BR102015025268A2 - chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90º acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite. - Google Patents

Abstract

"chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 900 acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite". a presente invenção, é baseada em cristal fotônico bidimensional composto de cilindros dielétricos arranjados periodicamente de forma a montar uma rede quadrada. o dispositivo pode permitir que um sinal eletromagnético se propague do guia de entrada para o guia de saída, estado on, ou bloquear essa propagação, estado off. a transição entre os estados é controlada a partir da variação de um campo magnético dc externo ho. no estado on, situação na qual ocorre aplicação de campo magnético sobre a estrutura, ocorre a transmissão do sinal do guia de entrada para o guia de saída com baixas perdas de inserção, em quanto que no estado, situação onde não há aplicação de campo magnético sobre a estrutura, o sinal incidente é bloqueado com alta isolação, não transmitindo o sinal para o guia de saída. o dispositivo tem seu funcionamento baseado no principio de orientação do modo dipolo que surge pela excitação do sinal eletromagnético na cavidade ressonante. quando ocorre a aplicação do campo ho, os nós do dipolo alinham-se de modo a formar um ângulo de 450 com o eixo dos guias de onda, ocorrendo a transmissão do sinal (estado on). por outro lado, sem a aplicação do campo hoo modo dipolo tem o seu nó alinhado paralelamente ao eixo do guia de onda de saida, interrompendo a transmissão do sinal (estado ofd.

Description

Relatório Descritivo “Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite”.

[001] A presente invenção refere-se a uma chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada composto por guias de onda formando um ângulo de 90° entre si e frontalmente acoplados a um ressoador magneto-óptico. O dispositivo óptico apresentado, é uma chave (em inglês, switch) que permite à um circuito óptico realizar o controle do fluxo de um sinal eletromagnético, possibilitando que esse seja transmitindo ou interrompido.

[002] Um switch é projetado para apresentar dois estados de funcionamento, um estado ligado (em inglês, on) e um estado desligado (em inglês, off). No estado on, o sinal eletromagnético é transmitido pelo dispositivo, já no estado off, o sinal eletromagnético é bloqueado pelo dispositivo [003] Para o controle do fluxo eletromagnético em dispositivos ópticos, a tecnologia baseada em “Cristais Fotônicos” vem ganhado cada vez mais destaque. Estas estruturas são caracterizadas pela modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos materiais que as constituem. Há presença desta periodicidade da origem a uma banda de frequência onde o sinal eletromagnético não se propaga pela estrutura. Essa banda fotônica de frequências proibidas é conhecida como photonic band gap.

[004] Diversas patentes tratando de dispositivos baseados em cristais fotônicos já foram depositadas. A seguir serão citadas algumas delas.

[005] A patente CN104155777 (A) trata de um switch composto por um cristal fotônico com rede hexagonal de cilindros de silício embebidos por cristal líquido de índice de refração negativo, projetado para funcionar na faixa de frequência de Terahertz. O controle do dispositivo é feito pela aplicação de campo elétrico que faz mudar o índice de refração do material.

[006] A patente CN101571657 trata de um switch constituído por um cristal fotônico bidimensional, construído em um material com propriedades não lineares, onde foi feito furos de modo a criar uma rede triangular, sendo os furos preenchidos com ar. O dispositivo apresenta guias de onda e cavidade ressonante, que são criados pela alteração de forma controlada de defeitos gerados na rede. O dispositivo pode transmitir o sinal presente no guia de entrada (estado on) para o guia de saída, ou não (estado off). O controle da transição entre os estados é feita pela mudança do índice de refração do material não linear, que responde a variação da potência do sinal de controle. Este mecanismo de controle é conhecido como “efeito Kerr”.

[007] A patente US2005249455 refere-se a um switch óptico, que funciona pela mudança do índice de refração dos materiais que constituem o cristal fotônico que fica alojado entre os guias de onda óptico, a mudança no índice de refração do cristal pode ocorrer por aplicação de uma corrente elétrica nos eletrodos presente na estrutura, ou pela potência do sinal luminoso de controle (similar ao descrito pela patente anterior).

[008] A patente JP2003215646 faz referência a um switch formado pela composição de um cristal fotônico entre dois guias de onda, onde a transição entre os estados do dispositivo é regulada pelo ajuste da tensão aplicada entre dois eletrodos que compõem o dispositivo. Dependendo do valor da tensão aplicada sobro o cristal, o sinal eletromagnético é transmitido ou não de um guia para o outro.

