BR112020001377A2 - comutador óptico de alta frequência e métodos de fabricação do mesmo - Google Patents

Abstract

são descritos dispositivos de comutação e modulação ópticos, utilizáveis para taxas de comunicação de dados em terahertz. o dispositivo compreendendo um substrato opticamente transmissivo configurado para propagar radiação eletromagnética através dele e um arranjo de metamaterial opticamente acoplado ao referido substrato. o arranjo de metamaterial compreende pelo menos uma camada de partículas de metamateriais acopladas opticamente a pelo menos uma porção do referido substrato opticamente transmissivo e pelo menos uma camada de nanomesh feita de pelo menos um material eletricamente condutor colocado sobre pelo menos uma porção da pelo menos uma camada de metamaterial. a pelo menos uma camada de nanomesh configurada para descarregar elétrons na pelo menos uma camada de metamaterial sensível a sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamaterial, e a pelo menos uma camada de metamaterial configurada para mudar de um estado opticamente opaco para um estado opticamente transparente quando receber os elétrons descarregados, para desse modo alterar pelo menos parcialmente a radiação eletromagnética que passa através do substrato.

Description

COMUTADOR ÓPTICO DE ALTA FREQUÊNCIA E MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DO MESMO CAMPO TECNOLÓGICO

[0001] A presente invenção é de forma geral no campo de comutadores ópticos utilizáveis para modulação de ondas ópticas de alta frequência.

ANTECEDENTE

[0002] Existe uma demanda crescente por largura de banda nos serviços de comunicação de dados, necessária para satisfazer as necessidades cada vez maiores, atribuídas principalmente ao amplo uso de smartphones, mídias sociais, streaming de vídeo e big data. A tecnologia de 10 Gb/s amplamente usada hoje em dia nas centrais de dados atingiu a maturidade, e agora são necessários canais de comunicação de dados maiores para lidar com a enorme quantidade de dados transmitidos pelas redes de comunicação. De fato, os provedores de serviços (SPs) estão migrando para equipamentos com taxas de bits mais altas, para aumentar as larguras de banda na faixa de 40 Gb/s e 100 Gb/s por comprimento de onda.

[0003] A União Internacional de Telecomunicações (UIT) divide a faixa relevante do espectro de micro-ondas eletromagnéticas de 1530 a 1565 nm (na qual as fibras ópticas apresentam a menor perda, também conhecida como banda C) em faixas de espectro fixas de 50 GHz. No entanto, esse esquema de espaçamento de canais provavelmente não é adequado para taxas de bits maiores que 100 Gb/s. Existe, portanto, uma necessidade na técnica de um paradigma de grade mais flexível, capaz de satisfazer as necessidades de demandas futuras de largura de banda.

[0004] De fato, sinais de alta taxa de dados se tornam cada vez mais difíceis de transmitir por longas distâncias com alta eficiência espectral, mesmo que um espectro suficientemente amplo esteja disponível. Portanto, é benéfico para os transceptores se adaptarem às condições reais da rede e à taxa de dados para cada demanda de tráfego, a fim de maximizar a eficiência espectral. Acima da necessidade de aprimorar a eficiência espectral, grandes provedores de conteúdo, centrais de dados recém-construídas e relações de pares em evolução entre os provedores estão impulsionando a incerteza e a heterogeneidade das demandas na rede. Existe, portanto, a necessidade de redes flexíveis e adaptáveis, equipadas com transceptores e elementos de rede flexíveis, que possam se adaptar às crescentes demandas reais de tráfego de comunicação de dados.

[0005] Reconhece-se que a troca rápida e a modulação são as principais barreiras para o aumento da comunicação de largura de banda em taxas de bits maiores que 100 Gb/s e em Terahertz. As barreiras e limitações para a comunicação ultrarrápida podem ser atribuídas às limitações de RF, óptica, comutação e Terahertz, associadas às infraestruturas de rede em uso atualmente, conforme explicado abaixo: as limitações de RF (espectro de micro-ondas) devem-se principalmente à dificuldade de fabricar dispositivos eletrônicos configurados para operar em faixas de frequência substancialmente acima de algumas centenas de gigahertz. Essa dificuldade se deve em parte à necessidade inerente de tempos de trânsito de portadores muito curtos nas regiões ativas de semicondutores e também como consequência das baixas potências produzidas pelos dispositivos, que devem ter pequenas áreas ativas para minimizar sua capacitância; limitações ópticas são encontradas, uma vez que os lasers de diodo entre bandas são projetados principalmente para operação em frequências visíveis e quase IV. No entanto, parece que a geração de sinais de luz por recombinação radiativa de elétrons de banda de condução com orifícios de banda de valência através de intervalos de banda de materiais semicondutores ativos não pode ser simplesmente estendida para o IV médio ou para faixas de comprimento de onda mais longas, uma vez que semicondutores adequados de intervalo de banda estreita não estão disponíveis; limitações de comutação também são encontradas, pois o controle da transmissão de luz através de um material, com campos elétricos, por exemplo, não é adequado para comprimentos de onda longos, por exemplo, próximo ou na região de Terahertz, do espectro da luz, porque o contraste de comutação entre LIGA/DESLIGA indica que pode ser alcançado por equipamentos eletrônicos de estado sólido é muito fraco e lento; a limitação de Terahertz é atribuída à falta de fontes de frequência energéticas de Terahertz com boa resolução.

[0006] Algumas soluções sugeridas na literatura de patentes são brevemente descritas abaixo.

[0007] A publicação da patente europeia No.

2.876.824 descreve um conjunto de transmissão para transmissão de dados com pelo menos uma onda portadora na região Terahertz. O conjunto de transmissão compreende um dispositivo transmissor, meios de recepção e um sistema de transmissão óptica para transmissão de feixes de luz. O dispositivo de transmissão e o meio receptor são adaptados para transferir dados sem fio por um portador de onda modulado na faixa de Terahertz do transmissor. A onda portadora é gerada usando a mistura de frequências diferenciais de dois feixes de luz produzidos por uma ou duas fontes de luz.

[0008] As técnicas e dispositivos descritos na patente norte-americana No. 8.111.722 são baseados em ressonadores ópticos feitos de materiais ópticos não lineares e mistura de ondas não lineares para gerar oscilações de RF ou de micro-ondas e sinais ópticos de pente.

[0009] A patente norte-americana No. 8.159.736 descreve dispositivos e técnicas fotônicas baseadas na modulação de banda lateral única (SSB) sintonizável em ressonadores de modo galeria sussurrante formados por materiais eletro-ópticos para efetivar o acoplamento entre modos galeria sussurrante de diferentes polarizações.

[00010] O sistema de modulação óptica descrito na patente norte-americana No. 8.655.189 inclui uma estrutura de metamaterial configurada para receber e processar um sinal óptico de entrada em pelo menos um comprimento de onda operacional, em que a estrutura de metamaterial muda entre um estado transmissivo e um estado não transmissivo em relação ao sinal(is) óptico(s) no(s) comprimento(s) de onda operacional(is) em resposta a um estímulo externo aplicado à estrutura de metamaterial. Uma fonte de estímulo externo é acoplada à estrutura de metamaterial e é configurada para alterar a estrutura de metamaterial entre seus estados transmissivos e não transmissivos aplicando pulsos de estímulo selecionados à estrutura de metamaterial. O sistema de modulação óptica processa o sinal óptico de entrada para emitir um sinal óptico modulado que modula em correspondência com os pulsos selecionados aplicados à estrutura de metamaterial.

[00011] A descrição acima introduz vários aspectos da técnica que podem estar relacionados a vários aspectos da presente divulgação e pretendem facilitar uma melhor compreensão dos vários aspectos da mesma. Note-se que a referência a qualquer técnica anterior mencionada neste pedido não é um reconhecimento ou sugestão de que essa técnica anterior faça parte do conhecimento geral comum em qualquer jurisdição ou que se possa razoavelmente esperar que essa técnica anterior seja entendida, considerada relevante, e/ou combinada com outras peças da técnica anterior por uma pessoa versada na técnica.

