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Hintergrund
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Lichtstrahlen oder optische Signale werden häufig verwendet, um digitale Daten zu übertragen. Zum Beispiel werden optische Signale in Faseroptiksystemen für Fernsprechtelefondienst und Internetkommunikation verwendet. Zusätzlich dazu werden optische Signale häufig verwendet, um Daten zwischen elektronischen Komponenten auf einer einzelnen Schaltungsplatine oder zwischen elektronischen Komponenten auf benachbarten oder naheliegenden Schaltungsplatinen zu übertragen.
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Systeme, die eine optische Kommunikation verwenden, basieren häufig auf der präzisen Manipulation optischer Energie, üblicherweise in der Form eines Lichtstrahls, um eine gewünschte Aufgabe zu erreichen. Dies gilt insbesondere bei Systemen, die Licht für eine Hochgeschwindigkeits-, Niedrigenergie-Kommunikation zwischen mehreren Knoten verwenden. Bei solchen Systemen verkehren optische Datensignale üblicherweise durch einen oder mehrere Wellenleiter, die mit den verschiedenen Knoten verbunden sind.
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Zum effizienten Leiten von Informationen durch das System ist es häufig notwendig, verschiedene optische Signale zu kombinieren, zu trennen und zu leiten. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, ein spezifisches, optisches Signal aus einem ersten Wellenleiter zu extrahieren und es selektiv in einen beliebigen einer Anzahl von anderen Wellenleitern zu leiten. Dies kann erreicht werden durch Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal und dann Verwenden eines Lasers oder einer anderen optischen Quelle zum Rekonstruieren des optischen Signals in dem gewünschten Wellenleiter. Diese Technik hat eine Schlüsselbegrenzung: Die elektronischen Schaltungen begrenzen die maximale Bandbreite des Signals.
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Ein zweiter Ansatz verwendet eine optische Schaltvorrichtung zum Übertragen des optischen Signals von einem Wellenleiter zu einem anderen Wellenleiter. Optische Schalter können durch mechanische Einrichtungen arbeiten, wie z. B. physisches Verschieben einer optischen Faser derart, dass sie eine oder mehrere alternative Fasern treibt. Ein mechanischer Schalter ist relativ langsam und kann das optische Signal nur in eine geringe Anzahl von alternativen Fasern verschieben. Optische Schalter können auch elektrooptische Effekte, magnetooptische Effekte oder andere Verfahren verwenden. Diese optischen Schalter können viel schneller sein als mechanisch betätigte Schalter, sind aber immer noch eingeschränkt in ihrer Fähigkeit, optische Signale zu einer großen Anzahl von alternativen Wellenleitern ohne komplexe Architekturen und mehrere Schaltelemente zu leiten. Diese komplexen Architekturen können teuer herzustellen sein, zerbrechlich sein und einen relativ großen Bereich innerhalb der photonischen Vorrichtung benötigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen stellen verschiedene Ausführungsbeispiele der hierin beschriebenen Prinzipien dar und sind Teil der Beschreibung. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind nur Beispiele und schränken den Schutzbereich der Ansprüche nicht ein.
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1A bis 1F sind Diagramme, die die Betriebsprinzipien eines darstellenden, optischen Leitwegsystems darstellen, gemäß einem Ausführungsbeispiel von hierin beschriebenen Prinzipien.
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2A bis 2D sind Diagramme, die verschiedene Ausführungsbeispiele von darstellenden optischen Leitwegsystemen zeigen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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3 ist ein Diagramm eines darstellenden, zylindrischen Resonators, der eine Helix bildet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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4A und 4B sind Diagramme von darstellenden helixförmigen Resonatoren, die innerhalb eines optischen Leitwegsystems verwendet werden, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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5 ist ein Diagramm, das verschiedene darstellende Komponenten eines optischen Leitwegsystems zeigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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6A und 6B sind Diagramme, die darstellende Elektrodenkonfigurationen für ein optisches Leitwegsystem zeigen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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7A und 7B sind Diagramme, die ein optisches Leitwegsystem zeigen, das auf magnetooptischen Prinzipien betrieben wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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8A und 8B sind Diagramme, die ein optisches Leitwegsystem zeigen, das auf magnetooptischen Prinzipien betrieben wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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9 ist ein darstellendes Flussdiagramm, das ein Verfahren zeigt zum Verwenden eines optischen Leitwegsystems zum Richten optischer Energie von einem Quellwellenleiter in einen Zielwellenleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel der hierin beschriebenen Prinzipien.
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In den Zeichnungen bezeichnen durchgehend identische Bezugszeichen ähnliche, aber nicht notwendigerweise identische Elemente.
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Detaillierte Beschreibung
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In der folgenden Beschreibung sind zu Zwecken der Erklärung zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein tiefgreifendes Verständnis der vorliegenden Systeme und Verfahren zu geben. Es ist jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die vorliegenden Vorrichtungen, Systeme und Verfahren ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In der Beschreibung wird Bezug auf „ein Ausführungsbeispiel”, „ein Beispiel” oder ähnliches genommen, was bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel oder Beispiel beschrieben ist, in zumindest diesem einen Ausführungsbeispiel umfasst ist, aber nicht notwendigerweise in anderen Ausführungsbeispielen. Die verschiedenen Beispiele des Teilsatzes „bei einem Ausführungsbeispiel” oder ähnlicher Teilsätze an verschiedenen Stellen in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise alle auf dasselbe Ausführungsbeispiel.
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Optische Resonatoren werden zum selektiven Filtern, Schalten oder Modulieren von Lichtstrahlen verwendet. Bei einem solchen System ist ein Resonator üblicherweise durch einen optischen Wellenleiter in einer geschlossenen Schleife gebildet, der optisch mit einem anderen optischen Wellenleiter gekoppelt ist, der tangential zu der Schleife angeordnet ist. Die Resonatoren können selektiv optisch mit dem tangentialen Wellenleiter gekoppelt sein durch Abstimmen der Resonanzfrequenz des Resonators, um mit der Frequenz der optischen Energie innerhalb des tangentialen Wellenleiters übereinzustimmen. Wenn dies auftritt, wird optische Energie in dem tangentialen Wellenleiter der abgestimmten Frequenz in den Stegwellenleiter des Resonators gekoppelt oder übertragen.
