BR102013030624B1

BR102013030624B1 - Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico

Info

Publication number: BR102013030624B1
Application number: BR102013030624-0A
Authority: BR
Inventors: Victor Dmitriev; Gianni Masaki Tanaka Portela; Daimam Darlam Zimmer
Original assignee: Universidade Federal Do Para
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2021-10-13
Also published as: BR102013030624A8; BR102013030624A2; WO2015070305A1

Abstract

chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico. a presente invenção é uma chave óptica que promove o controle da transmissão de um sinal eletromagnético em dispositivos ópticos. é baseada em um cristal fotônico bidimensional onde são inseridos defeitos de forma controlada. o dispositivo possui dois estados (on e off), sendo a transição entre os mesmos controlada a partir da variação de um campo magnético dc externo h0. no estado on ocorre a transmissão de sinal, com baixas perdas de inserção, enquanto que no estado off o sinal é bloqueado, com alta isolação entre os guias de onda de entrada e de saída. o funcionamento do dispositivo é baseado na orientação de um modo de dipolo, excitado na cavidade ressonante por um sinal eletromagnético. quando não ocorre a aplicação do campo h0, os nós do dipolo alinham-se de modo perpendicular ao eixo dos guias de onda, ocorrendo a transmissão do sinal (estado on). por outro lado, a aplicação do campo h0 faz com que o modo dipolo sofra uma rotação por 90°, de modo que os seus nós alinham-se paralelamente ao eixo dos guias de onda, interrompendo a transmissão do sinal (estado off).

Description

[001] A presente invenção refere-se a uma chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico. Em circuitos ópticos, uma chave (em inglês, switch) permite o controle do fluxo de um sinal eletromagnético, transmitindo-o ou interrompendo-o ao longo do circuito.

[002] Um switch possui dois estados de funcionamento. São eles: estado ligado (em inglês, on), onde o sinal é transmitido pelo dispositivo, com baixas perdas de inserção; estado desligado (em inglês, off), onde a propagação do sinal eletromagnético é interrompida pelo dispositivo.

[003] Uma das tecnologias que se destaca é a baseada em “Cristais Fotônicos”. Nestas estruturas ocorre a modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos materiais que as constituem. Esta periodicidade dá origem a uma banda fotônica de frequências proibidas, conhecida como photonic band gap. Ondas eletromagnéticas com frequência nesta banda não podem se propagar dentro da estrutura cristalina.

[004] Diversas patentes sobre dispositivos baseados em cristais fotônicos para utilização na tecnologia óptica já foram depositadas. A seguir serão citadas algumas delas.

[005] A patente CN101571657 trata de um switch composto por um cristal fotônico bidimensional, dois guias de onda e uma cavidade ressonante (ressoador). O cristal é formado por uma rede triangular de furos, preenchidos com ar, inseridos 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 promove 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”.

[006] A patente US2005249455 refere-se a um switch óptico 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.

[007] A patente JP2003215646 faz referência a um switch composto por um cristal fotônico inserido entre dois guias de onda. A transição entre os estados é controlada através do ajuste da tensão aplicada entre dois eletrodos que compõem o dispositivo. Dependendo do valor deste parâmetro, um sinal eletromagnético é transmitido ou não de um guia para o outro.

[008] Por fim, o dispositivo descrito pela patente JP2006184618 baseia-se em um cristal fotônico bidimensional, onde são inseridos guias de onda, em que um dos materiais constituintes tem o valor do seu índice de refração controlado pela temperatura. O correto ajuste da temperatura do dispositivo promove a transição entre os estados on e off.

[009] Basicamente, o que distingue cada um dos switches citados anteriormente é o mecanismo utilizado para o controle da transição entre os dois estados dos dispositivos.

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

[011] O dispositivo apresentado possui grande largura de banda, baixas perdas de inserção no modo on e alta isolação no modo off. Também possui dimensões reduzidas, o que permite o aumento da escala de integração de componentes em sistemas ópticos.

[012] Em linhas gerais, o dispositivo é composto por um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos dois guias de onda, formados através da remoção de duas fileiras de furos de ar, e uma cavidade ressonante, formada através da alteração dos raios e das posições dos furos localizados entre os dois guias de onda.

[013] Um sinal eletromagnético, aplicado em um dos dois guias de onda, é transmitido para o outro guia de acordo com o valor do campo magnético DC externo Ho aplicado. Caso a intensidade de Ho seja igual a zero, o dispositivo encontra-se no estado on e ocorre a transmissão do sinal do guia de entrada para o de saída, com baixas perdas de inserção. Por outro lado, para um determinado valor de Ho diferente de zero, o dispositivo encontra-se no estado off e o sinal presente no guia de entrada não será transmitido para o de saída.

[014] De modo mais detalhado, o dispositivo possui as seguintes características:

[015] - o cristal fotônico em que é baseado o dispositivo é composto por uma rede triangular de furos preenchidos com ar em um semicondutor magnético;

[016] - o raio dos furos de ar é igual a 0,3a (a é a constante de rede do cristal);

[017] - 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;

[018] - 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;

[019] - o valor da intensidade de um campo magnético DC externo define o estado em que o dispositivo se encontra;

[020] - no estado on, um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante e os nós do modo são alinhados perpendicularmente ao eixo dos guias de onda, de modo que no guia de saída são excitadas ondas eletromagnéticas;

[021] - no estado off, um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante e os nós do modo são alinhados paralelamente ao eixo dos guias de onda, de modo que no guia de saída não são excitadas ondas eletromagnéticas;

[022] - 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:

[023]

[024] Onde:

[025] - ε é a permissividade elétrica do material;

[026] - ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre;

[027] - μ é a permeabilidade magnética do material;

[028] - μ0 é a permeabilidade magnética do espaço livre;

[029] - g é um parâmetro que depende da intensidade do campo magnético DC aplicado.