DESCRIÇÃO GERAL

[00012] A matéria divulgada neste documento visa fornecer técnicas e implementações para modulação óptica de longos comprimentos de onda próximos e/ou na região de Terahertz do espectro de luz para atingir taxas de bits muito altas (a e acima de 100 Gb/s, 400 Gb/s, e nas regiões de taxa de bits de Terahertz). As modalidades divulgadas neste documento são adequadas para implementações de moduladores ópticos em dispositivos de estado sólido/chip configurados para operar à temperatura ambiente. Essas modalidades podem fornecer as taxas de flexibilidade e comunicação de dados necessárias para redes adaptáveis escaláveis e, portanto, atraentes para uso em novos centros de dados construídos hoje em dia, por exemplo, utilizando as topologias achatadas (leste-oeste).

[00013] Os centros de dados adaptáveis podem ser construídos a partir de unidades de infraestrutura de rede semelhantes a blocos, empregando blocos virtuais que podem ser reconfigurados sem problemas. Mudar para a rede física usando blocos que podem ser facilmente escalonados significa que a rede pode flexionar sem ter que reconfigurar todo o barramento (“backplane”). A combinação de transceptores adaptáveis, uma grade flexível e nós de clientes inteligentes permite um novo paradigma de rede "adaptável", permitindo que os SPs atendam às crescentes necessidades da rede sem revisá-lo com frequência.

[00014] Os sistemas de transmissão baseados em 100 Gb/s foram comercializados nos últimos anos e, como são compatíveis com o espaçamento de grade/canal ITU de 50 GHz já implantado, a necessidade de substituir a grade não surgiu. Tanto a indústria de telecomunicações quanto a de comunicações por dados (“datacom”) estão considerando agora uma taxa de transmissão de dados padrão além de 100 Gb/s, e 400 Gb/s estão recebendo muita atenção. Infelizmente, a largura espectral ocupada por 400 Gb/s em formatos de modulação padrão é muito ampla para caber na grade ITU de 50 GHz, e forçá-la a adotar um formato de modulação de eficiência espectral mais alto permitiria apenas curtas distâncias de transmissão. A grade fixa não suporta taxas de bits de 400 Gb/s e 1 Tb/s em formatos de modulação padrão, pois se sobrepõem a pelo menos um limite de grade de 50 GHz. Entende-se, portanto, que modalidades divulgadas neste documento são benéficas para implementações de centros de dados projetados para satisfazer o aumento contínuo nas demandas de largura de banda.

[00015] As modalidades divulgadas neste documento utilizam metamaterial ativo acoplado a condutores de onda para construir comutadores ópticos, moduladores e/ou filtros de alta qualidade, configurados para operar em taxas de transmissão de dados terahertz. Em algumas modalidades, os metamateriais são usados para implementar uma chave de terahertz de película fina eficiente que pode permitir aplicações de comunicação e processamento de sinal de terahertz. Esse dispositivo é desesperadamente necessário para filtrar, alternar e modular sinais de terahertz. A comutação da radiação terahertz usando dispositivos de película fina foi dificultada até agora por causa dos comprimentos de onda das ondas eletromagnéticas de frequência terahertz serem maiores que a faixa de 300 micrômetros e, portanto, não interage de maneira apreciável com estruturas muito menores que esse comprimento de onda. O uso de metamateriais pode contornar esse problema.

[00016] Os termos condutor de onda, condutor de onda óptica ou linha de onda são usados aqui para se referir a meios e/ou elementos utilizáveis para transmissão de radiação eletromagnética, como, sem limitação, guias de onda ópticos, fibras ópticas, ar, conforme usado em comunicação de dados ópticos. Metamateriais são materiais estruturados artificialmente fabricados pela montagem de objetos diferentes, geralmente em nanoescala, para substituir os átomos e as moléculas que se veria em um material convencional, projetado para exibir propriedades que não são naturalmente exibidas por seus materiais de base. Os metamateriais usados nas modalidades divulgadas neste documento têm propriedades eletromagnéticas que são tipicamente muito diferentes daquelas encontradas em substâncias de ocorrência natural ou sintetizadas quimicamente. Os metamateriais usados em algumas das modalidades são projetados para exibir de forma controlável refração negativa.

[00017] Os metamateriais usados em algumas das modalidades aqui divulgadas são projetados para ter microestruturas ópticas configuradas para interagir com a radiação eletromagnética (luz) que passa através deles. Por exemplo, e sem se limitar, essas microestruturas ópticas podem ser construídas usando materiais à base de óxido de metal, como VO2, V2O3, WO3, Ti2O3, NiS2-ySey, LaCoO3, PrNiO3, Cd2Os2O7, NdNiO3, Tl2Ru2O7, NiS, BaCo2 (yNiy) onde y ≤ 1), Ca1-ySryVO3 (onde y ≤ 1), PrRu4P12, BaVS3, EuB6, Fe3O4, La1-yCayMnO3 (onde y ≤ 1), La2−2Sr1 + 2Mn2O7 (onde y ≤ 1), Ti4O7, La2NiO4 óxidos mistos do tipo manganita RExAE1-xMnO3 (onde RE é um metal de terras raras como lantânio ou praseodímio, AE é um metal alcalino-terroso como cálcio e x ≤ 1), intermetálicos (como NiAl), polímeros como como polidiacetilenos contendo azobenzeno, fluoreto de polivinilideno, acetato de polivinila, polivinil fenileno, sulfonato de poliestireno, polianilinas (por exemplo, polianilinas dopadas em nanoestruturas de opala sintéticas) e polímeros nanoestruturados como copolímero de dibloco (por exemplo, poli[estireno-b-isopreno] ou PS-b-PI) e tribloco (por exemplo, um copolímero de bobina de haste de poli[poli(N-isopropilacrilamida)-b-polifluoreno-b-poli(N-

isopropilacrilamida)]).

[00018] Tais metamateriais podem ser usados para construir dispositivos de comutação ótica ultra pequenos e ultra rápidos feitos de óxido de vanádio (VO2). A capacidade desses dispositivos para alternar nas faixas de frequência terahertz é muito mais rápida que os dispositivos de comutação semelhantes configurados para operar nas frequências gigahertz. O uso de metamateriais VO2 para construir dispositivos de comutação óptica parece ser particularmente atraente porque pode ser alternado a taxas de terahertz entre estados transmissivos (isolador) e não transmissivos (condutor), induzindo carga/campo elétrico, que pode ser explorado para a construção de dispositivos semelhantes a transistores.

[00019] O metamaterial usado em algumas modalidades foi feito a partir de nanopartículas de VO2 que foram depositadas em um substrato opticamente transparente (vidro) e revestidas por um "nanomesh" de pequenas nanopartículas de ouro. Quando essa estrutura em camadas é irradiada por pulsos eletromagnéticos de uma fonte THz ultra-rápida (por exemplo, qualquer tipo de gerador de sinal THz, como, mas não limitado a, fontes de laser, qualquer tipo de dispositivo baseado em cristal emissor de THz ou multiplicador de frequência), os elétrons quente descarregados da nanomesh de ouro na camada de nanopartículas do VO2 mudam sua fase de uma fase opticamente opaca (metálica) para uma fase opticamente transparente (semicondutora) em períodos de tempo no domínio de tempo de picossegundos (PS, 10 a 12 segundos). Modalidades divulgadas neste documento exploram essa propriedade de tais metamateriais para alterar de forma controlável entre estados opticamente opacos e opticamente transparentes dentro de períodos de tempo PS, para implementar dispositivos de comutação óptica para aplicações de comunicação.

[00020] Um aspecto inventivo da matéria aqui divulgada se refere a um dispositivo de comutação óptica utilizável para taxas de comunicação de dados Terahertz. O dispositivo compreende em algumas modalidades um substrato opticamente transmissivo configurado para propagar a radiação eletromagnética através dele e um conjunto de metamaterial opticamente acoplado ao substrato. O conjunto de metamateriais compreende pelo menos uma camada de partículas de metamateriais acopladas opticamente a pelo menos uma porção do substrato opticamente transmissivo e pelo menos uma camada de nanomesh feita de pelo menos um material condutor eletricamente colocado sobre pelo menos uma porção do pelo menos uma camada de metamaterial. A pelo menos uma camada de nanomesh configurada para descarregar elétrons na pelo menos uma camada de metamaterial sensível a sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao conjunto de metamaterial, e a pelo menos uma camada de metamaterial configurada para mudar de um estado opticamente opaco para um estado opticamente transparente quando receber os elétrons descarregados, para desse modo alterar pelo menos parcialmente a radiação eletromagnética que passa através do substrato.