[009] Enfim, a patente JP2006184618 descreve um switch que baseia-se em um cristal fotônico bidimensional, sendo a transição entre os estados controlada pela alteração do índice de refração do material que o constitui. Esta mudança é realizada pelo correto ajuste da temperatura do dispositivo promovendo assim transição entre os estados on e off.

[010] Existem diversos exemplos de dispositivos fotônicos que se baseiam na utilização de cristal fotônico para o controle do sinal eletromagnético, sendo o que os diferencia são forma e mecanismo de controle entre os dois estados possíveis do dispositivo.

[011] A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional, constituído por cilindros dielétricos imersos em ar formando uma rede quadrada. 0 cilindro central da estrutura é feito de uma ferrite, cuja permeabilidade magnética 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.

[012] Podemos destacar como as principais vantagens da invenção aqui apresentada, possuir uma extremamente grande largura de banda para a faixa de frequência para a qual foi projetada, apresentando baixas perdas de inserção para o estado on e alta isolação para o estado off, e a possibilidade de permitir que o sinal eletromagnético seja guiado por um caminho que realiza uma curva de 90° e seja realizado um controle sobre a propagação do mesmo.

[013] 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 cilindros dielétricos formando um ângulo de 90° entre si, e um ressoador magneto-óptico, constituído pelo cilindro de ferrite localizado no cruzamento entre os dois guias de onda.

[014] O funcionamento do dispositivo baseia-se na aplicação de campo magnético DC externo H0l perpendicular a estrutura Na situação onde não há aplicação de campo H0, o dispositivo encontrasse no estado off, Por outro lado, a aplicação de um campo Ho diferente de zero, o dispositivo muda para o estado on, onde o sinal injetado no guia de entrada será transmitido para o de saída.

[015] De modo mais detalhado, o dispositivo possui as seguintes características: [016] - o cristal fotônico em que se baseia o dispositivo é composto por cilindros dielétricos que apresentam uma permissividade elétrica (ε) igual a 11,56 F/m, estando estes dispostos de modo a formar uma rede quadrada com um ressoador magneto-óptico de ferrite no centro da estrutura, sendo esse conjunto embebido em ar;

[017] - o raio dos cilindros dielétricos é igual a 0,2a (a é a constante de rede do cristal);

[018] - a constante de rede do cristal fotônco (a), depende da faixa de frequência de operação do dispositivo. Para operação na frequência central de f = 100GHz, a = 1,065mm.

[019] - dois guias de onda são inseridos no cristal fotônico através da remoção de cilindros dielétricos em linha reta, sendo que essas linhas formam um ângulo de 90° entre si. Os guias são conectados simetricamente a um ressoador magneto-óptico;

[020] - um ressoador magneto-óptico é inserido no cristal fotônico bidimensional através da colocação de um cilindro de ferrite no cruzamento entre os dos guias de onda;

[021] - o estado que o dispositivo se encontra, on ou off, depende da intensidade do campo magnético DC externo aplicado sobre o dispositivo.

[022] - no estado on, situação onde é aplicado um campo magnético Ho diferente de zero, modos dipolo girante e estacionário são excitados na cavidade ressonante dependendo da frequência do sinal eletromagnético que excita o ressoador. Nas baixas frequências o dispositivo apresenta um modo dipolo girante no sentido horário, na faixa de frequências intermediárias a onda viajante excita um modo dipolo estacionário com orientação de 45° em relação aos eixos dos guias de onda. Nas altas frequências o dispositivo apresenta um modo dipolo girante no sentido anti-horário, de modo que no guia de saída são excitadas ondas eletromagnéticas para todas as configurações;

[023] - no estado off, situação onde é aplicado um campo magnético H0 igual a zero, um modo dipolo estacionário é excitado no ressoador e o nó do modo é alinhado paralelamente ao eixo do guias de onda de saída, de modo que no guia de saída não são excitadas ondas eletromagnéticas;

[024] - o material do ressoador magneto-óptico é anisotrópico e descrito pelas seguintes expressões para a permeabilidade magnética e a permissividade elétrica: [025] [026] Onde: [027] - ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro);

[028] - εα é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro);

[029] - μ é o tensor permeabilidade magnética do material;

[030] - μ0 é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);

[031] - μ e κ são parâmetros definidos pelas formulas a seguir;

[032] [033] - ajm é a frequência de saturação de Larmor, definida pela expressão a seguir;

[034] ú)m = ω íyMs [035] - (Oi é a frequência de Larmor, definida pela expressão abaixo;

[036] - o)i — ωγΗ0 [037] - ω é a frequência angular;

[038] - γ é o raio giromagnético;

[039] - H0 é a intensidade do campo aplicado sobre a estrutura;

[040] - α é o fator de amortecimento.

