WO2016203090A1 - Dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en grafeno y/o materiales nano-estructurados basados en carbono - Google Patents
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- G02F1/061—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on electro-optical organic material
Definitions
- the present invention relates to an optical device that modifies the phase of a carrier and / or optical signal and, more particularly but not exclusively, to a modulator that encodes information by varying the phase of the optical carrier and, more particularly but not exclusively, of a system that monitors the result, and acts on the device to maintain control of the modulation of the light phase at the appropriate operating point.
- Fiber optic communications are one of the triggers to allow an operator to provide broadband services to subscribers that can extend over large geographic areas.
- Optical fiber is used as a transmission medium because it offers several advantages compared to copper wires, such as the traditional twisted pair, or radio waves. Among them, the fiber optic's ability to provide high bandwidth over long distances.
- Fiber optic communications have motivated the extension to other environments, not only long distance communications, but also short distance communications, but in which it is also required to offer a high bandwidth, measured in the number of bits per second that can be transmitted, currently on the order of Gigabits per second (Gbps) and even reaching Terabits rates per second (Tbps).
- Gbps gigabits per second
- Tbps Terabits rates per second
- Optical communications are providing these transmission capacities both at medium and long distances, from meters to tens of thousands of kilometers, through the use of optical fibers, as well as at short and ultra short distances, from a few centimeters to a few tens of micrometers.
- Optical communications system is defined for any system that transmits information by modifying any of the properties of light, such as its intensity, phase, polarization, frequency, etc., and which is also capable of receiving the information or modifying said information contained in any of the optical properties of light.
- optical communications at short and ultra short distances are developed by means of diverse techniques and materials that allow the guidance and the direction of the light to micrometric scales. In this case we talk about integrated optical circuits, optical communications and optical processing.
- the development of integrated optics has, in turn, helped to develop fiber optic communications, since it has provided new techniques and devices to modulate, transmit, direct, process and detect the information contained in transmitted light.
- the light since it performs the function of information carrier, it is usually called the optical carrier.
- Said carrier is capable of quasi-monochromatic emission of a laser, broad-spectrum emission of any other optical source or even, the emission of an optical source that has been previously used to transport information and that at a later stage is processed to eliminate the information transported and then reprocessed to transport new information, as described in previous patents [WO2011113902 and US8041219].
- the integrated optics provides optical and opto-electronic circuits of small or medium size for the generation of optical signals, modulation, filtering, redirection, information processing or information detection, through the interaction of optical signals with electrical signals or of optical signals with other optical signals.
- the high data rates transmitted by the aforementioned fiber optic communications up to Tbps have been possible thanks to the cooperation between disciplines such as optical communications and integrated optics.
- optical carrier optics which are known as modulation techniques, or simply light or optical carrier modulation.
- a modulator is proposed, also of intensity in this case of a radio wave of between 0.25 and 1 Thz, by interacting with a beam of light, propagating in free space, and interacting both on a graphene sheet [Wen, Qi-Ye, et al. "Graphene based all-optical spatial terahertz modulator.” Scientific reports 4 (2014)].
- This invention seeks technical solutions to increase the transmission capacity of information in optical communications, both by optical fiber and optical circuits.
- this solution proposes a technical solution and various implementations of a device capable of modulating the phase of light through the properties of graphene, allowing a more robust transmission of information against distortions than the previous works cited that propose modulation in amplitude or intensity of light . And thus offering high bandwidth modulators, as the previous works mentioned, in this case on a magnitude of the light more robust to distortions.
- the basic idea of the invention shown in the figure
- an optical interface is required with the ability to analyze or monitor the phase modulation of the optical signals that has occurred when interacting with graphene and an electronic interface, which can act on the optical source, and mainly on the properties of graphene in the electro-optical device, so that the phase of the optical signal is modified without affecting its amplitude or intensity.
- Figure 2 shows the basic idea of the objective you want to achieve with this invention.
- Figure 2 shows the temporal evolution of an optical signal in which its amplitude or intensity remains constant, while the phase of said optical signal varies with time, from synchronized with a data signal, thus transporting said data or information.
- Figure 3 shows how the electronic interface must interact with graphene to achieve the objective of this invention.