[00021] Opcionalmente, o substrato opticamente transmissivo está em pelo menos uma porção de uma fibra óptica. Alternativamente, o substrato opticamente transmissivo é pelo menos uma porção de um ressonador óptico WMG, por exemplo, ressonador PANDA. Ainda em outra alternativa, o substrato opticamente transmissivo é uma película fina.

[00022] Em algumas modalidades, o substrato tem uma espessura de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

[00023] Opcionalmente, mas em algumas modalidades de preferência, a pelo menos uma camada de metamaterial compreende óxido de vanádio. A pelo menos uma camada de metamaterial pode ser configurada para exibir refração negativa ao receber os elétrons descarregados.

[00024] O dispositivo compreende em algumas modalidades possíveis grades de metal formadas no conjunto de metamaterial.

[00025] Uma espessura da pelo menos uma camada de partículas de metamateriais pode geralmente ser de cerca de 0,1 a 1 nanômetro. Em algumas modalidades, o tamanho de partícula de pelo menos uma camada de partículas de metamateriais é de cerca de 1 a 100 nanômetros.

[00026] Opcionalmente, mas em algumas modalidades de preferência, a pelo menos uma camada de nanomesh compreende ouro. Uma espessura da pelo menos uma camada de nanomesh pode geralmente ser de cerca de 0,1 a 1 nanômetro. Em algumas modalidades, o tamanho das partículas da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 20 a 100 nanômetros. Uma dimensão/diâmetro de poro da pelo menos uma camada de nanomesh é em algumas modalidades cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

[00027] O dispositivo de comutação óptica pode ter uma dimensão geométrica de cerca de 100 a 500 nanômetros.

Em alguma modalidade, os sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao conjunto de metamateriais estão nas faixas de frequência RF, micro-ondas ou Terahertz (por exemplo, na faixa de 100 MHz a 40 THz).

[00028] Em outro aspecto inventivo, a matéria aqui divulgada é direcionada a um modulador óptico utilizável para taxas de comunicação de dados Terahertz. O modulador pode compreender o dispositivo de comutação óptica descrito acima ou abaixo, uma linha de onda de entrada configurada para introduzir radiação eletromagnética de entrada no dispositivo de comutação óptica e uma linha de onda de saída configurada para transferir radiação eletromagnética de saída pelo menos parcialmente alterada pelo dispositivo de comutação óptica.

[00029] Outro conjunto de modulador óptico utilizável para taxas de comunicação de dados Terahertz, pode ser implementado usando uma linha de onda de entrada configurada para introduzir radiação eletromagnética de entrada no conjunto do modulador óptico, um divisor óptico configurado para receber a radiação eletromagnética de entrada da linha de onda de entrada, primeira e segunda linhas de onda acopladas opticamente ao divisor óptico para receber porções da radiação eletromagnética da linha de onda de entrada assim dividida, pelo menos um dispositivo de comutação óptica como descrito acima ou abaixo acoplado opticamente a um núcleo respectivo de pelo menos uma da primeira e segunda linhas de onda e um combinador óptico acoplado opticamente à primeira e segunda linhas de onda para combinar a radiação eletromagnética recebida neles do divisor óptico e pelo menos parcialmente alterada por pelo menos um dispositivo de comutação óptica. O modulador óptico pode compreender uma linha de onda de saída configurada para receber a radiação eletromagnética combinada pelo combinador óptico.

[00030] O modulador óptico pode compreender o primeiro e o segundo dispositivos de comutação óptica, respectivamente acoplados aos núcleos da primeira e da segunda linhas de onda. Opcionalmente, mas em algumas modalidades de preferência, a pelo menos uma camada de metamaterial compreende óxido de vanádio. Opcionalmente, a pelo menos uma camada de metamaterial é configurada para exibir refração negativa ao receber os elétrons descarregados.

[00031] O modulador compreende em algumas modalidades grades de metal formadas no conjunto de metamaterial.

[00032] Ainda outro aspecto inventivo da matéria deste pedido se refere a um dispositivo combinador óptico para combinar dois ou mais suportes de dados eletromagnéticos. O dispositivo combinador compreende pelo menos um ressonador WGM modulador com uma camada de montagem de metamaterial sobre uma seção de parede interna do mesmo, pelo menos duas linhas de onda de entrada opticamente acopladas ao pelo menos um ressonador WGM modulador para a introdução de pelo menos dois suportes de dados eletromagnéticos respectivos, e pelo menos uma linha de onda de saída acoplada opticamente ao pelo menos um ressonador WGM para emitir radiação eletromagnética presa no interior de pelo menos um ressonador WGM modulador e mesclar pelo menos parcialmente os pelo menos dois suportes de dados eletromagnéticos.

[00033] O conjunto de metamaterial compreende, em algumas modalidades, óxido de vanádio, por exemplo, camada de nanopartículas, como aqui descrito. O conjunto de metamaterial pode compreender ouro, por exemplo, uma camada de nanomesh de ouro aplicada sobre a camada de óxido de vanádio, como aqui descrito.

[00034] O combinador óptico compreende, em algumas modalidades, pelo menos um ressonador WGM auxiliar tendo o revestimento de conjunto de metamaterial sobre uma parede interna e acoplado opticamente ao referido pelo menos um ressonador WGM. O pelo menos um ressonador WGM auxiliar pode ser configurado para moldar a radiação eletromagnética capturada dentro do pelo menos um ressonador WGM de uma maneira predefinida.

[00035] O combinador óptico pode compreender grades formadas no conjunto de metamaterial do pelo menos um ressonador WGM. Opcionalmente, pelo menos um dos ressonadores WGM é um ressonador em forma de elipsoide.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00036] Para entender a invenção e ver como ela pode ser realizada na prática, as modalidades serão agora descritas, apenas a título de exemplo não limitativo, com referência aos desenhos anexos. As características mostradas nos desenhos se destinam a ilustrar apenas algumas modalidades da invenção, a menos que seja indicado de outra forma implicitamente. Nos desenhos, os números de referência são usados para indicar as partes correspondentes, e nas quais: as Figs. 1A a 1C ilustram esquematicamente a operação de comutadores ópticos de acordo com algumas modalidades possíveis, em que a Fig. 1A mostra um comutador óptico preparado pela deposição de metamaterial em uma película fina, a Fig. 1B mostra uma possível implementação de um comutador óptico e a Fig. 1C mostra gráficos de tempo de formas de onda de entrada e saída interagem com o comutador óptico; a Fig. 2 ilustra esquematicamente um comutador óptico de acordo com algumas modalidades possíveis; a Fig. 3 ilustra esquematicamente a possível implementação do modulador óptico de acordo com algumas modalidades possíveis; as Figs. 4A e 4B ilustram esquematicamente moduladores de ondas ópticas utilizando ressonadores de modo de galeria sussurrante (WGM), em que a Fig. 4A mostra uma possível implementação do modulador de ondas ópticas utilizando um ressonador em forma de anel e a Fig. 4B mostra uma possível implementação do modulador de ondas ópticas utilizando um múltiplo ressonador WGM opticamente acoplado e demonstra a proximidade necessária para facilitar a combinação de diafonia/sinal para modulação WGM; as Figs. 5A a 5C exemplificam sistemas de comunicação de dados utilizando moduladores de ondas ópticas baseados em ressonadores WGM para combinar portadores de dados de diferentes frequências.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[00037] Uma ou mais modalidades específicas da presente divulgação serão descritas abaixo com referência aos desenhos, que devem ser considerados em todos os aspectos apenas como ilustrativos e não restritivos de qualquer maneira. Em um esforço para fornecer uma descrição concisa dessas modalidades, nem todos os recursos de uma implementação real são descritos no relatório descritivo. Os elementos ilustrados nos desenhos não estão necessariamente em escala ou em relações proporcionais corretas, que não são críticas. Em vez disso, enfatiza-se a ilustração clara dos princípios da invenção, de modo que pessoas versadas na técnica sejam capazes de fabricar e usar os comutadores/moduladores ópticos aqui divulgados, uma vez que compreendam suas estruturas e princípios de operação. Esta invenção pode ser fornecida em outras formas e modalidades específicas sem se afastar das características essenciais aqui descritas.

