ES2235664B1 - Metodo y dispositivo para dividir una señal electromagnetica en dos señales de igual o distinta potencia. - Google Patents

Abstract

Método y dispositivo para dividir una señal electromagnética en dos señales de igual o distinta potencia. La presente invención está relacionada con un método y un dispositivo para dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales de salida de igual o distinta potencia, de modo que la relación de potencias entre estas dos señales de salida puede ser ajustada o sintonizada dinámicamente en el grado deseado. El método se implementa en un dispositivo que comprende un acoplador implementado en cristal fotónico y consistente en tres guías paralelas situadas en proximidad de forma que dos de ellas constituyen el acoplador, mientras que la tercera e intermedia que tiene un diseño diferente servirá para conducir o guiar la señal de control y por medios de los efectos no lineales variar la capacidad de acoplo de la estructura y en consecuencia permitir la sintonización. La invención tiene aplicación en cualquier circuito óptico en el que sea necesario dividir la señal de entrada en dos señales de salida de igual o distinta potencia o para permitir la conmutación entre varios caminos ópticos.

Description

Método y dispositivo para dividir una señal electromagnética en dos señales de igual o distinta potencia.

Objeto de la invención

La presente invención está relacionada con un método y un dispositivo para dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales de salida de igual o distinta potencia, de modo que la relación de potencias entre estas dos señales de salida puede ser ajustada o sintonizada dinámicamente en el grado deseado.

La presente invención tiene su campo de aplicación en la tecnología basada de cristales fotónicos 2D o 3D en cualquier rango de frecuencias, desde señales de microondas/milimétricas hasta señales con frecuencias en el visible o en el infrarrojo. De manera más concreta la invención tiene aplicación en cualquier circuito óptico en el que sea necesario dividir la señal de entrada en dos señales de salida de igual o distinta potencia.

Antecedentes de la invención

Los cristales fotónicos están formados por materiales con un índice de refracción que varía de forma periódica en una, dos o tres dimensiones espaciales. Esta periodicidad da lugar a la aparición de bandas espectrales en las que la propagación de señal no está permitida en el interior del cristal independientemente de la dirección de propagación. Estas bandas prohibidas se conocen comúnmente en terminología anglosajona como Photonic Band Gap (PBG). El control de la propagación de la luz se puede conseguir mediante la inserción de defectos que alteran la periodicidad del cristal. La inserción de defectos lineales permite la aparición de modos guiados con frecuencias dentro de la banda prohibida permitiendo la propagación de la luz únicamente en el defecto creado. Aunque el control total de la propagación de la luz se consigue utilizando cristales fotónicos 3D, el control de la luz en tres dimensiones puede también conseguirse con cristales fotónicos planares 2D, reduciendo así el coste y complejidad de fabricación. En este caso la luz queda confinada en la dirección perpendicular al plano del cristal por reflexión total interna si se recubre el plano del cristal con cubiertas de bajo índice de refracción. Las principales ventajas de los dispositivos basados en cristales fotónicos son una reducción considerable de su tamaño permitiendo el desarrollo de circuitos ópticos de alto nivel de integración, la posibilidad de implementar guías curvadas con radios del orden de la longitud de onda de la señal que se propaga sin pérdidas significativas, y la alta sensibilidad que presentan estas estructuras a los efectos no lineales de los campos electromagnéticos que permite la reducción de los niveles de potencia requeridos. Todas estas ventajas son fundamentales para el desarrollo a gran escala de la nanofotónica.

Debido a la propiedad de escalado de las ecuaciones de Maxwell, se pueden implementar cristales fotónicos que tengan una banda prohibida en cualquier rango espectral si se escala convenientemente la estructura y si se escogen materiales que presenten las propiedades adecuadas en el margen espectral elegido.

