BR102013030623B1 - Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateralmente acoplados a um ressoador magneto-óptico - Google Patents

Abstract

Chave óptica compactada baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateral acoplados a um ressoador magneto-óptico. A presente invenção, baseada em um cristal fotônico bidimensional onde são inseridos defeitos de forma controlada, funciona como uma chave que possui dois estados (on e off) e que promove a inversão do sentido de propagação de um sinal eletromagnético, oferecendo maior flexibilidade no design de circuitos ópticos integrados. Um sinal pode tanto ser transmitido (on) como bloqueado (off) dependendo do valor de um campo magnético DC aplicado. O principio de funcionamento do dispositivo é baseado na orientação de um modo dipolo, excitado na cavidade ressonante, de acordo com um campo magnético DC. Quando não ocorre a aplicação do referido campo, o dipolo possui os nós alinhados com o guia de saída e o dispositivo encontra-se no estado off. Quando há a aplicação de um campo magnético DC Ho, o dipolo passa a girar e o dispositivo encontra-se no estado on.

Description

A presente invenção refere-se a uma chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateralmente acoplados a um ressoador magneto-óptico. Tem como função principal o controle da propagação de um sinal eletromagnético ao longo de um canal de comunicações, permitindo ou interrompendo a passagem do mesmo.

A demanda crescente por circuitos com alta escala de integração de componentes, em especial na área da indústria óptica, requer o desenvolvimento de novos dispositivos, com dimensões cada vez menores. Dentre esses dispositivos, destacam-se as chaves (em inglês, switches).

A função de um switch é permitir, ou interromper, a passagem de um sinal eletromagnético ao longo de um canal de comunicações óptico. Portanto, pode-se dizer que o mesmo possui dois estados, que são: estado ligado (em inglês, on), em que o switch transmite o sinal, com baixas perdas de inserção; estado desligado (em inglês, off), em que o dispositivo interrompe a propagação do sinal.

A função de chaveamento não é necessária apenas em redes e circuitos ópticos. Um simples interruptor que liga ou desliga uma lâmpada, por exemplo, controla a passagem de uma corrente elétrica que aciona o dispositivo. Entretanto, em sistemas ópticos, são necessárias novas tecnologias para a realização dessa tarefa.

Uma das tecnologias que está em evidência é aquela baseada em “Cristais Fotônicos”. São estruturas em que ocorre a modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos materiais que as constituem. Possuem uma banda de frequências proibida fotônica, também conhecida como photonic band gap. Ondas eletromagnéticas com frequência situada nesta banda não podem se propagar dentro da estrutura cristalina.

A criação de defeitos controlados dentro da estrutura cristalina e a existência do photonic band gap estão ligados ao princípio de funcionamento de boa parte dos dispositivos ópticos baseados em cristais fotônicos.

Várias patentes já foram depositadas sobre dispositivos baseados em cristais fotônicos, para utilização na indústria óptica.

Destaca-se, entre outras, a patente CN101571657, que trata de um switch completamente óptico. Basicamente, o dispositivo em questão é composto por um cristal fotônico bidimensional, por dois guias de onda e por uma cavidade ressonante (ressoador). O cristal é formado por uma rede triangular de furos, preenchidos com ar, em um material com propriedades não lineares. No cristal são criados defeitos, de forma controlada, que dão origem aos guias e à cavidade. Um sinal presente em um dos guias pode ser transmitido (estado on), ou não (estado off), para o outro guia, dependendo de um sinal de controle óptico que controla a transição entre os estados do switch. A transição entre os estados é controlada a partir da modificação do índice de refração do material não linear, que por sua vez varia de acordo com a magnitude do sinal de controle. Este fenômeno é conhecido como “efeito Kerr”.