[00038] Este documento descreve dispositivos ópticos de chave e modulador configurados para operar em faixas de alta frequência, próximas e na região de frequência Terahertz. Os dispositivos ópticos de comutador e modulador aqui divulgados utilizam metamateriais configurados para alterar controladamente suas propriedades ópticas e, assim, alterar a passagem da radiação eletromagnética que passa através de um meio condutor de onda (por exemplo, núcleo de fibra óptica) acoplado opticamente a eles. Isso é alcançado em algumas modalidades, depositando o metamaterial em uma porção de um meio condutor de onda, como uma fibra óptica, para acoplar opticamente entre o metamaterial e o meio condutor de onda (núcleo) e permitir que o metamaterial interaja com a radiação eletromagnética passando por ele. Por exemplo, e sem ser limitativo, quando usado em uma fibra óptica, o metamaterial pode ser aplicado em um comprimento predefinido que esteja de acordo com pouco comprimento de onda () (por exemplo, pelo menos 4) ao longo da fibra óptica, cobrindo uma seção angular/de arco das mesmas definida cobrindo toda a sua circunferência (360º).

[00039] Em algumas modalidades, o comutador óptico e/ou os dispositivos moduladores são combinados nos conjuntos de ressonador óptico do modo de galeria sussurrante (WGM), para modular a luz introduzida no ressonador óptico por sinais elétricos/ópticos aplicados ao metamaterial. Isso pode ser conseguido depositando o metamaterial em uma porção do ressonador WGM, de modo a se acoplar opticamente entre o metamaterial e o meio condutor de onda/núcleo do ressonador e permitir que o metamaterial interaja com a radiação eletromagnética presa dentro do ressonador. Por exemplo, e sem ser limitativo, se o ressonador WGM for um tipo de ressonador circular/elíptico anelar/em forma de toróide, o metamaterial pode ser aplicado sobre um comprimento predefinido de pelo menos 4 comprimentos de onda ao longo do ressonador WGM, cobrindo uma seção angular/ de arco da mesma definida cobrindo toda a sua circunferência (360º). No entanto, é de notar que os ressonadores WGM de diferentes formas podem ser usados de maneira semelhante nas modalidades deste pedido, por exemplo, estruturas em forma de esfera 3D, elipsoide 3D ou estruturas toroidais 3D com formas transversais de polígonos (como obtidas graficamente por rotação de um polígono sobre o eixo de simetria de um toróide).

[00040] Opcionalmente, mas em algumas modalidades, de preferência, o metamaterial é fabricado a partir de nanopartículas de materiais à base de vanádio, tais como,

mas não se limitando a, nanopartículas de óxido de vanádio (VO2). Note-se, no entanto, que outros possíveis metamateriais podem ser usados de maneira semelhante para implementar o comutador de ondas ópticas e/ou dispositivos moduladores divulgados neste documento, sem se afastar do escopo e espírito do presente pedido.

[00041] Os comutadores/moduladores de ondas ópticas aqui divulgados podem ser configurados para fazer interface entre nano e macro redes (THz ← → GHz) e para detecção de ensaios bioquímicos, ensaios biomédicos, ensaios de biologia química e molecular.

[00042] Para uma visão geral de vários exemplos de recursos, estágios do processo e princípios da invenção, os exemplos de estruturas de modulação da luz ilustrados esquematicamente e esquematicamente nas figuras são feitos de materiais à base de vanádio destinados ao uso com luz coerente, como produzidos por dispositivos a laser semicondutores. Estruturas baseadas em metamateriais são mostradas como um exemplo de implementação que demonstra vários recursos, processos e princípios usados para implementar comutadores/moduladores ópticos, mas também são úteis para outras aplicações e podem ser feitos em diferentes variações. Portanto, esta descrição prosseguirá com referência aos exemplos mostrados, mas com o entendimento de que a invenção citada nas reivindicações abaixo também pode ser implementada de inúmeras outras maneiras, uma vez que os princípios sejam entendidos a partir das descrições, explicações e desenhos aqui fornecidos. Todas essas variações, bem como quaisquer outras modificações aparentes para as pessoas versadas na técnica e úteis em aplicativos de comunicação de dados podem ser adequadamente empregadas e devem se enquadrar no escopo desta divulgação.

[00043] A pesquisa de mudança de fase óptica de nanopartículas de metamateriais à base de vanádio, como o VO2, revestido por nanopartículas de ouro, pela aplicação da fonte THz não é clara sobre se essa alteração de fase óptica pode ser obtida pela aplicação de elétrons, por exemplo, usando um campo elétrico variante controladamente. No domínio da comunicação Terahertz, os dispositivos devem ser sensíveis a elétrons e fótons com o menor consumo possível de energia e tempo para ativação e recuperação. O inventor deste estudo constatou que a mudança de fase óptica do VO2 funciona bem com elétrons (isto é, pode ser operada pela aplicação de arame elétrico) e que a injeção de elétrons quentes das nanopartículas de ouro também desencadeia a transformação com um quinto para um décimo da quantidade de energia necessária para aplicar a luz do laser diretamente nas nanopartículas nuas do VO2 (o uso das nanopartículas de ouro é 90% mais eficiente do que aplicar a luz direta do laser nas nanopartículas de VO2). Conclui- se, assim, que os dispositivos de comutação óptica aqui divulgados podem ser ligados e desligados pela aplicação de fontes de luz e/ou elétrons/campos elétricos operando nas taxas de transmissão de dados de RF, micro-ondas e Terahertz.

[00044] A Fig. 1A ilustra esquematicamente um dispositivo de comutação óptica 3 formado por um substrato 3f, implementado em algumas modalidades por uma película fina. O dispositivo de comutação 3 neste exemplo não limitativo é feito de uma camada de nanopartículas 3m, com uma espessura de cerca de 0,1 a 1 nanômetro, acoplada opticamente a pelo menos uma parte do substrato 3f (por exemplo, por evaporação), um nanomesh de nanopartículas de ouro e/ou similares (condutor elétrico) 3u, com uma espessura de cerca de 0,1 a 1 nanômetro, aplicadas (por exemplo, por evaporação sobre pelo menos uma parte da camada de metamaterial 3m.

[00045] O tamanho de partícula das nanopartículas do metamaterial 3m pode geralmente estar em uma faixa de cerca de 1 a 20 nanômetros, opcionalmente de cerca de 1 a 100 nanômetros. Os tamanhos de partícula de nanomesh 3u de ouro geralmente podem ser de cerca de 20 a 100 nanômetros, e uma dimensão (tamanho) de seus poros 3p pode geralmente ser de 0,1 a 1 nanômetros. O substrato 3f pode ser feito de um material opticamente transparente e, em algumas modalidades, é implementado por uma película fina feita de material que fornece transparência por sinterização (por exemplo, cerâmica) e com uma espessura de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

[00046] Em algumas modalidades, a camada de metamaterial 3m é feita de nanopartículas de VO2, que podem ter diferentes formas. Uma dimensão geométrica do comutador óptico 3 em algumas modalidades possíveis é de cerca de algumas centenas de nanômetros de diâmetro, opcionalmente de cerca de 100 a 500 nanômetros, o que é significativamente menor do que as dimensões geométricas dos comutadores ópticos disponíveis até agora. Esse comutador óptico de tamanho menor para a Terahertz que classifica as velocidades de comutação (por exemplo, com base em materiais de óxido de vanádio) pode superar algumas das barreiras técnicas para a comutação de alta velocidade Terahertz, oferecendo uma solução que pode alterar as tecnologias de armazenamento de dados, comunicação de dados e telecomunicações.

[00047] A Fig. 1B ilustra esquematicamente a estrutura e operação de um comutador óptico 10 de acordo com algumas modalidades possíveis. Neste exemplo não limitativo, uma fina camada de metamaterial 3m é depositada em um substrato fino (não mostrado) e pelo menos parcialmente coberto por nanomesh de ouro (não mostrado) configurado para ser irradiado por sinais gerados pela fonte de sinal 8. O comutador óptico 10 compreende, em algumas modalidades, grades ópticas 11 formadas por linhas metálicas paralelas aplicadas sobre pelo menos alguma seção, ou toda a superfície, do metamaterial 3m, para aprimorar os processos não lineares da superfície (por exemplo, para conversão de frequência). As grades 11 podem ser feitas por erosão mecânica ou química.