En un cristal fotónico se puede crear una guiaonda a partir de la introducción de defectos lineales en la estructura. Uno de los mecanismos más comunes para crear defectos lineales en cristales fotónicos de agujeros o columnas dieléctricas con forma cilíndrica es la variación del radio de los cilindros que se encuentran en una determinada dirección. La introducción de defectos no se realiza necesariamente en todos los cilindros incluidos en una misma dirección sino que puede realizarse siguiendo un patrón de repetición, es decir, de forma alternada se varía un cilindro y permanecen inalterados un número indeterminado hasta el siguiente defecto que se introduce en la dirección de la guía. De esta forma se crean guías de cavidades acopladas ya que cada defecto ejerce la función de una cavidad separada del siguiente defecto al que se acopla a través un número determinado de cilindros no defectuosos, tal y como se expone en la publicación: A. Yariv, Y. Xu, R. K. Lee, A. Scherer, "Coupled-resonator optical waveguide: a proposal and analysis", Opt. Lett., vol. 24 no. 11, pp. 711-713, 1999.

En el límite en el que variando el radio se anule para todos los cilindros contenidos en una misma dirección se obtendrá una guiaonda uniforme. Las guías en cristal fotónico permiten conducir de forma controlada la señal electromagnética permitiendo incluso la realización de curvas abruptas con bajas pérdidas de propagación. Además, debido a sus pequeñas dimensiones en el rango óptico concentran fuertemente el campo electromagnético en la región defectuosa por lo que tienen una mayor sensibilidad a los efectos no lineales.

Por otra parte, los acopladores en tecnología de cristales fotónicos se pueden implementar del mismo modo que utilizando otras tecnologías más maduras, como guías integradas o fibra óptica: colocando en proximidad dos guiaondas paralelas tal y como se expone en la publicación: [R. Ramaswami and K. N. Sivajaran, "Optical Networks: A practical perspective", Morgan Kaufmann Publishers, 1997.].

Suponiendo que ambas guías sean idénticas y monomodo, al colocarlas en proximidad hay interacción o acoplo entre ambas y el modo guiado de una guía aislada se descompone en dos modos para el sistema completo de las dos guiaondas paralelas. Estos modos tienen simetrías par e impar con respecto al plano equidistante de los ejes de las guías. Además, dichos modos tienen diferentes constantes de propagación, lo que implica que viajan a diferente velocidad por el acoplador. Este comportamiento produce que si se excita una señal en una de las dos guías, la onda pase al cabo de cierta distancia a la guía contigua y, de nuevo, después de recorrer la misma distancia vuelva a la guía que la contenía originalmente. Es decir, hay una transferencia periódica de potencia entre las guías.

En cristales fotónicos 2D se han propuesto y estudiado acopladores formados por guías constituidas al eliminar totalmente una fila de cilindros en estructuras de cilindros dieléctricos sobre aire. También se ha demostrado experimentalmente el funcionamiento de un acoplador direccional a frecuencias ópticas en un cristal fotónico planar de agujeros de aire sobre un sustrato de silicio. Además, se ha propuesto un acoplador en un cristal fotónico 2D de agujeros de aire en dieléctrico para aplicaciones de conmutación, como por ejemplo se describe en la publicación: A. Sharkawy, S. Shi, and D. W. Prather, "Electro-optical switching coupled photonic crystal waveguides", Opt. Express, vol. 12, no. 20, pp. 1048-1058, 2002.

Los divisores/combinadores de potencia son bloques fundamentales en cualquier dispositivo óptico o red óptica. Su función es repartir la potencia de una señal de entrada en dos puertos de salida con determinados porcentajes en cada salida. Si los porcentajes son del 50% el divisor se suele denominar divisor de 3 dB. Estos bloques se pueden implementar principalmente de dos formas.

La Figura 1 muestra las dos estructuras que se emplean generalmente en circuitos ópticos para dividir la potencia de una señal de entrada en dos puertos de salida: la Figura 1 (a) muestra un divisor en forma de Y en el que la guía de entrada (1) se bifurca en dos guías de salida (2)-(3) de forma que ambas guían la misma potencia y además están en fase. El ángulo entre las guías de salida debe diseñarse con el objetivo de maximizar la potencia en cada una de las guías de salida (2),(3). También se debe diseñar apropiadamente la zona de bifurcación (4).