- the variation of a voltage applied on graphene allows to vary the value of the effective graphene index, both in its real part and in its imaginary part.
- the imaginary part of the effective refractive index of graphene affects a greater or lesser absorption of the optical carrier that interacts with graphene.
- the real part of the graphene effective refractive index generates a change in the phase of the optical signal or carrier that interacts with the graphene.
- the present invention is based on the adequate control by the electronic interface of the electro-optical properties of graphene, so as to keep it in the range of values shown by the square of Figure 3, with values of the imaginary part of the effective refractive index of graphene practically nil and values of the real part of the effective refractive index of graphene showing strong variations. In this way, a slight variation in the amplitude or intensity of the optical signal or carrier and a clear modulation in the phase of the optical signal is achieved.
- Figure 1 shows the general scheme of the device and its fundamental elements
- Figure 2 shows the temporal evolution of an optical signal in amplitude and modulation of the phase relative to the data to be transmitted
- Figure 3 represents the complex value of the effective refractive index of graphene as a function of the applied voltage
- Figure 4 shows the cross section of an optical guide with deposition on its graphene surface and contact
- Figure 5 shows an optical guide, of which its cross section is shown, with deposition on its side of graphene connected to an electrode
- Figure 6 shows the cross section an optical guide, graphene coated, with contact
- Figure 7 shows a longitudinal section of an optical guide, with variable number of graphene sections arranged at an angle
- Figure 8 shows the longitudinal section of an optical guide with variable number of graphene sections with contacts arranged perpendicular to the guide
- Figure 9 shows the cross section of an optical guide with upper deposition of optically polarized graphene
- Figure 10 shows the collimation of an optical beam through
- a device and system for modulating the phase of an optical signal based on graphene and / or nanostructured materials based on carbon comprising, reference is made to Figure 1: a) an optical source that generates a signal or optical carrier, 110, b) an electro-optical device based on graphene and / or carbon-based nano-structured materials, 120, in which the interaction between the optical signal or carrier and the graphene or nano-structured material based in carbon, so that a modulation or variation is achieved of the phase of the signal or optical carrier, without altering its amplitude or intensity, c) an optical interface, 140, which allows to analyze, monitor and if it requires interacting with the modulation of variation of the phase of the signal or optical carrier produced by the interaction with graphene or carbon-based nano-structured material, d) an electronic interface, 130, which interacts with the electro-optical device, modifying the properties of graphene or carbon-based nanostructured material, to ensure that the interaction with
- the optical generator could be a source of laser light with continuous emission, which is usually described as an optical carrier.
- the optical generator of the optical figure could also be an optical transmitter that provides an optical carrier with temporal variations of some of its physical properties, such as its polarization or its intensity, already referred to as an optical signal. .
- the electro-optical device, 120 the electro-optical device consists essentially of: a material medium that it confines the propagation of light 230, usually produced or manufactured on a material substrate and which is usually referred to as an optical guide; one or several graphene sheets 220 or carbon-based nano-structured materials located in the vicinity of the optical guide; an electrode 210 which, for example by means of a connector 240, allows a specific voltage to be applied to graphene or nanostructured material and thereby vary the properties of graphene or nanostructured material.
- Optical guides confine the propagation of light; but in general, or by means of a suitable design, part of the light does not propagate within the guide but in its vicinity, so that one or several graphene sheets or nano-structured materials located in the vicinity of the optical guide allows to vary the properties of the light that is propagated by the optical guide.
- the light that interacts with graphene maintains a constant intensity or amplitude level, and at the same time the phase of the optical signal
- the figure shows an application example in which the phase of the optical signal corresponds to a sequence of data represented for example by an electrical signal.
- the device would act as a modulator, printing data in electrical format to the optical signal.
- Obtaining the modulation of the phase of the optical signal depends on the appropriate modification of the electro-optical properties of graphene or nano-material. structured.
- Figure 3 shows the variation of the refractive index a layer of pure graphene as a function of the voltage applied to it. These results do not constitute the basis of the present invention, but show a good example of implementation, in this example, with a layer of pure graphene.