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Zum Beispiel kann bei einem Wellenlängenmultiplexverfahren die optische Energie, die durch den tangentialen Wellenleiter übertragen wird, aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Wellenlängenbändern oder „Leitungen” bestehen. Jede Leitung kann schmal sein im Bereich von 1 MHz bis 1 GHz in der Breite. Jede unterschiedliche Leitung kann als ein Träger für ein separates Datensignal dienen. Durch Abstimmen der Resonanzfrequenz des Resonators auf eine spezifischen Wellenlänge kann optische Energie innerhalb einer bestimmten Leitung aus dem tangentialen Wellenleiter extrahiert werden. Diese optische Energie kann dann moduliert, erfasst, in einen neuen Wellenleiter geleitet oder bei ähnlichen anderen Operationen verwendet werden.
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1A bis 1F sind Diagramme, die die Operationsprinzipien eines darstellenden, optischen Leitwegsystems darstellen. 1A zeigt eine Endansicht eines Wellenleiterarrays (102), das aus parallelen Stegwellenleitern (105) besteht, die über ein Substrat (110) beabstandet sind. 1B zeigt eine Seitenansicht desselben Wellenleiterarrays (102). Jeder Wellenleiter (105) ist zugewiesen oder konfiguriert, um eine oder mehrere Frequenzen optischer Energie zu tragen. Datensignale können in verschiedene Frequenzen optischer Energie codiert sein, die in den Wellenleitern (105) enthalten ist. Wie oben erörtert wurde, kann es wünschenswert sein, optische Signale zu kombinieren, ein optisches Signal aus einem ersten Wellenleiter in einen zweiten Wellenleiter zu übertragen, Signale zu demultiplexen und andere solche Operationen auszuführen.
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1C und 1D zeigen ein darstellendes Ausführungsbeispiel eines optischen Leitwegsystems (100). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein zylindrischer Resonator (115) auf dem Wellenleiterarray (102) positioniert. Der zylindrische Resonator (115) ist in einer Kreuzschienenkonfiguration, wo der Zylinder (115) eine Anzahl von Wellenleitern (105) umspannt. Der zylindrische Resonator (115) hat eine Resonanzfrequenz, die selektiv abgestimmt werden kann z. B. durch Steuern der Temperatur, der mechanischen Belastung, des elektrischen Feldes oder anderer Parameter, die auf den Resonator (115) angewendet werden.
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Üblicherweise liegt ein leichter Zwischenraum zwischen dem Zylinder (115) und den oberen Oberflächen der Wellenleiter (105) vor. Ein unbeständiges optisches Lichtfeld, das sich in jeglichem der Wellenleiter (105) bewegt, kreuzt diesen Zwischenraum. Folglich kann eine spezifische Lichtwellenlänge, die sich innerhalb eines Wellenleiters (105) bewegt, über diesen Zwischenraum übertragen werden und in den zylindrischen Resonator (115), wenn der zylindrische Resonator (115) seine Resonanzfrequenz auf diese Lichtwellenlänge abgestimmt hat. Licht unterschiedlicher Wellenlängen bleibt unbeeinträchtigt durch den zylindrischen Resonator (115) und setzt sich durch den Wellenleiter (105) fort.
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1E und 1F stellen diese selektive, optische Kopplung zwischen den Wellenleitern (105, 107) und dem zylindrischen Resonator (115) dar. Wie vorangehend erörtert wurde, können die Wellenleiter (105, 107) eine oder mehrere Lichtwellenlängen enthalten. Wenn die Frequenz des zylindrischen Resonators (115) auf die spezifische Wellenlänge (oder Frequenz) des Lichts abgestimmt ist, wird dieses Licht in den zylindrischen Resonator (115) gekoppelt. Zum Beispiel enthält ein erster Wellenleiter (105) eine Ziellichtwellenlänge (106), auf die der zylindrische Resonator (115) abgestimmt ist. Ein Abschnitt dieser Ziellichtwellenlänge ist in den zylindrischen Resonator (115) gekoppelt und ist innerhalb des zylindrischen Resonators (115) als Whispering-Gallery-Mode (Whispering Gallery = Flüstergewölbe) (120) enthalten. Ein zweiter Wellenleiter (107) enthält eine unterschiedliche Lichtwellenlänge (108), die nicht in den zylindrischen Resonator (115) gekoppelt ist, bis der Resonator (115) auf diese Wellenlänge abgestimmt ist. Verschiedene Mechanismen zum Abstimmen des zylindrischen Resonators werden nachfolgend beschrieben.
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Whispering-Gallery-Moden (120) treten auf, wenn bestimmte Resonanzlichtfrequenzen in einem zylindrischen oder sphärischen Volumen begrenzt sind, das einen größeren Brechungsindex aufweist als das Medium, das es umgibt. Bei diesen Wellenlängen wird das Licht einer internen Totalreflexion an der Volumenoberfläche unterzogen und wird innerhalb des Volumens für Zeitrahmen im Bereich von Nanosekunden gefangen. 1F zeigt ein Querschnittdiagramm des optischen Leitwegsystems (100), das in 1E gezeigt ist. Whispering-Gallery-Moden (120) sind als Kreise um den Umfang des zylindrischen Resonators in 1F und Ovale in 1E dargestellt. Diese Whispering-Gallery-Moden (120) haben eine Tendenz, sich in Dimensionen auszubreiten, die der Resonator geometrisch nicht beschränkt. Zum Beispiel sind bei einem zylindrischen Resonator die Moden (120) in zwei Dimensionen durch den Umfang des Zylinders beschränkt, können sich aber axial entlang der Zylinderlänge ausbreiten.