La Figura 1 (b) muestra un acoplador direccional formado por dos guías iguales paralelas próximas entre sí en el que se produce una transferencia periódica de potencia entre guías en la región de acoplo (5) de forma que escogiendo apropiadamente la longitud del acoplador se puede obtener una determinada relación de potencias en los puertos de salida (6),(7). Si la potencia de salida en el puerto (6) es de un \delta% de la potencia de entrada en (8) la potencia de salida en el puerto (7) será idealmente de un (100-\delta)% de la potencia de entrada. En el puerto de entrada (9) no se inyecta en principio potencia. Debido a la dependencia del acoplo con la frecuencia, el porcentaje exacto de un \delta% en el puerto (6) se produce sólo para una frecuencia, aunque en un margen espectral alrededor de esa frecuencia la división será también muy cercana al \delta%. Ambas estructuras se pueden implementar en tecnología de cristales fotónicos 2D y 3D.

Además de acopladores también se ha propuesto la implementación de bifurcaciones en Y en tecnología de cristales fotónicos tal y como se expone en la publicación: S. Boscolo, M. Midrio, T. F. Krauss, "Y junctions in photonic crystal channel waveguides: high transmission and impedance matching", Opt. Lett., vol. 27, no. 12, pp. 1001-1003, 2002, y se ha demostrado experimentalmente a frecuencias tanto de microondas como ópticas.

Estas estructuras representan las técnicas que se utilizan en el estado de la técnica para la división de la señal electromagnética. Sin embargo las técnicas conocidas son estáticas, es decir, una vez fabricadas no se puede variar la relación entre las potencias de salida de cada puerto.

Finalmente, un conmutador espacial es un dispositivo con varios puertos de salida tal que la señal electromagnética de entrada al conmutador puede ser dirigida dinámicamente a cada una de las salidas a voluntad por medio de un mecanismo de control.

Descripción de la invención

Un aspecto de la invención se refiere a un método que permite dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales de igual o distinta potencia. Dichas señales presentarán un porcentaje de la potencia de entrada de forma que si una de ellas tiene un \delta% de la potencia de entrada la otra tendrá un (100-\delta)%, de modo que el porcentaje de potencias (\delta) que se reparte puede ser ajustado o sintonizado dinámicamente, es decir repetidamente en el tiempo. Dicho ajuste o sintonización dinámica se realiza por medio de otra señal electromagnética de control de distinta frecuencia.

Dicho método hace uso de un acoplador implementado en cristal fotónico y consistente en tres guías paralelas situadas en proximidad de forma que dos de ellas constituyen el acoplador, mientras que la tercera e intermedia que tiene un diseño diferente servirá para conducir o guiar la señal de control y por medio de los efectos no lineales variar la capacidad de acoplo de la estructura y en consecuencia permitir la sintonización. El fundamento físico del método propuesto se basa en introducir una señal electromagnética de control con la suficiente potencia para que los efectos no lineales de modulación cruzada de fase dejen de ser despreciables. Esto afectará a la intensidad de acoplo que se da entre las guías acopladas por lo que en función de la potencia de la señal de control se obtendrá una división de potencias de salida distinta. Las dos señales de salida se obtienen mediante la separación espacial de las guías que componen el acoplador, haciendo uso de la propiedad que poseen las guías en cristales fotónicos de alta eficiencia de transmisión a través de curvas muy cerradas y lo que permite reducir considerablemente el tamaño de la estructura. El método es válido tanto con cristales fotónicos bidimensionales (2D) como tridimensionales (3D) ya que el concepto subyacente es el
mismo.

Algunas de las ventajas de la estructura divisora son su reducido tamaño, lo que la hace apropiada para integración de numerosas unidades divisoras como unidades funcionales de dispositivos más complejos, además de un gran ancho de banda y la alta sensibilidad a los efectos no lineales que permite la reducción de los niveles de potencia requeridos.

El mismo método es aplicable en aplicaciones de gran interés como son la implementación de conmutadores, acopladores sintonizables y moduladores. En concreto la presente invención se aplica a la realización de un conmutador espacial controlado por una señal electromagnética de distinta frecuencia a la señal electromagnética que se conmuta. El mecanismo físico que explica este fenómeno de conmutación es el comportamiento no lineal del campo electromagnético. El mecanismo no lineal que se aprovecha en esta invención es la llamada modulación de fase cruzada (cross phase modulation o XPM en terminología anglosajona).