[00048] A distância d entre as grades de metal 11 pode ser configurada para radiação de entrada de correspondência de fase 10a de diferentes comprimentos de onda para fornecer uma radiação de saída de fase coerente e correspondente à fase 10b. Essa distância d é tipicamente configurada para ser substancialmente menor que o comprimento de onda da radiação de entrada 10a (por exemplo, RF, micro-ondas ou Terahertz), por exemplo, em algumas modalidades d é de cerca de 10 micrômetros, garantindo assim que todos os comprimentos de onda de entrada da radiação de entrada 10a passem através do interruptor óptico 10 para produzir uma radiação de saída coerente e de fase correspondente 10b.

[00049] Os sinais 8r (luz eletromagnética/RF/ radiação de microondas ou elétrons/campo elétrico) da fonte de sinal 8 aplicada ao metamaterial 3m do comutador óptico 10 causa a liberação de elétrons quentes das partículas de ouro de nanomesh na camada de metamaterial, 3m, fazendo com que o metamaterial 3m mude de uma fase opaca para uma fase transparente, dentro de um intervalo de tempo menor que um picossegundo. A mudança de fase da camada de metamaterial 3m pode ser usada para modular a radiação eletromagnética de entrada 10a direcionada para um lado do dispositivo 10, para produzir uma saída com desvio de fase 10b da radiação eletromagnética, do outro lado do dispositivo 10.

[00050] A fonte de sinal 8 pode ser fisicamente conectada ao comutador óptico 10, por exemplo, usando um fotomisturador ou multiplicador de frequência, ou pode ser implementada por uma fonte de sinal usando uma porta de proximidade para aplicar a radiação eletromagnética de entrada 10a, por exemplo, fotomisturador ou multiplicador de frequência (ou seja, sem entrar em contato físico com o dispositivo de chave 10), capaz de gerar sinais de pulso próximos e/ou na faixa de frequência Terahertz, por exemplo, ≥ 400 Gb/s e até 40 THz. A Fig. 1C ilustra graficamente a mudança de fase obtida entre a radiação eletromagnética de entrada 10a e a radiação eletromagnética 10b emitida pelo comutador óptico 10, se encaixa perfeitamente nos cálculos mostrados pelo gráfico de linha tracejada 10c.

[00051] A Fig. 2 ilustra esquematicamente um comutador óptico 7 de acordo com algumas modalidades possíveis. O comutador óptico 7 compreende um substrato condutor de onda 7t configurado para passar a radiação eletromagnética (EMR) 9d gerada pela fonte EMR 9 (por exemplo, gerador de luz a laser), uma camada de nanopartículas de metamateriais 7u acoplada opticamente a pelo menos uma parte do substrato transmissivo 7t, e a camada de nanomesh 7v aplicada sobre pelo menos uma parte da camada de metamaterial 7u. O substrato condutor de onda 7t pode ser configurado para passar o EMR 9d através dele ao longo de seu comprimento por reflexão interna total (TIR), por exemplo, usando material transmissivo óptico adequado e/ou revestimento (não mostrado).

[00052] Os sinais de modulação (luz EMR, RF, micro- ondas, Terahertz ou elétrico) 8r gerados pela fonte de sinal 8 e aplicados à camada de nanomesh 7v são usados para alternar a camada de metamaterial 7u entre suas fases opticamente opaca e transparente, afetando de forma correspondente as propriedades de reflexão interna do substrato condutor de onda 7t entre refletores ópticos e não refletores (ou parcialmente refletores), estados, modulando assim a entrada EMR 9d de acordo com os sinais de modulação aplicados 8r.

[00053] Em algumas modalidades, as fontes de radiação eletromagnética e/ou as fontes de sinal moduladoras 8 utilizam técnicas e/ou implementações descritas e ilustradas na publicação internacional No. WO 2007/132459 e/ou pedido de patente No. US 9.964.442, da mesma Requerente, cuja divulgação é aqui incorporada por referência. O EMR modulado produzido pelos dispositivos aqui divulgados pode ser detectado por detectores de última geração, tais como, sem limitação, detectores passivos ou ativos.

[00054] Em algumas modalidades, metamateriais configurados para causar de forma controlável refração negativa são usados para modular a radiação eletromagnética. Por exemplo, em possíveis modalidades, o metamaterial é opticamente acoplado a uma porção de um núcleo transmissivo de uma fibra óptica ou de um ressonador óptico, em que a fase da luz que passa através da mesma é deslocada pela aplicação dos sinais de modulação (8r) para nanomesh de ouro aplicado sobre pelo menos uma parte do metamaterial. Os objetivos de tais interruptores/ moduladores ópticos incluem alta eficiência de modulação, sinal de modulação de baixa potência (8r), por exemplo, tensão, baixa perda de inserção, alta taxa LIGA/DESLIGA, grande modulação com comprimento de onda "elástico", chirp de frequência desprezível ou controlável e vida útil longa.

[00055] A Fig. 3 ilustra esquematicamente um dispositivo de modulação óptica 17 de acordo com algumas modalidades possíveis. O dispositivo de modulação 17 compreende uma linha de onda de entrada 22a configurada para introduzir a entrada EMR 9d (Entrada A) no modulador 17, um divisor óptico 22p configurado para dividir a entrada EMR 9d em primeira e segunda linhas de onda, 22f e 22s, respectivamente, um modulador óptico 30 acoplado opticamente à segunda linha de onda 22s e um combinador óptico 22c configurado para combinar o EMR viajando ao longo da primeira e segunda linhas de onda, 22f e 22s, em uma linha de onda de saída 22b (Saída C). O modulador óptico 30 está configurado para alterar de forma controlável o EMR que passa através da segunda linha de onda 22s, responsivo aos sinais de modulação (entrada b) recebidos da fonte de sinal 8 e introduzir responsavelmente os desvios de fase. Deste modo, os EMRs da primeira e da segunda linhas de onda são combinados de maneira construtiva ou destrutiva pelo combinador óptico 22c, responsivo aos sinais de modulação da fonte de sinal 8, modulando assim opticamente o EMR de entrada 9d. O modulador óptico 30 pode ser implementado utilizando qualquer um dos interruptores/ moduladores ópticos descritos acima e abaixo.

[00056] A Fig. 4A ilustra esquematicamente um modulador óptico 20 utilizando um ressonador WGM em anel

28. O ressonador 28 em anel é opticamente acoplado a uma linha de onda de entrada 22a, configurada para introduzir no ressonador 28 o EMR de entrada e a uma linha de onda de saída 22b, configurada para receber do ressonador 28 o EMR de saída modulado pelo ressonador 28. O ressonador de anel 28 compreende um conjunto de metamaterial 23 opticamente acoplado a pelo menos uma seção do seu núcleo opticamente transmissivo. O conjunto de metamaterial 23 pode ser acoplado a seções angulares/de arco definidas sobre o eixo central/de simetria do ressonador 28c (definido pelo ângulo ) e/ou sobre seu eixo circular 28r (definido pelo ângulo ). Opcionalmente, o conjunto de metamaterial 23 é opticamente acoplado a toda a circunferência transversal do ressonador de anel 28 (= 360º). Opcionalmente, o conjunto de metamaterial 23 é opticamente acoplado a toda a circunferência seccional do ressonador de anel 28 ( =

360º).

[00057] O conjunto de metamaterial 23 compreende uma camada de nanopartículas de metamaterial (por exemplo, VO2) 23v, aplicadas em pelo menos uma porção de (ou em toda) uma seção de parede do material do núcleo do ressonador de anel 28 e nanomesh de ouro 23u aplicado em pelo menos uma parte da camada de nanopartículas de metamateriais 23v. Nanomesh 23u é configurado para receber sinais de modulação (eletromagnéticos e/ou elétricos) da fonte de sinal 8 e alterar responsivamente a camada de nanopartículas de metamateriais 23v entre seus estados opticamente transmissivo e opticamente não transmissivo para modular o EMR introduzido nele pela linha de onda de entrada 22a.