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2A bis 2D sind Diagramme, die verschiedene Ausführungsbeispiele von darstellenden, optischen Leitwegsystemen (200, 290, 295, 298) darstellen, die diese Prinzipien verwenden. 2A zeigt ein optisches Leitwegsystem (200), das ein oberes Wellenleiterarray (202), ein unteres Wellenleiterarray (102) und einen zylindrischen Resonator (115) aufweist, der sandwichartig zwischen den zwei Wellenleiterarrays angeordnet ist. Das untere Wellenleiterarray (102) weist eine Anzahl von unteren Wellenleitern (105) auf, die gleichmäßig über ein Substrat (110) beabstandet sind. Zwischen den unteren Wellenleitern (105) wurde eine Anzahl von N-dotierten Elektroden (125) gebildet. Das obere Wellenleiterarray (202) enthält auf ähnliche Weise eine Anzahl von oberen Wellenleitern (205), die gleichmäßig über ein Substrat (200) beabstandet sind. Eine Anzahl von P-dotierten Elektroden (225) wurde in den Abständen zwischen den oberen Wellenleitern (205) gebildet.
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Durchgehend in der Beschreibung wird Bezug auf P-dotierte und N-dotierte Elektroden genommen. N-dotierte Elektroden werden gebildet durch Addieren von Verunreinigungen zu einem Halbleitermaterial, um die Anzahl von freien negativen Ladungsträgern zu erhöhen. Auf ähnliche Weise wird eine P-dotierte Elektrode gebildet durch Addieren von Verunreinigungen zu einem Halbleiter, um die Anzahl von freien positiven Ladungsträgern zu erhöhen. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass in vielen Fällen die Positionen von komplementären Paaren von P-dotierten und N-dotierten Elektroden ausgetauscht werden können und dass die P-dotierten und N-dotierten Bezeichnungen beliebig sind. In einigen Fällen können andere Elektrodentypen realisierbar sein, wie z. B. metallische Anschlussleitungen.
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Das optische Leitwegsystem (200) kann verwendet werden, um optische Energie von einem Quellwellenleiter (135) zu einem Zielwellenleiter (232) zu leiten. Um einen Abschnitt des zylindrischen Wellenleiters (105) mit dem Quellwellenleiter (135) zu koppeln, wird ein Paar aus Elektroden (130, 230) mit Energie versorgt, um Ladungsträger in den zylindrischen Resonator (115) zu injizieren. Die Ladungsträger ändern die Resonanzfrequenz eines Abschnitts des zylindrischen Resonators (115) derart, dass er auf die spezifischen Lichtfrequenz abgestimmt wird, die erwünscht ist, um aus dem Quellwellenleiter (135) extrahiert zu werden. Optische Energie dieser spezifischen Wellenlänge wird dann in diesen optischen Wellenleiter (115) gekoppelt und ist in einer Anzahl von Whispering-Gallery-Moden (235) enthalten. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel stimmt das Injizieren von Ladungsträgern zum Koppeln des Quellwellenleiters (135) auch die Schnittstelle zwischen dem zylindrischen Resonator (115) und dem Zielwellenleiter (232) ab, der optische Energie akzeptiert, die innerhalb des zylindrischen Resonators (115) enthalten ist. Diese optische Energie bewegt sich dann durch die Länge des Zielwellenleiters (232).
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In einigen Situationen stellt 2A eine idealisierte Darstellung der Whispering-Gallery-Moden (235) dar. Wie oben erwähnt wurde, breiten sich die Whispering-Gallery-Moden (235) natürlicherweise axial entlang der Länge des zylindrischen Resonators (115) aus.
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Wie nachfolgend beschrieben wird, kann das Ausbreiten der Whispering-Gallery-Moden (235) unerwünscht sein.
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2B stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines optischen Leitwegsystems (290) dar, das eine ähnliche geometrische Anordnung aufweist wie die, die in 2A dargestellt ist. Das optische Leitwegsystem (290) weist wiederum ein unteres Wellenleiterarray (104) und ein oberes Wellenleiterarray (204) auf. Das zylindrische Array (115) ist sandwichartig zwischen dem oberen Wellenleiterarray (204) und dem unteren Wellenleiterarray (104) angeordnet. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das Dotieren der Elektroden über ein einzelnes Wellenleiterarray derart abgewechselt, dass eine N-dotierte Elektrode (130) in einem ersten Raum zwischen Wellenleitern ist und eine P-dotierte Elektrode (140) in dem Raum zwischen dem nächsten Paar aus Wellenleitern ist.
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Bei diesem Beispiel wird der zylindrische Resonator (115) auf die gewünschte Wellenlänge abgestimmt durch Versorgen eines Paares aus Elektroden (240, 250) in dem oberen Wellenleiterarray (204) und eines Paares aus Elektroden (140, 150) in dem unteren Wellenleiterarray (104) mit Energie. Das Versorgen der Elektrodenpaare (140, 150; 240, 250) mit Energie injiziert Ladungsträger in einen Abschnitt des zylindrischen Resonators (115). Dies ändert den Brechungsindex des zylindrischen Resonators (115) dadurch, dass der Ladungsträger Licht innerhalb des zylindrischen Resonators (115) streut. Die Änderung des Brechungsindex ist proportional zu der Dichte der Ladungsträger innerhalb des Zylinders (115).
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Durch strategisches Platzieren der Elektroden innerhalb des optischen Leitwegsystems (290) kann die Ladungsträgerdichte innerhalb eines gewünschten Abschnitts des zylindrischen Resonators (115) lokalisiert werden. Die optische Energie (145) wird dann über die Schnittstelle zwischen dem Quellwellenleiter (142) und dem zylindrischen Resonator (115) gekoppelt. Diese optische Energie bildet Whispering-Gallery-Moden (240), die innerhalb des zylindrischen Resonators (115) enthalten sind. Wie in der Darstellung gezeigt ist, breiten sich diese Whispering-Gallery-Moden (240) derart aus, dass sie nicht mehr mit einem einzelnen Zielwellenleiter (242) gekoppelt sind, sondern durch eine Anzahl von sekundären Wellenleitern (255) empfangen werden. In einigen Fällen kann das Ausbreiten der Whispering-Gallery-Moden wünschenswert sein, aber in den meisten Fällen ist es wünschenswert, eine optische Frequenz präzise von einem einzelnen Quellwellenleiter zu einem bezeichneten Zielwellenleiter zu leiten.