Já o switch descrito pela patente US2005249455 é baseado em um guia de onda óptico, cujo núcleo é composto por um cristal fotônico bidimensional em que dois ou mais materiais, com diferentes índices de refração, são arranjados periodicamente no espaço. O estado em que o switch se encontra é determinado pelo valor do índice de refração dos materiais, que por sua vez pode ser controlado de várias maneiras. Neste caso, a injeção de uma corrente elétrica através de eletrodos presentes na estrutura ou a incidência de um sinal luminoso de controle (semelhante ao switch descrito pela patente anterior) altera o valor deste parâmetro.

Vale ressaltar também o switch descrito pela patente JP2003215646. Entre dois guias de onda ópticos, é inserido um elemento que permite, ou não, a passagem do sinal eletromagnético. Este elemento é composto por um cristal fotônico bidimensional e um par de eletrodos. Dependendo do valor da tensão elétrica aplicada entre os dois eletrodos, o sinal pode ser transmitido do guia de entrada para o de saída (estado on) ou ser totalmente refletido pelo cristal fotônico, não se propagando através do guia de saída (estado off).

Vários são os exemplos de switches que se baseiam na tecnologia de cristais fotônicos. Como se pode verificar, a principal diferença entre eles é o processo que promove a transição entre os estados. O switch descrito pela patente JP2006184618, por exemplo, baseia-se em um cristal fotônico bidimensional e na modificação do índice de refração de um dos materiais constituintes de acordo com a temperatura.

A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional, constituído por um material magneto-óptico onde são inseridos furos de ar. A permissividade elétrica do material pode ser modificada por um campo magnético DC. O estado em que o dispositivo se encontra (on ou off) depende do referido campo.

Com o crescente aumento na demanda por largura de banda em redes e circuitos ópticos, o aumento da densidade de integração de dispositivos tem se tornado cada vez mais evidente. Isso implica a miniaturização de componentes, aos níveis dos chips ópticos, requerendo o desenvolvimento de novas tecnologias.

Uma das limitações que existe na tecnologia de fibras ópticas diz respeito ao ângulo de dobramento das mesmas. Por conta de limitações físicas, relacionadas ao princípio de funcionamento das mesmas, o ângulo de dobramento a que elas podem ser sujeitadas é restrito, o que dificulta a sua utilização em aplicações que exijam uma mudança mais acentuada e rápida da direção do sinal eletromagnético.

Os guias de onda baseados em cristais fotônicos superam essa dificuldade, pois o funcionamento dos mesmos não se baseia no princípio da reflexão interna total (caso das fibras ópticas), mas sim na existência do photonic band gap.

Entre as principais vantagens que a invenção aqui apresentada possui, destaca-se a inversão do sentido de propagação de um sinal eletromagnético, oferecendo mais flexibilidade no design de circuitos ópticos integrados. Por ter dimensões reduzidas, pode promover maior densidade de integração em sistemas ópticos.

Além disso, por funcionar com magnetização uniforme, o circuito de magnetização da estrutura é simplificado e pode ser baseado em um eletroímã, onde a intensidade da corrente elétrica que o atravessa determina a intensidade do campo gerado. Destaca-se também a alta largura de banda, as baixas perdas de inserção no estado on e a alta isolação no estado off.

De modo geral, a estrutura é composta por um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos dois guias de onda, através da remoção de duas fileiras de furos de ar, e uma cavidade ressonante, através da alteração dos raios e das posições dos furos localizados entre os dois guias de onda. Um sinal, aplicado em um dos dois guias de onda, é transmitido para o outro guia de acordo com o campo magnético DC aplicado. Se não houver a aplicação do campo, o dispositivo encontra-se no estado off e não há transmissão do sinal. A aplicação de um campo magnético DC H0 promove a transição para o estado on e a transmissão do sinal para o outro guia.