[00058] A Fig. 4B ilustra esquematicamente um dispositivo modulador óptico 40 utilizando uma pluralidade de ressonadores WGM opticamente acoplados 41, 42, 43 e 44, configurados para preencher a lacuna de comprimento de onda entre dois suportes de dados EMR de entrada, F1 e F2, de diferentes frequências (por exemplo, luz e/ou sinais Terahertz). O modulador 40 compreende as respectivas linhas de onda de entrada, 45 e 46, configuradas para introduzir os transportadores EMR, F1 e F2, respectivamente, no ressonador WGM principal/modulação 41, por exemplo, por proximidade, isto é, acoplamento óptico sem contato físico com o ressonador WGM 41. O ressonador WGM 41 é feito em algumas modalidades a partir de um material dielétrico cuja parede interna é coberta por um conjunto de metamateriais 23, ou seja, compreendendo uma camada de nanopartículas de metamateriais (por exemplo, VO2) coberta por um nanomesh eletricamente condutor (por exemplo, feito de ouro).

[00059] O ressonador WGM principal 41 está configurado para interceptar os portadores de EMR modulados F1 e F2 propagando ao longo das linhas de entrada 45 e 46, acoplando suas frequências uma à outra à medida que ressoam ao longo da parede interna do ressonador WGM 41 coberto pelo conjunto de metamaterial 23 e radiação de EMR de saída através da linha de saída 47 acoplada opticamente ao ressonador WGM principal 41. O EMR de saída propagando-se ao longo da linha de onda de saída 47 combina assim os portadores de EMR modulados para fornecer o EMR de saída F1 + F2. Isso é alcançado em algumas modalidades por grades configuradas para facilitar processos não lineares que produzem efeito de fusão EMR por carga superficial aleatória e possíveis estados locais de equilíbrio na superfície. Desta maneira, a interferência/combinação entre EMR de comprimentos de onda substancialmente diferentes é facilitada (por exemplo, RF e Terahertz). Grades (por exemplo, grades metálicas - não mostradas) podem ser aplicadas sobre o conjunto metamaterial, como demonstrado na Fig. 1B.

[00060] Os ressonadores auxiliares do WGM, 42, 43 e 44, podem ser feitos de um material dielétrico cuja parede interna é coberta pelo conjunto de metamaterial 23. Os ressonadores auxiliares do WGM, 42, 43 e 44, são opticamente acoplados ao ressonador principal do WGM (por proximidade), mas suas dimensões geométricas são configuradas para moldar o EMR combinado preso dentro dos ressonadores WGM principais/de modulação 41 de maneira predefinida para introduzir padrões de radiação a serem usados para desmodular o sinal combinado em um receptor

(não mostrado) que recebe o EMR de saída propagando ao longo da linha de onda de saída 47, por exemplo, adicionando padrões (nenhuma informação) às variações espectrais da transportador e à informação modulada que serve para evitar erros na comunicação.

[00061] Dessa maneira, várias transportadoras EMR com frequências diferentes (por exemplo, RF, micro-ondas e/ou Terahertz) podem ser combinadas opticamente em uma única transportador EMR e transmitidas para o receptor. Embora os ressonadores WGM 41, 42, 43 e 44, mostrados neste exemplo não limitativo sejam elipsoides, outras configurações e formas podem ser usadas de maneira semelhante. As dimensões do ressonador elipsoide principal WGM 41 podem geralmente ser de cerca de 10 a 150 mícrons, e as dimensões do ressonador elipsoide WGM auxiliar elíptico, 42, 43 e 44, geralmente podem ser menores que o elipsoide principal/modulação 41 para impedir a modulação.

[00062] A Fig. 5A ilustra esquematicamente um sistema óptico de comunicação de dados 33 utilizando um modulador óptico 17' configurado para receber dois sinais de modulação e combiná-los em uma portadora EMR, neste exemplo específico e não limitativo, uma portadora terahertz, THz1, THz2. O modulador óptico 17' pode ser implementado por um conjunto do dispositivo modulador óptico (17) mostrado na Fig. 3A, ou por uma implementação dos moduladores baseados em ressonador WGM das Figs. 4A e/ou 4B, modificado para modular opticamente uma pluralidade de ondas EMR com diferentes comprimentos de onda, THz1, THz2,...

[00063] O dispositivo modulador óptico modificado

17' neste exemplo compreende uma unidade de modulação óptica 30 em cada uma das linhas de onda 22f e 22s, para modular opticamente o EMR introduzido em cada dispositivo modulador óptico 17' por dois sinais de modulação respectivos, para realizar a modulação de ramificação, de modo que cada ramificação implemente um canal de dados separado por sua respectiva unidade de modulação óptica 30. O sistema 33 compreende um primeiro conjunto 39 de dispositivos moduladores ópticos 17', cada um configurado para receber e modular por deslocamento de fase de um respectivo transportador EMR, THz1, THz2, ..., com dois sinais de modulação do transponder 26. O transponder 26 está configurado para gerar dois sinais de modulação para cada dispositivo modulador óptico 17' no primeiro conjunto de dispositivo modulador óptico 39.

[00064] Um segundo conjunto de dispositivos moduladores ópticos 38 é configurado para modular EMR a partir da fonte de luz (por exemplo, fonte de laser) que passa através da linha de onda 36x. Cada dispositivo modulador óptico 17' no segundo conjunto de dispositivos moduladores ópticos 38 é configurado para receber dois respectivos sinais ópticos modulados produzidos pelo dispositivo modulador óptico 17' do primeiro conjunto de dispositivo modulador óptico 39 para modular o EMR na linha de onda 36x. O EMR modulado gerado pelo segundo conjunto de dispositivos moduladores ópticos 38 (também referido como sinal complexo) pode ser emitido pela unidade transmissora de antena 36, configurada para emitir a interface complexa de sinal via aérea. A unidade de sintonia 37 é opcionalmente usada para correlação eficiente de Shannon para adaptar os sinais modulados à largura de banda do transportador EMR.

[00065] A Fig. 5B ilustra esquematicamente um sistema óptico de comunicação de dados 35 compreendendo uma pluralidade de unidades de chip de moduladores ópticos 50 configurados para misturar dois sinais THz de frequências diferentes, cada um configurado para receber uma respectiva faixa específica do EMR de entrada 51 (por exemplo, de uma fonte de luz/laser) direcionada pelo prisma focalizado e dividida pelo prisma deslocado para criação de múltiplos canais, e inserir o EMR 52 (por exemplo, de uma fonte de luz/laser) da unidade combinadora 39 para integração de sinal e modular o mesmo em uma onda de Terahertz respectiva THz1, THz2,... As unidades de chip dos moduladores ópticos 50 podem ser implementadas pelos ressonadores WGM 40 mostrados na Fig. 4B configurados para acoplar EMR de dois suportes de dados EMR e gerar um respectivo EMR de saída Terahertz combinando os dois suportes de dados, conforme explicado acima.

[00066] A Fig. 5C ilustra esquematicamente ainda outro sistema de comunicação de dados ópticos 34, em que um respectivo dispositivo modulador óptico 17' é opticamente acoplado a cada unidade de chip de modulador óptico 50 do sistema 35 mostrado na Fig. 5B. Neste exemplo não limitativo, o dispositivo modulador óptico 17' é utilizado para combinar sinais de RF na entrada EMR 51, que são então combinados pela respectiva unidade de chip de modulador óptico 50 com o transportador de entrada EMR 52 do combinador 39, para gerar um respectivo canal THz.

[00067] Como demonstrado acima e abaixo, os dispositivos de modulação/comutação óptica do presente pedido introduzem tecnologias de modulação que podem operar de acordo com a natureza física de seu sinal, e as modalidades dos moduladores/comutadores ópticos podem ser empregadas para facilitar a interferência/combinação entre comprimentos de onda tão amplamente separados, ou seja, nas bandas de RF e Terahertz.