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2C stellt zylindrische Resonatoren (260, 265, 270, 275) mit verschiedenen Geometrien dar, die entworfen sind, um die Whispering-Gallery-Moden präziser zu enthalten. Das darstellende, optische Leitwegsystem (295) weist wiederum ein oberes Wellenleiterarray (202) und ein unteres Wellenleiterarray (102) mit verschiedenen Geometrien von zylindrischen Resonatoren auf, die sandwichartig zwischen den zwei Wellenleiterarrays angeordnet sind. Wie vorangehend erörtert wurde, besteht das Wellenleiterarray aus einer Anzahl von Wellenleitern (105, 205), die auf dem Substrat (110, 200) gebildet sind. Eine Anzahl von Elektroden (155, 255) ist zwischen den Wellenleitern (105, 205) angeordnet. Verschiedene, zylindrische Resonatoren (260, 265, 270, 275) sind in elektrischem Kontakt mit zwei oder mehr der Elektroden. Diese Elektroden injizieren Ladungsträger in die zylindrischen Resonatoren (160, 265, 270, 275). Diese Ladungsträger ändern den Brechungsindex und stellen die Kopplung zwischen den verschiedenen Wellenleitern und den zylindrischen Resonatoren ein.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Länge eines zylindrischen Resonators variiert werden, um den Betrag der Ausbreitung in den Whispering-Gallery-Moden zu begrenzen. Zum Beispiel ist ein erster, zylindrischer Resonator (260) in Kontakt mit vier Wellenleitern und vier Elektroden. Dies grenzt die Dispersion der optischen Energie ein, die innerhalb des zylindrischen Wellenleiters (260) enthalten ist. Ein zweiter zylindrischer Resonator (265) ist kürzer und ist in elektrischem Kontakt mit nur zwei Elektroden und in optischer Nähe zu nur zwei Wellenleitern. Somit erlaubt der zweite zylindrische Resonator (265) nur eine Kopplung zwischen zwei Wellenleitern. Zum Leiten der optischen Energie zu Wellenleitern, die nicht direkt über dem Quellwellenleiter sind, könnte es wünschenswert sein, einen zylindrischen Resonator (270) mit einem Parallelogramm-Querschnitt zu bilden. Dieser optische Resonator (270) mit Parallelogramm-Querschnitt ist in Kontakt mit vier Elektroden in optischer Nähe zu vier Wellenleitern. Die Länge eines Parallelogramm-Optik-Resonators kann verkürzt werden, wie durch den kürzeren zylindrischen Parallelogramm-Querschnitt-Wellenleiter (275) gezeigt ist, der in Kontakt mit einem einzelnen Paar aus Elektroden ist und optische Energie von einem Quellwellenleiter diagonal zu einem einzelnen Zielwellenleiter leitet.
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Eine Vielzahl von anderen geometrischen Techniken kann verwendet werden, um die laterale Ausbreitung von Whispering-Gallery-Moden in Grenzen zu halten. Beispielhaft und nicht einschränkend könnte der zylindrische Resonator aus einer Anzahl von unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, die den Resonator segmentieren und die optische Energie von dem Quellwellenleiter zu dem gewünschten Zielwellenleiter richten. Zusätzlich dazu, da die Whispering-Gallery-Moden primär an dem Umfang des zylindrischen Resonators angeordnet sind, könnte eine Anzahl von Oberflächenmerkmalen, wie z. B. Rillen, Einkerbungen oder Bändern, verwendet werden, um die optische Energie zu richten.
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2D zeigt eine alternative Elektrodenkonfiguration zum Steuern der Schnittstellen zwischen den individuellen Wellenleitern und dem zylindrischen Resonator (115). Der Kern (285) des zylindrischen Resonators (280) ist P-dotiert und dient als eine erste Elektrode. Verschiedene N-dotierte Elektroden (160, 220) sind innerhalb des oberen Arrays (202) und des unteren Arrays (102) enthalten. Die Elektroden und Wellenleiterpaare sind beabstandet, um eine Kreuzkopplung zwischen benachbarten Wellenleitern aufgrund einer lateralen Ausbreitung von Whispering-Gallery-Moden zu minimieren. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Elektrodenanordnung zu einer hoch lokalisierten Ladungsdichte an den individuellen Schnittstellen führen.
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Während das Ändern der Geometrie des Resonators oder das Steuern der Ladungsträgerdichte die Ausbreitung der Whispering-Gallery-Moden einschränken kann und die optische Energie präzise richten kann, kann es auch die Flexibilität des optischen Leitwegsystems einschränken. Idealerweise wäre das optische Leitwegsystem in der Lage, optische Energie aus jedem Wellenleiter zu extrahieren und sie zu jedem anderen Wellenleiter zu richten. Wie nachfolgend beschrieben wird, kann die Verwendung von einem oder mehreren zylindrischen Resonatoren mit einer helixförmigen Rille um seinen Umfang ermöglichen, dass ein optisches Signal mit der gewünschten Flexibilität geleitet wird.
