis under Chromatic Dispersion Chromatic  dispersion  can  have  a  strong  effect  on  grating  spectra,  especially  in  high  index‐contrast  waveguide  systems  where  it  is  most  common.  However,  algorithms  capable of synthesizing gratings in the face of such dispersion are not yet available in the  literature.  Section  5.5.2 describes an extension to the analog synthesis algorithms of Section  5.4  that provides a means for dealing with chromatic dispersion. This extended algorithm is  capable  of  handling  moderate  dispersion,  which  expresses  itself  mainly  in  the  wavelength dependence of the waveguide propagator matrices. More severe dispersion  expresses  itself  in  the  wavelength  dependence  of  the  coupling  matrices  as  well.  As  Section  5.5.2  outlines,  this  dependence  could  be  addressed  through  the  “causal  continuation”  of  the  coupling  matrix  data.  Such  continuation  relates  the  more  readily  obtained  frequency‐domain  description  to  the  time‐domain  description  necessary  for  impulse‐response based synthesis. 

11.4   Improved Optimiz ation‐based Synthesis   

187

11.4 Improved Optimization-based Synthesis The  direct  synthesis  method  of  Section  7.2  typically  fails  to  produce  the  high‐fidelity  spectra  for  which  it  was  conceived.  It  seems  that  the  high‐temperature  portion  of  the  simulated‐annealing procedure fails to detect local minima of the cost function, making  that stage of optimization ineffective. On the other hand, once a local minimum has been  isolated, the optimization search seems to remain stuck within it and not explore other  minima. These characteristics are  indicators of  an annealing schedule that is too rapid.  However, slower annealing schedules than that used to obtain the results of Section  7.2  are likely too slow for practical use.  The  difficulty  with  simulated  annealing  may  be  explained  by  inferring  that  the  minima  of  typical  BSG  synthesis  cost  functions  are  narrow  and  widely  separated,  as  illustrated  in  Figure  11.1.  This  observation  can  be  used  to  inform  the  optimization  procedure.  For  example,  a  more  successful  algorithm  may  involve  a  rapid  decent  to  some  minimum  followed  by  a  reannealing  procedure,  wherein  the  temperature  is  suddenly  or  gradually  raised.  Such  a  method  may  allow  the  optimization  search  to  spend  more  time  at  those  energy  levels  that  best  facilitate  the  sampling  of  different 

Cost

minima. 

Optimization coordinate

 

Figure 11.1:  The  inferred  character  of  the  optimization  cost  function  in  BSG  synthesis: narrow peaks that are widely separated. 

188   

CHA PTER 11.   FUTURE DIRECTI ONS

11.5 Sectionally Tuned BSG The reprogrammable BSG presented in  Chapter 9 calls for the independent actuation of  individual bits. Such actuation results in a highly capable device, but the large number  of independent controls which it requires can pose an implementation challenge. More  limited  and  application‐specific  functionality  that  still  carries  considerable  advantage  over other technologies may be attained by dividing the BSG into groups of bits that are  tuned  together.  This  can  correspond  to  a  fixed‐program  BSG  that  is  partitioned  into  sections,  with  each  section  subject  to  bulk  actuation.  As  a  further  advantage,  such  a  sectioned  device  may  operate  in  the  counter‐directional  modality,  which  involves  dramatically shorter waveguide lengths than in the co‐directional case. 

11.6 Two-Dimensional BSG Synthesis The BSG concept can be extended to encompass two‐dimensional structures, such as the  one  illustrated  in  Figure  11.2.  Such  structures  may  be  useful  for  devices  with  many  inputs  or  outputs,  such  as  wavelength  multiplexers  and  demultiplexers,  as  they  overcome  the  two‐waveguide  nature  inherent  to  the  directional‐coupler  configuration.  These  structures  may  also  be  used  to  emulate  photonic  bandgap  devices,  which  have  been the subject of considerable interest in recent years [2], [3]. 