Otro aspecto de la invención se refiere a un dispositivo para dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales que tienen una porción igual o distinta de la potencia de dicha señal de entrada, y que comprende un cristal fotónico por el que se propaga dicha señal de entrada, el cual está formado por dos guiaonda de acoplo paralelas con una proximidad adecuada para que exista acoplo entre ambas. El dispositivo comprende una guiaonda intermedia situada paralelamente entre dichas guiaonda de acoplo, de modo que por esta guiaonda intermedia se propaga un señal electromagnética de control de distinta frecuencia a la de la señal de entrada, de modo que dicha señal de control varía la capacidad de acoplo entre dichas dos guías de ondas.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- muestra una representación esquemática de estructuras conocidas en el estado de la técnica para dividir la potencia de una señal de entrada en dos puertos de salida: la figura 1 (a) muestra un divisor en forma de Y en el que la guía de entrada se bifurca en dos guías de salida de forma que ambas llevarán la misma potencia. La figura 1 (b) muestra un acoplador direccional en el que se produce una transferencia periódica de potencia entre guías.

La Figura 2.- muestra una representación esquemática del esquema de un cristal fotónico 2D con simetría hexagonal. En este caso particular se considera que el cristal está formado por cilindros dieléctricos, representados por círculos en el corte transversal, de material de alta permitividad _{\varepsilon 1} en un medio de baja permitividad de _{\varepsilon 0}.

La Figura 3.- muestra una representación esquemática de una guía de onda creada en el cristal fotónico de la figura 2, que consiste básicamente en la reducción del radio (r_{c}) de todos los cilindros contenidos en una dirección paralela a la \GammaK del cristal.

La Figura 4.- muestra una representación esquemática de una guía de onda similar a la de la figura 3, en la que el radio de las columnas cilíndricas (r_{c} = 0) se anula completamente lo que equivale a la eliminación total de las mismas.

La Figura 5.- muestra una representación esquemática de una guía de cavidades acopladas creada en el cristal fotónico mostrado en la figura 2. En este caso particular, la guía se crea eliminando una de cada dos columnas (d = 2a) de alto índice en la dirección \GammaK.

La Figura 6.- muestra una representación esquemática de una posible configuración de un acoplador creado en el cristal fotónico mostrado en la figura 2. El acoplador consiste en dos guías uniformes como la mostrada en la figura 4.

La Figura 7.- muestra en un diagrama la estructura de bandas de los modos guiados con polarización TM de una guía como la mostrada en la figura 4 (línea discontinua) y de un acoplador como el mostrado en la figura 6.

La figura 8.- muestra una representación esquemática de una posible realización de un acoplador empleado en la presente invención, consistente en un acoplador como el mostrado en la figura 6 pero con una separación menor entre las guías de onda uniformes. La columna central de cilindros es una guiaonda del mismo tipo que la mostrada en la figura 3.

La Figura 9.- muestra un diagrama de bandas de los modos con polarización TM para la estructura definida en la figura 8.

La Figura 10.- muestra el patrón del valor absoluto del campo eléctrico paralelo al eje de los cilindros para una onda monocromática de frecuencia normalizada 0.3281 c/a, siendo c la velocidad de la luz en el vacío, que se inyecta como entrada en una de las guías uniformes de la estructura mostrada en la figura 9.

La Figura 11.- muestra el patrón del valor absoluto del campo eléctrico paralelo al eje de los cilindros para una onda monocromática de frecuencia normalizada 0.28 c/a que se inyecta en la guía central no uniforme de la figura 8.

La Figura 12.- muestra un diagrama esquemático que representa la funcionalidad básica de conmutación que puede desempeñar la presente invención. Se muestra un dispositivo en el que entra una señal llamada de datos y que en función de una señal de control saldrá por una de las salidas o por la otra.

Realización preferente de la invención

El método de la invención puede ser implementado en un dispositivo que comprende un cristal fotónico 2D (23) como el mostrado esquemáticamente en la Figura 2. En este caso particular se considera que el cristal fotónico (23) está formado por cilindros dieléctricos (10) (representados por círculos en el corte transversal) y que consiste en una red hexagonal con parámetro de red a de cilindros (10) de alto índice de refracción (permitividad _{\varepsilon 1}) y radio r sobre un medio (11) de bajo índice de refracción (permitividad _{\varepsilon 2}). La estructura es periódica en el plano en el que se distribuyen los cilindros (10) y que vendrá descrito por las direcciones \GammaK y \GammaM, mientras que es invariante en la dirección perpendicular al plano de periodicidad. Esta estructura posee una banda prohibida para modos con polarización transversal magnética (TM), es decir, modos con el campo eléctrico en la dirección perpendicular al plano del cristal.