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3 ist ein Diagramm eines optischen Leitwegsystems (300), das einen Links-Helix-Resonator (301) verwendet. Bei diesem darstellenden Ausführungsbeispiel weist das optische Leitwegsystem (300) ein Wellenleiterarray (105) auf, das einen Links-Helix-Resonator (301) unterstützt. Der Helix-Resonator (301) ist ein spezieller Fall der zylindrischen Resonatoren, die vorangehend beschrieben wurden, und folgt denselben allgemeinen Operationsprinzipien.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Links-Helix-Resonator (301) einen Kern (305) auf, der eine Links-Helix (310) stützt, die um den Kern (305) gewickelt ist. Die Helix (310) bildet eine Schnittstelle mit mehreren Wellenleitern (105) und leitet selektiv optische Energie, die von einem Wellenleiter empfangen wird, zu einer großen Anzahl von anderen Wellenleitern, während gleichzeitig ein unerwünschtes Ausbreiten der Whispering-Gallery-Moden eingeschränkt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft eingehendes Licht (315) durch den Quellwellenleiter (302) und wird in die Helix (310) gekoppelt. Zum effektiven Koppeln von eingehendem Licht (315) über die Schnittstelle sollte der angrenzende Abschnitt der Helix (310) an die Lichtfrequenz in dem Quellwellenleiter (302) modenangepasst oder -abgestimmt sein. Die optische Energie bewegt sich durch die Helix (310), bis sie den Zielwellenleiter (304) erreicht. Die optische Energie wird dann in den Zielwellenleiter (304) gekoppelt und bewegt sich entlang der Länge des Zielwellenleiters (304).
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Wie vorangehend erörtert wurde, müssen Resonanzfrequenzen von Teilen des Helix-Resonators (301) geändert werden, um den gewünschten Kopplungsbetrag zwischen sowohl dem Quellwellenleiter (302) als auch dem Zielwellenleiter (304) zu erreichen. Diese Resonanzfrequenz kann abgestimmt werden, um eine spezifische Frequenz optischer Energie aus dem Quellwellenleiter zu extrahieren, die dann zu einem gegebenen Zielwellenleiter übermittelt wird. Zusätzlich zur Ladungsträgerinjektion wird nachfolgend eine Anzahl von anderen Techniken zur Moden-Anpassung oder -Abstimmung der Helix (310) erörtert, um Licht aus einem gewünschten Wellenleiter zu extrahieren.
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Dieses optische Leitwegsystem (300) kann insbesondere vorteilhaft sein bei Wellenlängenmultiplexanwendungen, wo mehrere optische Trägersignale an einer optischen Faser vorhanden sein können. Der Helix-Resonator kann abgestimmt sein, um eine einzelne dieser Wellenlängen zu extrahieren und sie zu einem separaten Zielwellenleiter zu leiten. Diese übertragene, optische Energie kann mit anderer optischer Energie kombiniert werden, die sich durch den Zielwellenleiter bewegt. Separate Abschnitte des Helix-Resonators können abgestimmt werden, um unterschiedlichen optischen Frequenzen innerhalb verschiedener Wellenleiter zu entsprechen, die durch die Helix empfangen werden und zu einer oder mehreren Zielwellenleitern geleitet werden. Dieses optische Leiten kann eine Anzahl von Zielen erreichen, die das Leiten eines einzelnen eingehenden optischen Signals in mehrere ausgehende optische Signale, das Schalten des optischen Signals, um sich durch einen alternativen Wellenleiter zu seinem Zielort zu bewegen, Multiplexen, Demultiplexen oder andere ähnliche Operationen umfassen.
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4A und 4B sind Diagramme von darstellenden Helix-Resonatoren (402, 301), die innerhalb eines optischen Leitwegsystems (400) verwendet werden. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Wellenleiterarray eine Mehrzahl von Wellenleitern (105) auf, die auf einem Substrat (110) gebildet sind. Über den Wellenleitern (105) sind ein Links-Helix-Resonator (301) und ein Rechts-Resonator (402) angeordnet. Der Links-Helix-Resonator weist einen Kern (305) und eine Links-Helix (310) auf. Der Rechts-Helix-Resonator (402) weist einen Kern (405) und eine Rechts-Helix (410) auf. Die verschiedenen Wellenleiter (105) sind in großer Nähe zu dem Außenumfang der Helices (310, 410). Durch Injizieren von Ladungsträgern über Elektroden, magnetooptische Effekte oder durch verschiedene andere elektrisch steuerbare Einrichtungen kann die Resonanzfrequenz an der Schnittstelle zwischen dem Außenumfang der Helix und jeglichem Wellenleiter auf spezifische Wellenlängen abgestimmt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können mehrere Lichtwellenlängen gleichzeitig von unterschiedlichen Quellwellenleitern zu einem oder mehreren Zielwellenleitern geleitet werden.
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4B zeigt ein darstellendes Verfahren zum Verwenden eines Paars aus Helices, um ein optisches Signal unter Verwendung einer Anzahl von rechtwinkligen Biegungen umzulenken, um einen Zielort zu erreichen. Der Quellwellenleiter (415) enthält die eingehende optische Energie (430). Ein Abschnitt des Links-Helix-Resonators (301) ist mit dem Quellwellenleiter (415) gekoppelt und akzeptiert die eingehende optische Energie. Die eingehende optische Energie (430) verläuft durch die Links-Helix und tritt dann in einen übertragenden Wellenleiter (425) ein. Der übertragende Wellenleiter (425) übermittelt die optische Energie zum dem Rechts-Helix-Resonator (402), wo sie in die Rechts-Helix (410) eintritt. Die Rechts-Helix (410) übermittelt die optische Energie zu dem Zielwellenleiter (420). Die optische Energie tritt dann in den Zielwellenleiter (420) ein und wird entlang diesem Wellenleiter zu ihrem nächsten Zielort übermittelt.
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5 ist eine auseinandergezogene Ansicht von verschiedenen darstellenden Komponenten eines optischen Leitwegsystems (500). Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das optische Leitwegsystem (500) Folgendes auf: Adressleitungen (502), ein Elektrodenarray (520), einen Rechts-Helix-Resonator (402), einen Links-Helix-Resonator (301) und ein Wellenleiterarray (202). Wie oben erörtert wurde, weist das Wellenleiterarray (202) eine Anzahl von parallelen Wellenleitern (105) auf, die auf einem Substrat (110) angeordnet sind. Die Geometrie des Wellenleiterarrays (202) ist nicht auf parallele Stegwellenleiter begrenzt, sondern kann angepasst sein, um die Anforderungen von verschiedenen Anwendungen zu erfüllen. Die Helix-Resonatoren (402, 301) liegen über den Wellenleitern (105), derart, dass die Helix-Resonatoren (402, 301) selektiv mit den Wellenleitern (105) gekoppelt sein können.