  Figure 11.2:  Wavelength demultiplexer based on a two‐dimensional BSG. 

11.7   Conclusions   

189

Two‐dimensional  BSGs  are  characterized  by  an  array  of  binary  pixels  and  similarly  constitute a two‐dimensional optical program. This program may be synthesized using  algorithms  analogous  to  the  two‐step  method  of  one‐dimensional  BSG  synthesis.  The  quantization  step  of  such  two‐dimensional  algorithms  may  be  carried  out  using  a  modified form Floyd‐Steinberg dithering  [4] – a feedback‐based technique analogous to  DSM  intended  for  the  quantization  (dithering)  of  graphical  images.  Unfortunately,  the  analog  synthesis  step  is  more  problematic  in  the  two‐dimensional  case,  as  the  known  algorithms are very limited in their capabilities. 

11.7 Conclusions [1]

G.  Voltolina,  ʺLiquid  Crystal  Meets  Silicon  in  Projection  Displays,ʺ  Semiconductor  International, vol. 25, pp. 57‐59, Dec. 2002. 

[2]

E.  Yablonovitch,  ʺInhibited  spontaneous  emission  in  solid‐state  physics  and  electronics,ʺ Phys. Rev. Lett., vol. 58, pp. 2059‐2062, May 1987. 

[3]

J.  D.  Joannopoulos,  R.  D.  Meade,  and  J.  N.  Winn,  Photonic  crystals.  Princeton:  Princeton Univ. Press, 1995. 

[4]

C.  Hains,  S.‐G.  Wang,  and  K.  Knox,  ʺDigital  color  halftoning,ʺ  in  Digital  Color  Imaging Handbook, G. Sharma, Ed. Boca Raton: CRC Press, 2003, pp. 457‐470. 

       

 

Chapter 12 Conclusions The Binary Supergrating (BSG) is a digital approach to spectral engineering that enables  the  programmable  and  near‐arbitrary  control  of  optical  amplitude  and  phase  spectra  using  a  simple,  robust  and  practical  structure.  It  strives  to  combine  the  manufacturability of binary gratings with the flexibility of analog modulation. It does so  by  considering  the  structure’s  binary  bit  pattern  as  an  adaptable  optical  program  that  can  be  synthesized  ab  initio.  Correspondingly,  the  BSG’s  capacity  for  near‐arbitrary  spectral  control  stems  from  the  power  of  BSG  synthesis  algorithms,  which  determine  this program.   The  two‐step  approach  to  BSG  synthesis  affords  unprecedented  flexibility  in  the  design  of  Bragg‐domain  diffractive  spectra  by  providing  a  means  to  harness  the  knowledgebase  of  analog  grating  design.  Band‐pass  Delta‐Sigma  modulation  (DSM)  proves well‐matched to the demands of the binarization step of this method and offers  structural transformation based on the principle of key information. Through baseband  exclusion, band‐pass modulators are capable of quantizing optical structures with strong  diffractive features and provide a powerful and efficient method for synthesizing Binary  Supergratings. An alternative one‐step method for BSG synthesis approaches the design 

191

192   

CHA PTER 12.   CONCLUSIONS

as a combinatorial optimization problem. It provides a means for synthesis when DSM is  undesirable or where no suitable analog synthesis algorithms exist.  As  a  digital  approach  to  spectral  engineering,  the  BSG  presents  many  of  the  same  advantages offered by the digital approach to electronic signal processing (DSP) over its  analog predecessors. As such, it has potential importance for many domains of optical  manipulation.  This  is  especially  the  case  when  the  BSG  incorporates  reprogrammable  means of actuation. The reprogrammable form, which stands as a universal wavelength  processor,  promises  unique  benefits  to  dynamic  optical  systems.  Both  the  fixed  and  reprogrammable  forms  of  the  BSG  have  a  numerous  potential  uses  in  optical  telecommunications, spectroscopy, and chemical/biological sensing.   

Suggest Documents