- the electronic interface can manage the phase modulation of the optical signal by applying voltages on pure graphene between 0.8 to 1.8 volts. For these voltage values, the imaginary part of the effective refractive index of graphene, Im (n_eff) is practically nil.
- the imaginary part of the effective refractive index of materials affects the absorption of the material, so that the light that interacts with graphene will not suffer significant variations in amplitude or intensity.
- the real part of the effective refractive index of graphene, Re (n_eff) has strong variations.
- the actual part of the effective refractive index of the materials affects the phase variations of the optical signals that propagate or interact with these material means. When the real part of the actual refractive index of graphene has strong variations, moderate voltage variations are sufficient to achieve adequate modulation of the phase of the optical signal that interacts with graphene.
- Another preferred embodiment of this invention includes graphene variants in its multiple multilayer versions or by doping with other materials, or using other nano-structured materials that have similar characteristics to that described.
- graphene generically, in the case of a single layer of pure graphene, or of several layers, doped or not, or of other nanostructured carbon materials that have similar characteristics.
- Other preferred embodiments of the electro-optical device are described below.
- a preferred embodiment, 300 shows the position of graphene on one side of the guide, 320, with a partially covering contact, 310.
- a preferred embodiment, 400 shows the coating of the guide 430, in whole or in part, of the guide, 420, and of the electrode, 410, also covering all or part of the graphene, 410.
- An alternative preferred embodiment of the electro-optical device, 500 shows one or more layers of graphene, 520 , 530, crossing at an arbitrary angle the optical guide, 550, region through which the optical signal is propagated, and an electrode, 510 that modifies the properties of graphene. In this case, the interaction of the optical signal with graphene occurs when the various layers of graphene pass through the light.
- a preferred embodiment of the electro-optical device, 600 shows one or more layers of graphene, 620, 630, crossing the optical guide, 650, at a 90 degree angle. Also in this case the interaction of the optical signal with graphene occurs when the various layers of graphene pass through the light, and in addition, in this case a series of multiple reflections of the optical signal are produced. These multiple reflections are harmful for applications of the electro-optical device as a modulator, but are beneficial for applications of the electro-optical device as an optical filter.
- a preferred embodiment of the electro-optical device, 700 consists essentially of replacing the contact that applies the voltage to the graphene to modify its properties by an incident beam of light, 730, on the graphene.
- the electronic interface controls the incident light beam on graphene, 710, modifying its intensity and / or wavelength. In this way it modifies the properties of graphene in a similar way to those shown in Figure 3, although, by application of a beam of light instead of by application of a voltage.
- This preferred implementation allows modifying graphene properties at higher speeds than with the use of electrodes.
- a preferred embodiment, 800 consists essentially of an optical fiber, 810, from which a beam of light that strikes a substrate, 820, which supports to graphene, 830 with which the light interacts and on which it acts by means of the electrode, 840, and a set of lenses, 860, 850, which allow the optical signal to be properly manipulated.
- a preferred embodiment of the above 900 consists essentially of replacing a homogeneous graphene layer, with small plots or cells 920 of graphene, 930, on which the graphene properties for each plot or cell are individually modified by a multiple electrode, 940, 930. In this way, the phase of various areas of the cross section of the beam of light independently.
- a preferred embodiment of the electro-optical device for integration into the complete system, 1000 consists essentially in the inclusion of a temperature modifying element, 1030, such as a device based on the thermoelectric effect, such as the Peltier-Seebeck effect. , under the substrate that supports the optical guide, graphene, 1020, electrode, 1010 and electrode, 1040. This preferred embodiment allows control of the operating temperature of the device.
- a preferred embodiment of the system for modulating the phase of an optical signal based on graphene or nanostructured materials, 1100 consists essentially of: a) optical source, 1110; b) graphene-based electro-optical device and / or carbon-based nano-structured materials, 1120; c) optical interface, 1140; d) electronic interface, 1130; basic elements of this invention, and: e) a sensor that generates an electrical signal based on the interaction detected between the optical signal and graphene in the electro-optical device; f) an analog processor, 1160, that adapts the signal received by the sensor to the electronic interface. In this way an adequate control of all the system parameters is carried out.