[041] A seguir são apresentadas figuras que irão auxiliar na descrição do dispositivo e do princípio de funcionamento.

[042] A figura 1 representa, de forma esquemática, o switch desenvolvido.

[043] As figuras 2a e 2b representam, de forma esquemática o dispositivo operando no estado off e on respectivamente.

[044] A figura 3a representa dois modos degenerados tipo dipolo V* e V, girando em sentido opostos e com a mesma frequência ω0. A figura 3b representa dois modos não degenerados tipo dipolo Vm+ e Vm', girando com frequências distintas ω+ e ω', respectivamente, sob influência de um campo magnético DC externo H0.

[045] As figuras 4 e 5 ilustram o switch operando nos estados off e on, respectivamente. Nelas estão representados a rede quadrada de cilindros de GaAs (Arseneto de Gálio) embebidos em ar, que constitui o cristal fotônico, os guias de onda de entrada (401 e 501) e de saída (402 e 502), a cavidade ressonante localizada entre os guias de onda e a componente Ez do sinal eletromagnético no dispositivo.

[046] A figura 6 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).

[047] No caso em que não ocorre a aplicação do campo magnético DC H0, representado na figura 2a, um sinal eletromagnético que se propaga pelo guia de entrada 201 excita a cavidade ressonante, formando um modo de dipolo estacionário 203, no qual o nó do dipolo está alinhado paralelamente ao guia de onda de saída, o que não permite a transmissão do sinal para o guia de saída 202. Esta situação corresponde ao estado off.

[048] Já no caso que ocorre a aplicação de um campo magnético DC Ho, representado na figura 2b, um sinal eletromagnético que se propaga pelo guia de entrada 204 excita a cavidade ressoante. Porém, devido à aplicação do campo Ho, o dipolo 206 sofre uma rotação, quando comparado aquele representado na figura anterior, com relação ao eixo dos guias de onda e ocorre a passagem do sinal eletromagnético para o guia de saída 205. Esta situação corresponde ao estado on.

[049] A cavidade ressonante do dispositivo, sem a conexão de guias de onda, é descrita pelas figuras 3a e 3b. As figuras 3a e 3b apresentam dois autovetores, que giram em sentidos opostos e com a mesma frequência ω0 representados na figura 3a. A aplicação de um campo magnético DC externo H0, representada na figura 3b, remove a degenerescência dos modos ν*β\Γ, transformando-os em modos não degenerados Vm+ e Vm‘ que giram com frequências ω+ e ω', respectivamente. Dependendo da frequência do sinal incidente, este pode favorecer o surgimento de modos que girem com frequência ω+, ω' ou um modo estacionário que surge da combinação dos dois modos anteriores.

[050] A faixa de frequência normalizada de operação uja/2nc do dispositivo é de a 0,375 a 0,405, onde ω 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 4 e 5 estão representados os comportamentos do dispositivo nos modos off e on, quando excitado por um sinal eletromagnético dentro da faixa de frequência. Na figura 4 o sinal que chega pelo guia 401 e totalmente refletido para o guia de entrada, essa situação ocorre com mais intensidade nas frequência de 0,377 e 0,397. Na figura 5 estão representados as situações relacionados com o estado on. Na Fig 5a, o dipolo gira no sentido horário no intervalo de frequência entre 0,37 à 0,385, na Fig 5b o dipolo apresenta um comportamento estacionário nas frequências intermediarias que corresponde ao intervalo de 0,385 à 0,4 e na Fig 5c o dipolo gira no sentido anti-horário para as altas frequências região compreendida entre 0,4 e 0,41.

[051] A resposta em frequência do switch é mostrada na figura 6. O dispositivo apresenta perdas de inserção menor que -2 dB (coeficiente de transmissão no estado on) e isolação com 2 picos de -59 dB (coeficiente de transmissão no estado off). A largura de banda, no nível de isolação de -15 dB, é de 8 GFIz (para operação na faixa de frequência em torno de 100GHz).

REIVINDICAÇÕES

Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite

Claims (4)

1. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite, composta por 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.

2. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de permitir que o sinal eletromagnético que viaja pela estrutura realize curvas com ângulo acentuado.

3. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que operam com modos dipolo girante e estacionário para o estado on, e estacionário para o estado off, com o nó do dipolo alinhados paralelamente ao eixo de saída do guias de onda.

4. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressoador magneto-óptico de ferrite, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que, as perdas de inserção são menor que -2 dB e a isolação com dois picos de -59 dB, enquanto que a largura de banda, no nível de -15 dB da curva de isolação, é de 8GHz, que caracteriza uma largura de banda extremamente grande de 8%.