El radio de las columnas es r y la constante de red es a (distancia entre el centro de los cilindros más próximos entre sí).

La presente invención podría ser realizada igualmente en cristales 2D con otro tipo de simetría como la cuadrada, con otro tipo de forma transversal de los cilindros, intercambiando los materiales de alto y bajo índice, e incluso utilizando un cristal fotónico 3D, sin pérdida de generalidad.

En la Figura 3 se muestra un ejemplo de una guiaonda (12) creada en el cristal fotónico 2D de la Figura 2 mediante la reducción del radio (r_{c}) de una fila de cilindros (10) en una dirección paralela a la \GammaK del cristal. Al crear la guía (12) existe un modo con polarización TM confinado en la línea de defectos con frecuencias dentro de la banda prohibida, por lo que el defecto lineal actúa como guiaonda.

En caso de que se siga reduciendo el radio hasta el punto en el que se anule se obtiene una guía uniforme (13) como la que se presenta en la Figura 4. La Figura 4 muestra una guía de onda (13) similar a la de la Figura 3. En este caso particular el radio de las columnas cilíndricas (10) (r_{c} = 0) se anula completamente en una fila lo que equivale a la eliminación total de las mismas. Como resultado se obtiene el mismo modo guiado pero desplazado en frecuencia. En otro tipo de estructuras esta variación podría dar lugar a la aparición de nuevos modos.

También se podría crear una guía de cavidades acopladas (14) como la que se muestra en la Figura 5. En este caso se crea una cadena de cavidades y la propagación se debe a que los fotones saltan entre cavidades vecinas debido al solapamiento de las colas del campo confinado en la cavidad. En el caso particular de la Figura 5 las cavidades se crean eliminando un cilindro (10) de alto índice y la separación entre ellas es d = 2a en la dirección \GammaK. Al crear el defecto lineal aparece un modo guiado con polarización TM y frecuencias en el interior de la banda prohibida.

Del mismo modo que para las guías de onda anteriores (12),(13), resulta un modo guiado TM con frecuencias en el interior de la banda prohibida. Estos son distintos mecanismos que se pueden utilizar para introducir defectos lineales capaces de guiar las señales electromagnéticas de los cuales se usará en una realización preferida los de la Figura 3 y 4, sin embargo, cualquier otro tipo de guías podría servir con la misma finalidad.

Se pueden situar dos guías de onda uniformes (13),(13') en proximidad en un cristal fotónico 2D como se muestra en la Figura 6, obteniéndose un acoplador direccional. Ambas guías (13),(13') son paralelas y están separadas, en este caso particular, por una región de separación (15) formada por tres filas de cilindros (10) de alto índice. Variando el número de filas de cilindros (10) que separan las guías (13),(13') se modifica la magnitud del acoplo entre guías. Debido a la proximidad entre las guías (13),(13') el modo de una guía aislada se divide en dos modos para el acoplador con simetrías par e impar respecto al plano equidistante de los ejes de las guías paralelas (13). Estos modos tienen distintas constantes de propagación que, por la periodicidad de la estructura en la dirección de las guías, se encuentran restringidas a la primera zona de Brillouin.

La Figura 7 muestra la estructura de bandas para modos con polarización TM de la guía (13) descrita en la Figura 4 y de los modos del acoplador descrito en la Figura 6 para una separación de un cilindro entre guías en la región de separación (15). El eje vertical representa frecuencias normalizadas de forma que multiplicando el eje por el valor c/a siendo c la velocidad de la luz en el vacío se obtiene la frecuencia en hertzios (Hz). El modo guiado para la guía aislada se muestra en línea discontinua (16), mientras que los modos par (17) e impar (18) del acoplador se muestran en línea continua. Para la realización preferida los parámetros escogidos son: _{\varepsilon 1} = 12, _{\varepsilon 2} = 2.1025,
r = 0.2a. La transferencia de potencia entre guías del acoplador se produce en el margen espectral (19) en que coexistan los modos par impar. Sin embargo se observan dos intervalos espectrales (20) y (21) en los que existe sólo el modo impar.