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Abstract
Dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en grafeno y/o materiales nano- estructurados basados en carbono. Un dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en grafeno que comprende esencialmente un dispositivo electro-óptico basado en grafeno en el que la luz interacciona con el grafeno, de forma que se produce una variación de la fase de la señal óptica sin variación significativa de su amplitud o intensidad, una interfaz óptica que permite analizar o monitorizar la variación de la fase producida en la señal óptica y una interfaz electrónica que permita actuar sobre el grafeno, modificando sus propiedades para conseguir la modificación de la fase de la señal óptica sin afectar a su intensidad.
Description
Dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en grafeno y/o materiales nano- estructurados basados en carbono
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un dispositivo óptico que modifica la fase de una portadora y/o señal óptica y, más particularmente pero no exclusivamente, a un modulador que codifica una información mediante la variación de la fase de la portadora óptica y, más particularmente pero no exclusivamente, de un sistema que monitoriza el resultado, y actúa sobre el dispositivo para mantener el control de la modulación de la fase de la luz en el punto de operación adecuado.
ANTECEDENTES Las comunicaciones de fibra óptica son uno de los activadores para permitir que un operador proporcione servicios de banda ancha a los abonados que pueden extenderse sobre grandes áreas geográficas. La fibra óptica se usa como medio de transmisión porque ofrece varias ventajas comparada con los hilos de cobre, tales como el tradicional par trenzado, o las ondas de radio. Entre ellas, la capacidad de la fibra óptica para proporcionar un elevado ancho de banda a largas distancias.
El éxito de las comunicaciones por fibra óptica ha motivado la extensión a otros entornos, no sólo las comunicaciones de larga distancia, sino también comunicaciones de corta distancia, pero en las que se requiere también ofrecer un elevado ancho de banda, medido en el número de bits por segundo que se puede transmitir,
actualmente del orden de Gigabits por segundo (Gbps) e incluso alcanzando tasas de Terabits por segundo (Tbps) . Las comunicaciones ópticas están proporcionando estas capacidades de transmisión tanto a medias y largas distancias, desde metros a decenas de miles de kilómetros, mediante el uso de fibras ópticas, como a cortas y ultra cortas distancias, desde unos centímetros hasta unas pocas decenas de micrómetros.
Se define sistema de comunicaciones ópticas a todo aquel sistema que transmite información mediante la modificación de cualquiera de las propiedades de la luz, como su intensidad, fase, polarización, frecuencia, etc., y que además es capaz de recibir la información o modificar dicha información contenida en cualquiera de las propiedades ópticas de la luz.
Las aplicaciones de comunicaciones ópticas a distancias cortas y ultra cortas se desarrollan mediante diversas técnicas y materiales que permiten el guiado y el direccionamiento de la luz a escalas micrométricas . En este caso se habla de circuitos ópticos integrados, de comunicaciones ópticas y de procesado óptico.
Por otra parte, el desarrollo de la óptica integrada ha ayudado, a su vez, a desarrollar las comunicaciones por fibra óptica, ya que ha proporcionado nuevas técnicas y dispositivos para modular, transmitir, dirigir, procesar y detectar la información contenida en la luz transmitida. Puesto que la luz realiza la función de portadora de la información, habitualmente se denomina portadora óptica. Dicha portadora poder la emisión cuasi monocromática de un láser, la emisión de amplio de espectro de cualquier otra
fuente óptica o incluso, la emisión de una fuente óptica que ya anteriormente ha sido utiliza para transportar información y que en una etapa posterior es procesada para eliminar la información transportada y después reprocesada para transportar una nueva información, como se describe en patentes anteriores [WO2011113902 y US8041219] .
La óptica integrada proporciona circuitos ópticos y opto-electrónicos de tamaño pequeño o medio para la generación de señales ópticas, la modulación, filtrado, re- direccionamiento , procesado de información o detección de información, mediantes la interacción de señales ópticas con señales eléctricas o bien de señales ópticas con otras señales ópticas.
Por ejemplo, la altas tasas de datos transmitidos de por las comunicaciones por fibra ópticas mencionadas de hasta Tbps, se han podido realizar gracias a la cooperación entre disciplinas como las comunicaciones ópticas y la óptica integrada.