[00068] RF óptico e/ou THz são apenas uma categoria que inclui uma ampla variedade de novos dispositivos. Em algumas modalidades, os ressonadores ópticos e THz do modo de galeria sussurrante (WGM) são utilizados para modular o EMR de entrada. Compreender como esses dispositivos são fabricados e usados é importante para avaliar seu desempenho e limitações. Esta parte da descrição apresentará, portanto, essa classe de sensores ressonadores (transmissores e receptores) e descreverá como esses dispositivos podem ser usados para a comunicação de dados THz em geral, e para os centros de dados em particular como uma solução viável para uma comunicação rápida.

[00069] Os ressonadores ópticos WGM exibem sintonia e largura de linha de ressonância estreita e atingem intensidades extraordinárias de propriedades ópticas que originalmente levaram ao seu uso em algumas modalidades de telecomunicações como aparelho modulador. Desde então, eles evoluíram para ferramentas valiosas para investigar fenômenos ópticos não lineares e princípios eletrodinâmicos quânticos. Em algumas modalidades possíveis, os ressonadores ópticos WGM são utilizados para implementar moduladores ópticos de comunicação, conforme descrito abaixo. Essas modalidades podem ser usadas para, mas não se limitando a, ensaios bioquímicos de comunicação, ensaios biomédicos, ensaios de biologia química e molecular, pois sua extrema sensibilidade nessas áreas pode ser explorada para desenvolver instrumentação analítica e de diagnóstico.

[00070] Os ressonadores WGM derivam seu nome do caminho que a luz ressonante percorre quando circula na cavidade. Esse caminho é semelhante ao que as ondas sonoras percorreram a parede curva de uma sala circular estudada por Lord Rayleigh. Nessas galerias sussurrantes, duas pessoas de pé de frente para a parede, em lados opostos da sala, podem se ouvir mesmo com um sussurro. Essas pessoas não seriam capazes de se ouvir se elas se afastassem em direção ao centro da sala. Esse efeito é causado pelas paredes lisas e curvas que guiam as ondas sonoras em torno da periferia da sala com grande eficiência. As ondas sonoras que seguem qualquer outro caminho até o ouvinte são dissipadas ou dispersadas ao longo da rota.

[00071] Os ressonadores ópticos WGM são estruturas dielétricas capazes de capturar a luz em trajetos ao redor da periferia semelhantes aos capturados pelas ondas sonoras que viajam de uma pessoa para outra em uma galeria de sussurros. Embora Mie e Debye tenham descrito as frequências autonômicas ressonantes das esferas dielétricas antes do trabalho de Lord Rayleigh, o nome não foi aplicado a esse tipo de ressonador óptico até muito mais tarde.

[00072] Modalidades dos comutadores/moduladores ópticos aqui divulgados podem ser utilizadas em centros de dados para fornecer a escalabilidade e a rede adaptativa necessárias para a rede de dados moderna, por exemplo, aplicativos e repositórios de dados gerenciados em uma nuvem. Uma métrica comumente usada para determinar a eficiência energética de um centro de dados é a eficiência no uso de energia, ou PUE. Essa proporção simples é a energia total que entra no centro de dados dividida pela energia usada pelo equipamento de TI.

[00073] A energia total da instalação consiste na energia usada pelo equipamento de TI mais qualquer energia extra consumida por qualquer coisa que não seja considerada um dispositivo de computação ou de comunicação de dados (isto é, refrigeração, iluminação etc.). Um valor PUE ideal é 1,0 para a situação hipotética de zero sobrecarga de energia. O centro de dados médio nos EUA tem uma PUE de 2,0, o que significa que a instalação usa dois watts de energia total (sobrecarga + equipamento de TI) para cada watt entregue ao equipamento de TI. A eficiência energética de ponta do centro de dados é estimada em aproximadamente 1,2. Alguns grandes operadores de centro de dados, como Microsoft e Yahoo! publicaram projeções de PUE para instalações em desenvolvimento; O Google publica o desempenho real trimestral da eficiência dos centros de dados em operação.

[00074] A eficiência energética é um dos principais recursos para algumas das modalidades aqui divulgadas. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA tem uma classificação Energy Star para centros de dados independentes ou grandes. Para se qualificar para o rótulo ecológico, um centro de dados deve estar dentro do quartil superior de eficiência energética de todas as instalações relatadas. A União Europeia também possui uma iniciativa semelhante, conhecida como Código de Conduta da UE para Centros de Dados.

[00075] Frequentemente, o primeiro passo para reduzir o uso de energia em um centro de dados é entender como a energia está sendo usada no centro de dados. Existem vários tipos de análise para medir o uso de energia do centro de dados. Os aspectos medidos incluem não apenas a energia usada pelo próprio equipamento de TI, mas também pelos equipamentos da instalação do centro de dados, como refrigeradores e ventiladores.

[00076] Energia é o maior custo recorrente para o usuário de um centro de dados. Uma análise de energia e refrigeração, também conhecida como avaliação térmica, mede as temperaturas relativas em áreas específicas, bem como a capacidade dos sistemas de refrigeração de lidar com temperaturas ambientes específicas. Uma análise de energia e refrigeração pode ajudar a identificar pontos quentes, áreas superaquecidas que podem lidar com maior densidade de uso de energia, o ponto de interrupção do carregamento do equipamento, a eficácia de uma estratégia de piso elevado e o posicionamento ideal do equipamento (como unidades de CA) para equilibrar as temperaturas no centro de dados. A densidade de resfriamento de energia é uma medida de quanto de metragem quadrada o centro pode resfriar na capacidade máxima.

[00077] Uma análise de eficiência energética mede o uso de energia dos equipamentos de TI e instalações do centro de dados. Uma análise típica de eficiência energética mede fatores como a eficácia do uso de energia

(PUE) de um centro de dados em relação aos padrões da indústria, identifica fontes mecânicas e elétricas de ineficiência e identifica métricas de gerenciamento de ar.

[00078] Para explorar as oportunidades dos comutadores/moduladores ópticos aqui divulgados para a comunicação de dados de taxas de dados THz, os sistemas de comunicação de dados conforme aqui divulgados podem ser concebidos utilizando a comunicação multi-hop, em que os nós na rede são capazes de se comunicar com a ajuda de dois ou mais outros nós, que estão atuando como nós de relé entre a comunicação THz do nó de origem e de destino com os relés passivo e ativo. Os benefícios do uso de relés intermediários entre um transmissor e um receptor nas frequências da banda THz são vários. Como em qualquer sistema de comunicação sem fio, a potência de transmissão e, portanto, o consumo de energia, pode ser reduzida com vários saltos intermediários entre o transmissor e o receptor. Além disso, devido ao comportamento exclusivo dependente da distância da largura de banda disponível, a redução da distância de transmissão resulta na disponibilidade de bandas muito mais amplas e, portanto, na transmissão com taxas de bits muito mais altas. Isso pode contribuir, mais uma vez, para grandes economias de energia.

[00079] Conforme indicado acima, as modalidades aqui divulgadas podem ser usadas para desenvolver novos tipos de condutores ópticos rápidos configurados para operar com base no acoplamento de carga versus condutividade regular.

[00080] As novas redes de nano sensores vestíveis permitem um conjunto de aplicações valiosas nos campos biomédico e ambiental. Ao mesmo tempo, o estado atual das tecnologias de comunicação limita significativamente os recursos de processamento das nanomáquinas em potencial. Consequentemente, o que implica que toda a análise dos dados coletados precisa ser realizada em um dispositivo macro. Portanto, para habilitar efetivamente os aplicativos há muito esperados das redes nano, é necessária uma integração perfeita nas infraestruturas de rede existentes, levando ao conceito de Internet das Coisas Nano. Nas modalidades deste pedido, a interoperabilidade entre as redes macro já implantadas e as redes nano emergentes é investigada preliminarmente.

[00081] No entanto, a solução para esse problema não é trivial, pois as redes macro sem fio existentes usam principalmente as comunicações eletromagnéticas baseadas em operadora, enquanto as nanomáquinas precisam contar com radiação EM baseada em pulso de ultra baixa potência ou objetos inerentemente móveis como portadores de informações. Portanto, a interação direta entre redes macro e nano atualmente não é viável, forçando o uso de nós de ponte de ligação especiais. Além disso, as soluções modernas para nano comunicações precisam ser rapidamente aprimoradas para permitir a construção de redes em grande escala, além das técnicas existentes no nível do link. Inúmeras questões teóricas devem ser abordadas para atingir esse objetivo, desde o projeto de uma técnica de modulação e codificação adequada até a mitigação dos efeitos de ruído e interferência. Modalidades divulgadas neste documento também representam a porta de entrada para este campo.