En la figura 8 se presenta una posible estructura para la implementación del método de la presente invención. Básicamente consiste en un acoplador como el mostrado en la Figura 6 pero con una separación menor entre las guías de onda uniformes. Nuevamente se crean dos guías (13),(13') como las de la Figura 4 con una separación entre ellas (15) de una sola fila de cilindros, aunque en un caso más general puede haber más filas intermedias. Entre estas dos guías (13),(13') se produce el fenómeno de acoplo. Además, en la región intermedia (15) se ha introducido una tercera guía (12) del mismo tipo que la de la Figura 3 por lo que los cilindros (10) de la región (15) tienen en este caso un radio menor. En esta guía (12) se inyecta la señal electromagnética que controla el comportamiento del acoplador para su sintonización. En el caso más general en que la región (15) esté formada por más de una columna de cilindros (10) la guía intermedia se colocará a la misma distancia de las dos guías exteriores en las que se da el acoplo.

Con la estructura de la Figura 8 se obtiene el diagrama de bandas de lo modos de polarización TM que se muestra en la Figura 9. En dichos resultados se han tenido en cuenta los valores de _{\varepsilon 1} = 12 y _{\varepsilon 0} = 2.1025, un radio de los cilindros de r = 0.2a y de los cilindros de la guía no uniforme central r_{c} = 0.14a, siendo estos los parámetros escogidos para presentar una realización preferida. En ella se pueden observar los dos modos correspondientes a un acoplador como en la Figura 7 y un tercer modo a frecuencias inferiores debido a la reducción parcial de los radios de los cilindros que separan las guías uniformes.

Este diagrama de bandas presenta muchas regiones similares al mostrado en la Figura 7. Se puede observar igualmente una región de frecuencias (19) en la que están presentes los modos par (17) e impar (18) que se guían principalmente por las guías exteriores (13) ya que se acoplan entre sí como se puede ver en la Figura 10. También se puede observar la región (21) en la que sólo se propaga el modo impar (18). Sin embargo la región (20) ha variado al aparecer un nuevo modo (22). Este modo está confinado en la guía central (12) y tiene simetría par. Es concretamente este modo el que excita la señal de control y el que permite la sintonización.

La sintonización del acoplador es posible debido a que se fuerzan efectos no lineales entre la señal electromagnética de entrada en las guías que se acoplan (13),(13') y la señal electromagnética con la que se pretende controlar el acoplador y que se propaga por la guía central (12). Ambas señales electromagnéticas estarán, como se puede ver en la Figura 9, separadas en frecuencia. Cuando se introduce una señal electromagnética de alta potencia como señal de control por la guía central (12), se induce un cambio de la permitividad de los cilindros que forman la guía debido a que los materiales utilizados para la fabricación del acoplador no tienen una respuesta lineal con la potencia de la señal, e incluyen un coeficiente no lineal comúnmente conocido como coeficiente de Kerr. Debido a que el coeficiente de Kerr presenta valores muy pequeños su influencia no es apreciable salvo en el caso de que la potencia de la señal sea elevada. Por este motivo sólo los cilindros de la guía central (12) sufrirán el efecto de variación de su permitividad debido a que la señal de control está altamente confinada en ellos y no en el resto de la estructura como se puede apreciar en la Figura 11. Debido al efecto de modulación de fase cruzada (cross phase modulation o XPM en terminología anglosajona) esta variación del índice que provoca la señal de control afecta al modo par (17) provocando una relación de dispersión ligeramente distinta a la mostrada en la Figura 9. Sin embargo el modo impar (18) apenas se verá afectado por esta variación ya que presenta intensidades de campo muy bajas en la zona de la guía central (12) al contrario de lo que pasa con el modo par.