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Bei diesem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt das Elektrodenarray (502) über den Helix-Resonatoren und ist in elektrischem Kontakt mit dem Umfang der Helices, derart, dass die Ladungsträger injiziert werden können, um die Resonanzfrequenzen von Abschnitten der Helix-Resonatoren (402, 301) zu steuern. Zum selektiven Injizieren von Ladungsträgern erlauben eine Anzahl von Adressleitungen (502), dass verschiedene Elektroden innerhalb des Elektrodenarrays (502) selektiv betätigt werden. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weisen die Adressleitungen (502) eine Anzahl von Zeilenleitungen (510) und eine Anzahl von Spaltenleitungen (505) auf. Diese Zeilen- und Spaltenleitungen (505, 510) könnten analog zu Wort- und Bitleitungen in einem Speicherarray sein, die Zugriff auf individuelle Elemente innerhalb eines Arrays ermöglichen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Adressleitungen (502) den Wellenleiterstrukturen unterliegen. Die Adressleitungen (502) erlauben, dass ein X-Y-Punkt ausgewählt wird und vorgespannt wird, um die Resonanz eines Helix-Resonators (402, 301) an einer bestimmten Schnittstelle mit einem Wellenleiter (105) zu verschieben.
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6A und 6B sind darstellende Diagramme, die verschiedene Elektrodenkonfigurationen für optische Leitwegsysteme (600, 602) zeigen. Gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel kann das optische Leitwegsystem (600) eine Anzahl von Elementen aufweisen, die ein Wellenleiterarray (202) und ein Elektrodenarray (520), eine Anzahl von Helix- oder zylindrischen Resonatoren (604), die sandwichartig zwischen dem Wellenleiterarray und dem Elektrodenarray (520) angeordnet sind, und Adressleitungen (502) umfassen. Wie vorangehend erörtert wurde, können die Adressleitungen Spaltenleitungen (505) und Zeilenleitungen (510) umfassen. Elektrische Signale können entlang dieser Zeilen- und Spaltenleitungen (505, 510) zu individuellen Adresselementen innerhalb des Elektrodenarrays (520) geleitet werden.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel besteht das Elektrodenarray (520) aus einer Anzahl von P-dotierten und N-dotierten Elektroden (605, 610). Bei einem Ausführungsbeispiel sind die P-dotierten Elektroden (605) und die N-dotierten Elektroden (610) in elektrischem Kontakt mit dem Umfang eines zylindrischen oder Helix-Resonators (604). Eine Spannung ist über die Elektrodenpaare angelegt, die Ladungsträger in den Resonator (604) injiziert. Wie vorangehend erörtert wurde, ändert dies den Brechungsindex des Resonators (604). Wenn die Resonanzfrequenz des Resonators (604) auf eine optische Frequenz abgestimmt ist, die innerhalb des darunterliegenden Wellenleiters (105) enthalten ist, wird Licht in den oder aus dem Resonator (604) gekoppelt.
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6B zeigt ein alternatives Elektrodenausführungsbeispiel, das eine Anzahl von Zeilenleitungen (620) verwendet, die an ein Array der N-dotierten Elektroden (625) angebracht sind. Anstatt separate P-dotierte Elektroden zu verwenden, ist der Kern (630) des zylindrischen oder Helix-Resonators (615) P-dotiert und dient sowohl als die Zeilenleitung als auch die P-dotierte Elektrode. Dies reduziert die Anzahl von individuellen Elementen in dem optischen Leitwegsystem.
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7A und 7B zeigen ein alternatives Verfahren zum Steuern der Schnittstellen zwischen einem zylindrischen Resonator und einem tangentialen Wellenleiter. 7A ist ein Diagramm, das eine magnetooptische Vorrichtung (700) zeigt zum Steuern der optischen Kopplung zwischen einem zylindrischen Resonator (705) und einem tangentialen Wellenleiter (710). Bei diesem darstellenden Verfahren ist der zylindrische Resonator (705) oder Abschnitte desselben mit Unreinheiten dotiert, die die optischen Charakteristika des zylindrischen Resonators (705) in Gegenwart eines Magnetfelds (722) ändern. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die Dotierungsverunreinigung paramagnetisches Terbium sein (Tb). Das Anlegen eines externen Magnetfeldes (722) ordnet die magnetischen Momente an den Terbium-Unreinheiten, wodurch eine Phasenverschiebung bei der optischen Energie erzeugt wird, die sich durch den zylindrischen Resonator (705) ausbreitet. Die Resonanzfrequenzen des zylindrischen Resonators (705) werden folglich in Proportion zu dieser Phasenverschiebung abgestimmt. Wie vorangehend erörtert wurde, sollte die Resonanzfrequenz des zylindrischen Resonators (705) an optische Energie modenmäßig angepasst sein, die sich durch den tangentialen Wellenleiter (710) bewegt, damit die optische Energie über die Schnittstelle gekoppelt wird.
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Das externe Magnetfeld (722) kann durch eine Vielzahl von Verfahren erzeugt werden. Beispielhaft und nicht einschränkend kann das externe Magnetfeld erzeugt werden durch Leiten von Strom (725) durch einen elektrischen Leiter (720), der in der Nähe zu dem dotierten, zylindrischen Resonator (705) ist. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel verläuft der elektrische Leiter (720) durch den Mittelabschnitt des zylindrischen Resonators (705). Wenn Strom (725) durch den elektrischen Leiter (720) von rechts nach links geleitet wird, wie in dem Diagramm gezeigt ist, wird ein Magnetfeld (722) in einer ersten Ausrichtung erzeugt. Diese Ausrichtung des Magnetfeldes (722) erzeugt eine optische Phasenverschiebung innerhalb des dotierten, zylindrischen Resonators (705).