Por una parte, indicar que la transmisión de portadoras ópticas con información mediante comunicaciones for fibra óptica o equivalentemente a través de circuitos ópticos más o menos complejos genera la distorsión de la información codificada en las propiedades ópticas de la portadora óptica. Este efecto se produce porque el medio material y la geometría de las fibras ópticas y los circuitos ópticos modifican a su vez, las propiedades de la luz de forma no controlada, distorsionando e incluso modificando la información contenida en dichas propiedades. Por esta razón se han desarrollado diversos métodos para imprimir la información deseada mediante las propiedades
ópticas de la portadora óptica, que se conocen como técnicas de modulación, o simplemente modulación de la luz o de la portadora óptica.
Por otra parte, trabajos previos han propuesto diversos dispositivos incluyendo o basados en materiales nano-estructurados basados en carbono, como el grafeno. Por ejemplo, un modulador óptico de gran ancho de banda, fue publicado en 2011, [Liu, Ming, et al. "A graphene-based broadband optical modulator." Nature 474.7349 (2011) : 64- 67.] . Dicho modulador actúa sobre la intensidad o amplitud de la portadora óptica guiada en una estructura de óptica integrada, mediante la variación de la absorción óptica del grafeno en función de un voltaje aplicado al grafeno.
En otro trabajo previo, se propone un modulador, también de intensidad en este caso de una onda de radio de entre 0.25 y 1 Thz, mediante la interacción con un haz de luz, propagándose en espacio libre, e interaccionando ambos sobre una lámina de grafeno [Wen, Qi-Ye, et al. "Graphene based all-optical spatial terahertz modulator." Scientific reports 4 (2014) ] .
En otro trabajo previo, se proporciona un resumen de diversos trabajos previos de dispositivos con varias aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas , como moduladores de amplitud; rotadores de la polarización por efecto Faraday y/o efecto Kerr; y aisladores no-recíprocos combinando estructuras multicapas de grafeno, láminas de grafeno con formas concretas, y combinaciones de diversos sustratos y combinaciones de grafeno y metal [Tamagnone, Michele, et al. "Fundamental limits and near-optimal design
of graphene modulators and non-reciprocal devices." Nature photonics 8.7 (2014) : 556-563.] .
Otros trabajos previos proponen moduladores de gran ancho de banda de la amplitud de ondas de radio, en el rango de THz, mediante transiciones intra-banda del grafeno [ Sensale-Rodriguez , Berardi, et al. "Broadband graphene terahertz modulators enabled by intraband transit ions . " Nature Communications 3 (2012) : 780.] .
Otros trabajos previos combinan láminas de grafeno con circuitos ópticos integrados para conseguir moduladores y detectores de la amplitud de la señal óptica en estructuras capaces de guiar la luz fabricadas en Silicio [Youngblood, Nathan, et al. "Mult ifunct ional graphene optical modulator and photodetector integrated on silicon waveguides." Nano letters 14.5 (2014) : 2741-2746.] .
Finalmente otros trabajos previos, publicados por diversos autores, proponen estructuras más complejas como moduladores electro-ópticos de hasta 30GHz de ancho de banda basados en el efecto Zeno, es decir, en un aumento de las pérdidas (absorción de la intensidad) en un resonador en anillo acoplado a la guia principal [Zhao, Wangshi . "Novel Metamaterials and Their Applications in Subwavelength Waveguides, Imaging and Modulation." (2014)] .