[00082] Note-se que a combinação de comutadores/moduladores baseados em metamateriais (por exemplo, usando partículas VO2 para transitar entre estados opacos e transparentes do metamaterial com intervalo de tempo PS) com ressonadores WGM (por exemplo, anel de ressonância PANDA) pode fornecer implementações rápidas de comunicação de dados ópticos, e antenas personalizadas para espectro de aplicações nos campos da biologia, química, ciência dos materiais, rede Nano etc.

[00083] Como descrito acima e mostrado nas figuras associadas, o presente pedido fornece comutadores e moduladores ópticos para taxas de comunicação de dados Terahertz e métodos para fabricar os mesmos. Embora modalidades particulares da invenção tenham sido descritas, será entendido, no entanto, que a invenção não está limitada a elas, uma vez que modificações podem ser feitas por aqueles versados na técnica, particularmente à luz dos ensinamentos anteriores. Como será reconhecido pela pessoa qualificada, a invenção pode ser realizada de uma grande variedade de maneiras, empregando mais de uma técnica dentre as descritas acima, todas sem exceder o escopo das reivindicações.

Claims (40)

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de comutação óptica utilizável para taxas de comunicação de dados em Terahertz, o dispositivo caracterizado pelo fato de compreender um substrato opticamente transmissivo configurado para propagar radiação eletromagnética através do mesmo e um arranjo de metamaterial opticamente acoplado ao referido substrato, o referido arranjo de metamaterial compreende pelo menos uma camada de partículas de metamateriais acopladas opticamente a pelo menos uma porção do referido substrato opticamente transmissivo e pelo menos uma camada de nanomesh feita de pelo menos um material eletricamente condutor colocado sobre pelo menos uma porção da referida pelo menos uma camada de metamaterial, a referida pelo menos uma camada de nanomesh configurada para descarregar elétrons na referida pelo menos uma camada de metamaterial responsiva a sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamaterial, e a referida pelo menos uma camada de metamaterial configurada para mudar de um estado opticamente opaco para um estado opticamente transparente ao receber os elétrons descarregados, desse modo tendo pelo menos parcialmente radiação eletromagnética passando pelo substrato.

2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato opticamente transmissivo é pelo menos uma porção de uma fibra óptica.

3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato opticamente transmissivo é pelo menos uma porção de um ressonador óptico WMG.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o ressonador WMG é um tipo de ressonador PANDA.

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato opticamente transmissivo é uma película fina.

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o substrato tem uma espessura de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de metamaterial compreende óxido de vanádio.

8. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de metamaterial é configurada para exibir refração negativa ao receber os elétrons descarregados.

9. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende grades de metal formadas no arranjo de metamaterial.

10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a espessura de pelo menos uma camada de partículas de metamateriais é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula de pelo menos uma camada de partículas de metamateriais é de cerca de 1 a 100 nanômetros.

12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de nanomesh compreende ouro.

13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a espessura da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 20 a 100 nanômetros.

15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma dimensão de poro da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

16. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ter uma dimensão geométrica de cerca de 100 a 500 nanômetros.

17. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamaterial estão nas bandas de frequência RF, micro-ondas ou Terahertz.

18. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamaterial estão na faixa de 100 MHz a 40 THz.

19. Modulador óptico utilizável para taxas de comunicação de dados em Terahertz, o modulador caracterizado pelo fato de compreender o dispositivo de comutação óptica, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18, uma linha de onda de entrada configurada para introduzir radiação eletromagnética de entrada no referido dispositivo de comutação óptica e uma linha de onda de saída configurada transferir radiação eletromagnética de saída pelo menos parcialmente alterada pelo referido dispositivo de comutação óptica.

20. Conjunto modulador óptico utilizável para taxas de comunicação de dados em Terahertz, o modulador caracterizado pelo fato de compreender uma linha de onda de entrada configurada para introduzir radiação eletromagnética de entrada no referido conjunto modulador óptico, um divisor óptico configurado para receber a radiação eletromagnética de entrada da referida linha de onda de entrada, primeira e segunda linhas de onda acopladas opticamente ao referido divisor óptico para receber porções da radiação eletromagnética da linha de onda de entrada assim dividida, pelo menos um dispositivo de comutação óptica, conforme definido na reivindicação 2, acoplado opticamente a um núcleo respectivo de pelo menos uma das referidas primeira e segunda linhas de onda, e um combinador óptico acoplado opticamente às referidas primeira e segunda linhas de onda para combinar a radiação eletromagnética recebida nas mesmas a partir do divisor óptico e pelo menos parcialmente alterada pelo referido pelo menos um dispositivo de comutação óptica.

21. Modulador óptico, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de compreender uma linha de onda de saída configurada para receber a radiação eletromagnética combinada pelo combinador óptico.

22. Modulador óptico, de acordo com a reivindicação 20 ou 21, caracterizado pelo fato de compreender o primeiro e o segundo dispositivos de comutação óptica, respectivamente acoplados aos núcleos da primeira e da segunda linhas de onda.

23. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 22, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de metamaterial compreende óxido de vanádio.

24. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 23, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de metamaterial é configurada para exibir refração negativa ao receber os elétrons descarregados.

25. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 24, caracterizado pelo fato de compreender grades de metal formadas no arranjo de metamaterial.

26. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 25, caracterizado pelo fato de que a espessura de pelo menos uma camada de partículas de metamateriais é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

27. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 26, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula de pelo menos uma camada de partículas de metamateriais é de cerca de 1 a 100 nanômetros.

28. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 27, caracterizado pelo fato de que o pelo menos metamesh compreende ouro.

29. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 28, caracterizado pelo fato de que uma espessura da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

30. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 29, caracterizado pelo fato de que o tamanho de partícula da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 20 a 100 nanômetros.

31. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 30, caracterizado pelo fato de que uma dimensão de poros da pelo menos uma camada de nanomesh é de cerca de 0,1 a 1 nanômetro.

32. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 20 a 31, caracterizado pelo fato de ter uma dimensão geométrica de cerca de 100 a 500 nanômetros.

33. Modulador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamateriais estão nas bandas de frequência RF, micro-ondas ou Terahertz.

34. Modulador, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os sinais eletromagnéticos ou elétricos aplicados ao arranjo de metamaterial estão na faixa de 100 MHz a 40 THz.

35. Dispositivo combinador óptico para combinar dois ou mais suportes de dados eletromagnéticos, o referido dispositivo combinador caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um ressonador WGM tendo um revestimento de montagem de metamaterial sobre uma seção de parede interna do mesmo, pelo menos duas linhas de onda de entrada acopladas opticamente ao referido pelo menos um ressonador WGM para a introdução de pelo menos dois portadores de dados eletromagnéticos respectivos e, pelo menos, uma linha de onda de saída acoplada opticamente ao referido pelo menos um ressonador WGM para emitir radiação eletromagnética presa no interior do referido pelo menos um ressonador WGM e pelo menos parcialmente fundir os referidos pelo menos dois suportes de dados eletromagnéticos.

36. Combinador óptico, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que o conjunto de metamaterial compreende óxido de vanádio.

37. Combinador óptico, de acordo com a reivindicação 35 ou 36, caracterizado pelo fato de que o conjunto de metamaterial compreende ouro.

38. Combinador óptico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 35 a 37, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um ressonador WGM auxiliar com o revestimento de montagem de metamaterial sobre uma parede interna e acoplado opticamente ao referido pelo menos um ressonador WGM, pelo menos um ressonador WGM auxiliar configurado para moldar a radiação eletromagnética presa no interior do referido pelo menos um ressonador WGM de uma maneira predefinida.

39. Combinador óptico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 35 a 38, caracterizado pelo fato de compreender grades formadas no conjunto de metamaterial do pelo menos um ressonador WGM.

40. Combinador óptico, de acordo com a reivindicação 38 ou 39, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos ressonadores WGM é um ressonador em forma de elipsoide.