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Das Variieren der Menge an Strom (725), die durch den elektrischen Leiter (720) verläuft, ändert die Größe des Magnetfeldes (722), was die Größe der Phasenverschiebung innerhalb des zylindrischen Resonators (705) verändert. Folglich kann durch Variieren des Strombetrags (725), der durch den elektrischen Leiter (720) verläuft, die Resonanzfrequenz des zylindrischen Resonators (705) abgestimmt werden, um die gewünschten Lichtwellenlängen in den zylindrischen Resonator (705) zu koppeln. Eine zusätzliche Flexibilität beim Abstimmen des zylindrischen Resonators kann erhalten werden durch Umdrehen der Stromrichtung (725) innerhalb des elektrischen Leiters (722), was die Polarität des Magnetfeldes (722) umkehrt und die resultierende optische Phasenverschiebung.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeld (722), das durch den Strom (725) erzeugt wird, manipuliert werden durch Anbringen eines ferromagnetischen Materials in der Nähe zu dem zylindrischen Resonator (705). Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das ferromagnetische Material ein Permalloy-Abschnitt (715), der an die Seite des zylindrischen Resonators (705) angebracht ist. Ein Permalloy ist eine Nickel-Eisen-Magnetlegierung mit hoher magnetischer Permeabilität (hohem Grad an Magnetismus in Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes) und einer niedrigen Koerzivität (niedriger Restmagnetismus, wenn das angelegte Magnetfeld entfernt wird). Das Streumagnetfeld aus dem Permalloy-Abschnitt (715) verstärkt/konzentriert das Magnetfeld (722) an dem gewünschten Ort. Der Permalloy-Abschnitt (715) reduziert den Strombetrag, der erforderlich ist, um den zylindrischen Resonator auf eine gegebene Resonanzfrequenz abzustimmen. Zusätzlich dazu kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Permalloy-Abschnitt den Frequenzbereich erhöhen, über den der zylindrische Resonator abgestimmt werden kann.
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7B ist ein Diagramm, das ein darstellendes Ausführungsbeispiel zeigt zum Steuern einer Mehrzahl von Schnittstellen zwischen einem Helix-Resonator (735) und verschiedenen Wellenleitern (750, 752, 754). Bei diesem Ausführungsbeispiel werden individuell adressierbare elektrische Leiter (760, 762, 764) gewindemäßig durch den Mittelabschnitt des Helix-Resonators (735) geleitet. Um einen Durchgang durch den Mittelabschnitt des Helix-Resonators (735) zu erzeugen, kann ein Teil des stützenden Kerns (740) entfernt werden, wodurch die Helix (745) ungestört gelassen wird. Wie vorangehend erörtert wurde, kann ein komplementäres Gitter aus Steuerdrähten verwendet werden, um die elektrischen Leiter (760, 762, 764) zu adressieren. Eine Vielzahl von Leiterkonfigurationen kann verwendet werden, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen. Beispielhaft und nicht einschränkend kann ein elektrischer Leiter mehrere Male um den zylindrischen Resonator gewickelt sein oder in eine Spule geformt sein, die in die Nähe einer optischen Schnittstelle gebracht wird. Zusätzlich dazu können Permalloy-Abschnitte oder anderes ferromagnetisches Material in den Entwurf eingelagert werden, um das Formen der resultierenden Magnetfelder zu unterstützen.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren zum Koppeln und Entkoppeln des zylindrischen Resonators mit/von tangentialen Wellenleitern könnte eine Vielzahl von anderen Verfahren verwendet werden. Beispielhaft und nicht einschränkend könnten verschiedene elektrooptische Effekte verwendet werden. Zum Beispiel könnten Änderungen bei dem Brechungsindex des Materials des zylindrischen Resonators unter Verwendung des Pockels-Effekts (bei dem der Brechungsindex von bestimmten kristallinen Feststoffen linear variiert, teilweise auf ein angelegtes elektrisches Feld hin) oder des Kerr-Effekts (die Änderung bei dem Brechungsindex proportional zu dem Quadrat des elektrischen Feldes) ausgeführt werden. Änderungen bei der Absorption können auch eine starke Wirkung auf den Brechungsindex haben für Wellenlängen in der Nähe der Absorptionskante des optischen Materials. Änderungen bei der Absorption können unter Verwendung des Franz-Keldysh-Effekts, des Stark-Effekts, des quantenbegrenzten Stark-Effekts oder verschiedener anderer Elektroabsorptions- oder elektrochromatischer Effekte induziert werden.
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8A und 8B zeigen eine alternative Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Schnittstellen zwischen einem zylindrischen Resonator und einem tangentialen Wellenleiter. 8A ist ein Diagramm, das einen teilweise ausgeschnittenen Querschnitt einer magnetooptischen Vorrichtung (800) zeigt. 8B ist eine Draufsicht derselben Vorrichtung (800). Die magnetooptische Vorrichtung (800) umfasst eine Basis (818), auf der eine Mehrzahl von Stegwellenleitern (810, 812) gebildet sind. Über jedem der Stegwellenleiter (810, 812) ist ein Ringresonator (802, 804) platziert. Zwischen benachbarten Stegwellenleitern stellt ein Überbrückungselement (806) eine direkte optische Verbindung zwischen den zwei Ringresonatoren (802, 804) her.