[030] A seguir, serão apresentadas as figuras que auxiliam a descrição do dispositivo e do princípio de funcionamento relacionado.

[031] As figuras 1a e 1b representam, de forma esquemática, o switch operando nos estados on e off, respectivamente.

[032] As figuras 2a e 2b representam dois autovetores Vi (alinhado com o eixo x) e V2 (alinhado com o eixo y), respectivamente. A figura 2c representa dois modos degenerados tipo dipolo V+e V, girando em sentido opostos e com a mesma frequência o)0. A figura 2d representa dois modos não degenerados tipo dipolo Vm+ e Vm’, girando com frequências distintas o)+ e oí, respectivamente, sob influência de um campo magnético DC externo Ho.

[033] As figuras 3 e 4 ilustram o switch operando nos estados on e off, respectivamente. Nelas estão representados a rede triangular de furos de ar inseridos em um material magneto-óptico que corresponde ao cristal fotônico, os guias de onda de entrada (301 e 401) e de saída (302 e 402), a cavidade ressonante localizada entre os guias de onda e a componente Hz do sinal eletromagnético no dispositivo.

[034] A figura 5 apresenta a resposta em frequência do dispositivo operando nos estados on e off. O eixo das abscissas contém os valores da frequência normalizada (adimensional) e o eixo das ordenadas contém o valor dos coeficientes de transmissão (em decibéis).

[035] No caso em que não ocorre a aplicação do campo magnético DC Ho, representado na figura 1a, o parâmetro g tem valor igual a zero. Neste caso, um sinal eletromagnético que se propaga pelo guia de entrada 101 excita a cavidade ressonante, formando um modo de dipolo estacionário 103 que permite a transmissão do sinal para o guia de saída 102. Esta situação corresponde ao estado on.

[036] Já no caso com a presença de um campo magnético DC Ho, representado na figura 1b, o parâmetro g apresenta valor igual a 0,3. Neste caso, um sinal eletromagnético que se propaga pelo guia de entrada 104 excita a cavidade ressoante. Porém, devido à aplicação do campo Ho, o dipolo 106 sofre uma rotação de 90°, quando comparado aquele representado na figura anterior. Neste caso, os nós do dipolo alinham-se paralelamente ao eixo dos guias de onda e não ocorre a passagem do sinal eletromagnético para o guia de saída 105. Esta situação corresponde ao estado off.

[037] A cavidade ressonante do dispositivo, sem a conexão de guias de onda, é descrita pelas figuras 2a, 2b, 2c e 2d. As figuras 2a e 2b apresentam dois autovetores Vi e V2 que representam os dois modos tipo dipolo suportados pelo ressoador, sendo Vi orientado ao longo do eixo x e V2 orientado ao longo do eixo y. Combinações lineares entre eles podem ser escritas como autovetores V+=Vi+iV2 e V=Vi-iV2, que giram em sentidos opostos e com a mesma frequência wo, representados na figura 2c. A aplicação de um campo magnético DC externo HOt representada na figura 2d, remove a degenerescência dos modos V+ e \A, transformando-os em modos não degenerados Vm+ e Vm‘ que giram com frequências w+ e uf, respectivamente.

[038] A frequência central de operação oa/2πc do dispositivo é igual a 0,303, onde tu 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 300.000.000 metros por segundo). Nas figuras 3 e 4 estão representados os comportamentos do dispositivo nos modos on e off, quando excitado por um sinal eletromagnético com frequência igual à central.

[039] A resposta em frequência do switch é mostrada na figura 5. O dispositivo apresenta perdas de inserção de -0,16 dB (coeficiente de transmissão no estado on) e isolação de -29 dB (coeficiente de transmissão no estado off). A largura de banda, no nível de isolação de -15 dB, é de 88 GHz.

Claims

1. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico, caracterizada por ser baseada em um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos dois guias de onda e uma cavidade ressonante, capaz de controlar o fluxo de um sinal eletromagnético, transmitindo-o ou interrompendo-o ao longo de um canal óptico, de acordo com a aplicação de um campo magnético DC externo, cujo princípio de funcionamento se baseia na excitação de modos dipolo estacionários, tanto no estado ligado, com os nós do dipolo (103) alinhados perpendicularmente ao eixo dos guias de onda (101) e (102), quanto no estado desligado, com os nós do dipolo (106) alinhados paralelamente ao eixo dos guias de onda (104) e (105).

2. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por possuir, na frequência central normalizada wa/2πc = 0,303, perdas de inserção entre os guias de onda de entrada (301) e saída (302) no estado ligado iguais a -0,16 dB e isolação entre os guias de onda de entrada (401) e saída (402) no estado desligado igual a -29 dB, enquanto que a largura de banda, no nível de -15 dB da curva de isolação, é de 88 GHz.