Como resultado, el diagrama de bandas que correspondería a la estructura en la que ha variado ligeramente la permitividad de la guía central (12) sería similar al de la Figura 9, pero el modo par (17) estaría desplazado en frecuencia. Esta desviación da lugar a un cambio en la relación de las constantes de propagación de los modos par e impar y por lo tanto una variación en la intensidad con que se da el acoplo entre las guías uniformes (13). Como resultado se obtiene un acoplador en el que, en función de la potencia que posea la señal electromagnética de control, se induce un cambio de permitividad en la región central y por lo tanto una variación de la intensidad del efecto de acoplo. Esa capacidad de ajustar la intensidad de acoplo permite que para una misma longitud del dispositivo, la relación de los porcentajes de potencia de salida de una señal inyectada en una de las dos guías (13) sea igualmente ajustable.

Se debe cumplir que todos los modos (figura 9 (17),(18) y (22)) están en la región de frecuencias prohibidas (región presentada con fondo blanco en la figura 9 para la implementación presentada) y por lo tanto deberán estar confinadas en los defectos (o guías), ya que en el resto de la estructura están prohibidos. Además, es necesario que exista una región de frecuencias donde coexistan solo el modo par (figura 9 (17)) y el impar (figura 9 (18)) y que no esté el modo de control (figura 9 (22)) porque interferiría (en la figura 9 sería la región (19)). También se debe encontrar una región en la que exista el modo de control (figura 9 (22)) y no el modo par (figura 9 (17)) para que no interfieran (en la figura 9 sería la región (20) aunque no se descarta la posibilidad de que con otra guía central con otro tipo de defectos aparezca el modo (22) en la región (21).

Una aplicación de especial interés de la presente invención consistiría en la implementación de un conmutador totalmente óptico. La funcionalidad básica que aporta viene representada en la Figura 12, en la que se observa un dispositivo en el que entra una señal (24) que se pretende conducir a una de las dos salidas (26), mediante una señal de control (25) se decide por cual de las salidas (26) se obtendría toda la potencia de salida.

La señal (24) (que es la que se acopla al tener una frecuencia comprendida en el rango (19) de la figura 9) se introduce en una de las guías ((13) o (13')) por la parte inferior de la figura 8 y presentaría un comportamiento similar al que se observa en la figura 10 (saltando de una guía a otra) para el caso de presentación preferida a la frecuencia de 0.3281 (\times c/a) Hz. La longitud de la invención presentada en la Figura 8 se puede diseñar de forma que en régimen lineal, en el que la señal electromagnética de control es nula, la señal salga totalmente por uno de los puertos, por ejemplo parte superior de (13') en la Figura 8, y se anule en el otro, parte superior de (13) para el mismo ejemplo en la misma Figura 8. Se puede observar como sucede esto en la ilustración de la Figura 10. Sin embargo, para una determinada potencia de entrada de la señal de control se invertiría la situación y la potencia de la señal que se acopla pase a estar completamente contenida en la guía en la que se anulaba anteriormente. Es decir, que salga por el otro puerto en el que antes se anulaba. Para el ejemplo que se viene comentando la señal ahora saldría por la parte superior de la guía (13).

De esta forma se consigue la conmutación controlada por una señal electromagnética de distinta frecuencia. En cálculos realizados para el diseño teórico de un conmutador se ha obtenido como estimación que con una potencia de pico en la señal electromagnética de control de unos 3 W se puede conseguir que la realización preferida mostrada conmute una señal electromagnética de 1550 nm de longitud de onda y unos 2 nm de ancho de banda. Para ello se ha diseñado la longitud del dispositivo que será menor de 0.3 mm teniendo en cuenta un coeficiente de Kerr
n_{2} = 1.5x10^{-13} cm^{2}/W.

Con este mismo funcionamiento de conmutador la presente invención podría utilizarse para la modulación.

La Figura 10 muestra el patrón del valor absoluto del campo eléctrico paralelo al eje de los cilindros para una onda monocromática de frecuencia 0.3281
(\times c/a) Hz, siendo c la velocidad de la luz en el vacío, que se inyecta como entrada en una de las guías uniformes de la estructura mostrada en la Figura 9. Se puede observar la funcionalidad de acoplo entre las guías que se da a dicha frecuencia ya que la señal salta de una de las guías del tipo (13) a la otra (13') y viceversa. De esta forma se realiza un intercambio cíclico de la potencia entre ambas guías conforme viaje la señal a lo largo de la estructura. La longitud recorrida por la luz a esta frecuencia antes de pasar de una guía (13) a la otra (13') o viceversa será distinta si varía la fuerza de acoplo debido a la influencia de la señal de control que se muestra en la Figura 11.