De modo específico, o dispositivo possui as seguintes características: - o cristal fotônico em que é baseado o dispositivo é composto por uma rede triangular de furos preenchidos com ar em um semicondutor magnético; - o raio dos furos de ar é igual a 0,3a (a é a constante de rede do cristal); - dois guias de onda são inseridos no cristal fotônico através da remoção de furos de ar em linha reta. Os guias são conectados simetricamente a um ressoador magneto-óptico e formam entre si um ângulo de 180°; - um ressoador magneto-óptico é inserido no cristal fotônico bidimensional, através da variação do raio de alguns furos localizados entre os dois guias de onda e da alteração das posições que os mesmos ocupam; - a aplicação de um campo magnético DC controla o estado em que o dispositivo se encontra; - no estado off, um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante e os nós do modo são alinhados com o guia de onda de saída, de modo que neste não é excitada uma onda eletromagnética; - no estado on, um modo dipolo girante é excitado na cavidade ressonante, de modo que no guia de onda de saída é excitada uma onda eletromagnética; - o material magneto-óptico no qual são inseridos os furos de ar é anisotrópico e descrito pelas seguintes expressões para a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética:

onde: - ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro); - ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro); - μ é a permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro); - μ é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro); - g é um parâmetro proporcional à intensidade do campo magnético DC aplicado.

São apresentadas, a seguir, as figuras que ilustram o funcionamento do dispositivo em questão, bem como é descrita detalhadamente a invenção desenvolvida.

As figuras 1a e 1b apresentam, de modo esquemático, o switch operando nos estados on e off, respectivamente.

As figuras 2a e 2b apresentam os autovetores V1 e V2, respectivamente, que correspondem a dois modos dipolo ortogonais do ressoador magneto-óptico, com frequência de ressonância w0. A figura 2c apresenta os modos girantes V+ e V-, que giram em sentidos opostos e com a mesma frequência w0. A figura 2d apresenta os modos girantes Vm+ e Vm-, que giram em sentidos opostos e com frequências distintas w+ e w-.

A figura 3 é um corte do dispositivo que mostra a estrutura periódica do cristal fotônico, os dois guias de onda retilíneos 301 (entrada) e 302 (saída), a cavidade ressonante e a componente Hz do campo eletromagnético no switch operando no estado on, para excitação no guia 301, na frequência central normalizada wa/2πc = 0,30518, onde w é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal fotônico (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo).

A figura 4 é um corte do dispositivo que mostra a estrutura periódica do cristal fotônico, os dois guias de onda retilíneos 401 (entrada) e 402 (saída), a cavidade ressonante e a componente Hz do campo eletromagnético no switch operando no estado off, para excitação no guia 401, na frequência central normalizada wa/2πc = 0,30518.

A figura 5 apresenta a resposta em frequência do switch operando nos estados on e off.

Considerando o caso em que ocorre a aplicação de um campo magnético DC H0, representado na figura 1a, um sinal, aplicado no guia 101 (entrada) excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo girante 103. Deste modo, ocorre a transmissão do sinal para o guia 102 (saída). Este é o estado on do dispositivo e o valor do parâmetro g, neste caso, é igual a 0,3. Neste caso, o sinal que atravessa o guia de entrada tem o sentido esquerda ^ direita, enquanto que o sinal que atravessa o guia de saída tem o sentido inverso, ou seja, direita ^ esquerda.

Quando não ocorre a aplicação de um campo magnético DC H0, situação representada na figura 1b, um sinal, aplicado no guia 104 (entrada) excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo estacionário 106. Como os nós do dipolo estão alinhados com o guia 105 (saída), neste não são excitadas ondas eletromagnéticas, ou seja, não há transmissão do sinal. Este é o estado off do dispositivo e o valor do parâmetro g, neste caso, é igual a 0.

Este comportamento é mais facilmente compreendido a partir de uma análise do ressoador magneto-óptico sem cargas, ou seja, sem a presença dos guias de onda. Neste caso, o ressoador suporta dois modos dipolo ortogonais e degenerados, associados a autovetores V1 (figura 2a) e V2 (figura 2b). Quaisquer combinações lineares entre eles, por exemplo, V+ = V1 + iV2 e V- = V1 - iV2 (figura 2c) também são autovetores. Esses últimos são degenerados e apresentam rotação em sentidos opostos (horário e anti-horário), porém com a mesma frequência de ressonância w0. A aplicação de um campo magnético DC H0 remove a degenerescência dos modos V+ e V-, fazendo com que eles passem a girar com diferentes frequências w+ e w- (modos Vm+ e Vm-, figura 2d).