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Für eine klare Darstellung ist nur ein kleiner Abschnitt der magnetooptischen Vorrichtung (800) dargestellt. Es kann eine große Anzahl von Stegwellenleitern vorliegen, in einem Array, das auf einem Substrat gebildet ist, mit einer entsprechenden Anzahl von Ringresonatoren, die miteinander durch Überbrückungselemente verkettet sind. Die Überbrückungselemente sind konfiguriert, um eine direkte, transmissive optische Kopplung zwischen zwei benachbarten Wellenleitern herzustellen. Die Überbrückungselemente können eine Vielzahl von Formen annehmen, was Abschnitte einer Helix, eines Toroids, Zylinders und andere Geometrien umfasst. Diese Konfiguration von Ringresonatoren, die durch Überbrückungselemente verbunden sind, könnte in einer Vielzahl von Entwürfen und Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel könnten die Ringresonatoren, die durch Überbrückungselemente verbunden sind, die zylindrischen Resonatoren ersetzen, die in 1 und 2 dargestellt sind, oder die Helix-Resonatoren, die in 3–5 dargestellt sind. Zusätzlich dazu könnten die Ringresonatoren, die durch Überbrückungselemente verbunden sind, jegliche der verschiedenen Elektroden-, Adressier- und Kopplungs-Konfigurationen verwenden, die in Bezug auf andere darstellende Ausführungsbeispiele beschrieben sind.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, kann optische Energie aus den Stegwellenleitern (810, 812) und in die Ringresonatoren (802, 804) gekoppelt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 8A und 8B dargestellt ist, wurden die Ringresonatoren mit Verunreinigungen dotiert, wie z. B. paramagnetischem Terbium, die die optischen Charakteristika des zylindrischen Resonators in Gegenwart eines Magnetfeldes ändern. Das Anlegen eines externen Magnetfeldes (814, 822) ordnet die magnetischen Momente auf den Terbium-Unreinheiten, wodurch eine Phasenverschiebung in der optischen Energie erzeugt wird, die sich durch die zylindrischen Resonatoren (802, 804) ausbreitet. Die Resonanzfrequenzen der Ringresonatoren (802, 804) werden im Verhältnis zu dieser Phasenverschiebung abgestimmt, um einen gegebenen Ringresonator selektiv mit einem Wellenleiter zu koppeln und von diesem abzukoppeln.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel können die verschiedenen Schnittstellen zwischen Ringresonatoren und Stegwellenleitern adressiert werden durch Einbetten eines Gitters aus Leitern in die Basis (818). Zum Beispiel kann eine Reihe von parallelen Leitern (820, 824) durch den oberen Abschnitt der Basis (818) verlaufen. Diese Leiter (820, 824) bilden die Spalten des Gitters. Eine senkrechte Reihe aus parallelen Leitern (816) kann durch einen unteren Abschnitt der Basis (818) verlaufen, um die Zeilen des Gitters zu bilden. Um eine bestimmte Schnittstelle zu adressieren, wird ein Strom (826, 828) durch eine entsprechende Spalte (824) und Zeile (816) geleitet. An dem Übergang zwischen der ausgewählten Zeile und der ausgewählten Spalte ist der Magnetfluss konzentriert, um die gewünschte Kopplungs- oder Entkopplungswirkung an der Zielschnittstelle zu erzeugen.
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9 ist ein darstellendes Flussdiagramm, das ein Verfahren zeigt zum Verwenden eines optischen Leitwegsystems, um optische Energie von einem Quellwellenleiter in einen Zielwellenleiter zu richten. Bei einem ersten Schritt wird die gewünschte Operation definiert (Schritt 900). Dies kann das Auswählen der Frequenz und des Orts der optischen Energie umfassen, die manipuliert werden soll, und den gewünschten Weg, dem die ausgewählte optische Energie folgen soll. Ein erster Knoten oder eine Schnittstelle wird abgestimmt, um die optische Energie aus dem Quellwellenleiter und in den Helix- oder zylindrischen Wellenleiter zu extrahieren (Schritt 910). Eine zweite Schnittstelle wird abgestimmt, um die optische Energie aus dem Helix- oder zylindrischen Wellenleiter in einen Zielwellenleiter (920) zu geben. Die optische Energie wird dann über den Helix- oder zylindrischen Resonator aus dem Quellwellenleiter in den Zielwellenleiter (930) übertragen.
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In der Summe werden zylindrische Resonatoren über ein Wellenleiterarray platziert. Durch Verschieben der Resonanzfrequenz von Abschnitten des Resonators kann das flüchtige Licht, das sich durch die Wellenleiter ausbreitet, selektiv in den Resonator gekoppelt werden. Die Resonanzfrequenz des Resonators kann auf eine Anzahl von Weisen gesteuert werden, was eine Ladungsträgerstreuungs-, optoelektrische und optomagnetische Einrichtung umfasst. Das Licht wird aus dem Resonator an der Schnittstelle zwischen dem zylindrischen Resonator und dem gewünschten Zielwellenleiter extrahiert, durch selektives Abstimmen eines proximalen Abschnitt des Resonators. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel ist das optische Leitwegsystem konfiguriert, um ein optisches Signal von jeglichem Wellenleiter innerhalb des Wellenleiterarrays zu jeglichem anderen Wellenleiter innerhalb des Arrays zu leiten. Das kompakte Wesen dieses optischen Leitwegsystems führt zu wesentlichen Einsparungen von Chip- oder Systemfläche.
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Die vorangehende Beschreibung wurde nur vorgelegt, um Ausführungsbeispiele und Beispiele der beschriebenen Prinzipien zu zeigen und zu beschreiben. Diese Beschreibung soll nicht erschöpfend sein oder diese Prinzipien auf jegliche offenbarte Form beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind im Hinblick auf die obigen Lehren möglich.
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Zusammenfassung
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Ein System (100) zum Leiten optischer Signale (235) umfasst ein Wellenleiterarray (102, 202) und einen zylindrischen Resonator (115), der über dem Wellenleiterarray (102, 202) liegt, wobei der zylindrische Resonator (115) unabhängig steuerbare, tangentiale Schnittstellen mit jedem der Wellenleiter innerhalb des Wellenleiterarrays (102, 202) aufweist. Ein Verfahren zum selektiven Leiten eines optischen Signals (430) zwischen Wellenleitern (415, 425) umfasst das Auswählen eines optischen Signals (430) zum Leiten; das Bestimmen des gewünschten Wegs des optischen Signals (430); das Abstimmen einer ersten, steuerbaren Schnittstelle zwischen einem zylindrischen Resonator (301) und einem Quellwellenleiter (415), um das optische Signal (430) aus dem Quellwellenleiter (415) zu extrahieren; und das Abstimmen einer zweiten, unabhängig steuerbaren Schnittstelle zwischen dem zylindrischen Resonator (301) und einem Zielwellenleiter (425), um das optische Signal in den Zielwellenleiter (425) abzulegen.