La Figura 11 muestra el patrón del valor absoluto del campo eléctrico paralelo al eje de los cilindros para una onda monocromática de frecuencia 0.28
(\times c/a) que se inyecta en la guía central no uniforme de la Figura 8. Nuevamente se han tomado los parámetros de la realización preferida. Se puede observar que la propagación del campo se hace de forma confinada en la guía de cilindros de radio reducido. En esta figura se aprecia como viaja la señal de control por el defecto central.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin salir del objeto de la invención reivindicada.

Claims (20)

1. Método para dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales de salida que tienen una porción igual o distinta de la potencia de dicha señal de entrada, caracterizado porque se ajusta dinámicamente el reparto de la potencia de la señal de entrada a dichas dos señales, mediante una señal electromagnética de control de distinta frecuencia a la frecuencia de la señal de entrada, de modo que dicha señal de control varía la relación de potencias entre dichas dos señales de salida.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la señal electromagnética de entrada se divide en dos señales mediante un cristal fotónico formado por dos guías de acoplo y porque la señal de control se conduce por una guía situada de forma intermedia, paralela y en proximidad respecto a las dos guías de acoplo.

3. Método según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque el reparto de la potencia de la señal de entrada se ajusta mediante la potencia de la señal de control, de modo que esta potencia determina la intensidad de acoplo entre las guías de acoplo.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las dos señales en las que se ha repartido la potencia de la señal de entrada, se obtienen mediante la separación espacial de las guías de acoplo.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la señal electromagnética de entrada está comprendida en el rango de frecuencias que se selecciona entre el grupo formado por: microondas, ondas milimétricas, frecuencias en el visible, y frecuencias en el infrarrojo.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la potencia de la señal de entrada se reparte en porciones iguales.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque la potencia de la señal de entrada se reparte en porciones distintas.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque toda la potencia de la señal de entrada se conduce a una sola de las señales de reparto.

9. Dispositivo para dividir la potencia de una señal electromagnética de entrada en dos señales que tienen una porción igual o distinta de la potencia de dicha señal de entrada, que comprende un cristal fotónico por el que se propaga dicha señal de entrada y que comprende dos guiaonda de acoplo paralelas con una proximidad adecuada para que exista acoplo entre ambas, y al menos una guiaonda intermedia situada paralelamente entre dichas guiaonda de acoplo caracterizado porque por la guiaonda intermedia se propaga un señal electromagnética de control de distinta frecuencia a la de la señal de entrada, de modo que dicha señal de control varía la capacidad de acoplo entre dichas dos señales.

10. Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado porque el cristal fotónico está formado por cilindros dieléctricos de un material de índice de permitividad _{\varepsilon 1} inmersos en un medio de índice de permitividad _{\varepsilon 2}, de modo que ambos índices de permitividad son distintos.

11. Dispositivo según las reivindicaciones 9 ó 10 caracterizado porque el cristal fotónico forma una red hexagonal o cuadrada.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado porque el cristal fotónico es un cristal 2D.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado porque el cristal fotónico es un cristal 3D.

14. Dispositivo según la reivindicación 10 caracterizado porque el índice de permitividad El es mayor que el índice de permitividad _{\varepsilon 2}.

15. Dispositivo según la reivindicación 10 caracterizado porque el índice de permitividad _{\varepsilon 1}, es menor que el índice de permitividad _{\varepsilon 2}.

16. Dispositivo según la reivindicación 10 caracterizado porque comprende al menos dos materiales de permitividades distintas.

17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15 caracterizado porque el radio de los cilíndricos dieléctricos es igual a 0.2 veces la distancia entre el centro de los cilindros más próximos entre sí o con cualquier otra proporción.

18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17 caracterizado porque forma parte de un conmutador óptico.

19. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17 caracterizado porque forma parte de un acoplador.

20. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17 caracterizado porque forma parte de un modulador.