A conexão dos dois guias de onda ao ressoador magneto-óptico, no caso não magnetizado, remove a degenerescência dos modos V1 e V2. Esses modos, que antes giravam com a mesma frequência w0, passam a girar com frequências distintas w1 e w2, respectivamente. Quanto maior o acoplamento entre o ressoador e os guias, maior a diferença entre as duas frequências. No caso magnetizado, a conexão dos guias à cavidade também altera as frequências dos modos Vm+ e Vm-.

O estado on (figura 3) é obtido com a aplicação do campo magnético DC H0 (g = 0,3) e corresponde à utilização de um dos modos girantes Vm+ ou Vm- (representados pela seta arqueada localizada no centro da figura 3). Já o estado off (figura 4) é obtido sem a aplicação da magnetização (g = 0) e corresponde a um modo estacionário formado por V2 - Vi, cujos nós estão alinhados com o guia de saída. O ajuste do parâmetro l (distância entre cada um dos guias de onda e o centro do ressoador, representado nas figuras ia e ib) é fundamental no processo de otimização da resposta em frequência do dispositivo. Nesta invenção, o parâmetro l é igual a 1047,6 nm e a relação l/À0 é igual a 0,67, onde À0 corresponde ao comprimento de onda no espaço livre no qual ocorre a ressonância mostrada na figura 5.

A resposta em frequência do switch, considerando a excitação na porta i, é mostrada na figura 5. O dispositivo apresenta, na frequência normalizada wa/2πc = 0,30518, perdas de inserção de -1,3 dB (coeficiente de transmissão no estado on) e isolação de -37 dB (coeficiente de transmissão no estado off). A largura de banda, no nível de isolação de -15 dB, é de 71 GHz.

Claims (4)

1. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateralmente acoplados a um ressoador magneto-óptico, composta por um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos dois guias de onda e uma cavidade ressonante com constante de rede a, raio de furos da rede cristalina de 0,3a e I/À0 igual a 0,67 onde I é a distância entre cada um dos guias de onda e o centro do ressoador e é igual a 1047,6 nm e À0 é o comprimento de onda no espaço livre, caracterizada por ser controlada através da aplicação de um campo magnético DC para permitir ou bloquear a passagem de um fluxo luminoso.

2. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateralmente acoplados a um ressoador magneto-óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, no caso em que ocorre a aplicação de um campo magnético DC Ho sobre o material de que é feito o dispositivo ou, equivalentemente, quando o parâmetro g é igual a 0,3, um sinal aplicado no guia de onda de entrada (101) excita um modo dipolo girante (103) no ressoador, que por sua vez excita o guia de onda de saída (102), de modo que ocorre a inversão do sentido de propagação do sinal eletromagnético aplicado no dispositivo, já que o sinal no guia de onda de entrada (101) se propaga da esquerda para a direita e o sinal no guia de onda de saída (102) se propaga da direita para a esquerda.

3. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional e em guias de onda lateralmente acoplados a um ressoador magneto-óptico de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que um modo dipolo excitado na cavidade ressonante pode tanto ser girante (103) no estado on como pode ser estacionário (106) no estado off, a depender de um campo magnético DC aplicado sobre o dispositivo, com o modo dipolo estacionário no estado off sendo excitado a partir de um sinal aplicado no guia de onda de entrada (104) e possuindo nós alinhados com o guia de onda de saída (105).

4. Chave óptica compacta de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que é operada na frequência central normalizada wa/2πc = 0,30518 com a aplicação de um campo magnético DC HO sobre o dispositivo para minimizar as perdas de inserção entre os guias de onda de entrada (301) e de saída (302) ou com a remoção do referido campo magnético HO para maximizar a isolação entre os guias de onda de entrada (401) e de saída (402).

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