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Esta invención busca soluciones técnicas para aumentar la capacidad de transmisión de información en comunicaciones ópticas, tanto por fibra óptica como en circuitos ópticos. Por una parte, esta solución propone una
solución técnica y diversas implementaciones de un dispositivo capaz de modular la fase de la luz mediante las propiedades del grafeno, permitiendo una transmisión de información de forma más robusta frente a distorsiones que los trabajos previos citados que proponen la modulación en amplitud o intensidad de la luz. Y ofreciendo asi moduladores de gran ancho de banda, como los trabajos previos citados, en este caso sobre una magnitud de la luz más robusta a distorsiones. La idea básica de la invención, mostrada en la figura
1 consiste en un dispositivo y sistema que permita la modulación de la fase de una portadora óptica proporcionada por un generador óptico, como por ejemplo un láser u otra fuente de señal óptica. Esto requiere de un dispositivo electro-óptico, como elemento en el que interactúa la señal óptica con el grafeno produciéndose una variación de la fase de la señal, sin afectar a la amplitud o intensidad de la señal óptica. Para conseguir dicho efecto, se requiere de una interfaz óptica con capacidad para analizar o monitorizar la modulación de la fase de las señal óptica que se ha producido al interactuar con el grafeno y de una interfaz electrónica, que puede actuar sobre la fuente óptica, y principalmente sobre las propiedades del grafeno en el dispositivo electro-óptico, de manera que se produzca la modificación de la fase de la señal óptica sin afectar a la amplitud o intensidad de la misma.
La figura 2 muestra la idea básica del objetivo que desea conseguir con esta invención. En la figura 2 se observa la evolución temporal de una señal óptica en la que su amplitud o intensidad se mantiene constante, mientras que la fase de dicha señal óptica varia con el tiempo, de
forma sincronizada con una señal de datos, transportando de esta forma dichos datos o información.
La figura 3, muestra manera en la que la interfaz electrónica debe interaccionar con el grafeno para conseguir el objetivo de esta invención. La variación de un voltaje aplicado sobre el grafeno, permite variar el valor del índice efectivo del grafeno, tanto en su parte real como en su parte imaginaria. Por una parte, la parte imaginaria del índice de refracción efectivo del grafeno afecta a una mayor o menor absorción de la portadora óptica que interaccione con el grafeno. Por otra parte, la parte real del índice de refracción efectivo del grafeno genera un cambio en la fase de la señal o portadora óptica que interaccione con el grafeno. La presente invención se basa en el adecuado control por parte de la interfaz electrónica de las propiedades electro-ópticas del grafeno, para conseguir que se mantenga en el rango de valores mostrados por el cuadrado de la figura 3, con valores de la parte imaginaria del índice de refracción efectivo del grafeno prácticamente nulos y valores de la parte real del índice de refracción efectivo del grafeno mostrando fuertes variaciones. De esta manera se consigue una variación ínfima de la amplitud o intensidad de la señal o portadora óptica y una manifiesta modulación en la fase de la señal óptica.
Las siguientes figuras muestran diversas implementaciones de varios de los elementos de la invención, especialmente del dispositivo electro-óptico.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción siguiente basada en las figuras adjuntas, en las cuales: la figura 1 muestra el esquema general del dispositivo y sus elementos fundamentales; la figura 2 muestra la evolución temporal de una señal óptica en amplitud y modulación de la fase relativa a los datos a trasmitir; la figura 3 representa el valor complejo del índice de refracción efectivo del grafeno en función del voltaje aplicado ; la figura 4 muestra la sección transversal de una guía óptica con deposición en su superficie de grafeno y contacto; la figura 5 muestra una guía óptica, de la que se representa su sección transversal, con deposición en su lateral de grafeno conectado a un electrodo; la figura 6 muestra la sección trasversal una guía óptica, revestida de grafeno, con contacto; la figura 7 muestra una sección longitudinal de una guía óptica, con número variable de secciones de grafeno dispuestas en ángulo; la figura 8 muestra la sección longitudinal de una guía óptica con número variable de secciones de grafeno con contactos dispuestas perpendicularmente a la guía;
la figura 9 muestra la sección transversal de una guia óptica con deposición superior de grafeno polarizado ópticamente ; la figura 10 muestra la colimación de un haz óptico a través de una capa de grafeno; la figura 11 muestra la colimación de un haz óptico a través de un conjunto de láminas de grafeno con contactos; la figura 12 muestra la sección transversal de una guia óptica, con deposición de grafeno en su superficie con contacto, fijada a un material termo-eléctrico; la figura 13 muestra un sistema basado en grafeno con monitorización y realimentación parcial de la salida.
DESCRIPCION DE REALIZACIONES Un dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en grafeno y/o materiales nano- estructurados basados en carbono, que comprende, se hace referencia a la Figura 1 : a) una fuente óptica que genera una señal o portadora óptica, 110, b) un dispositivo electro-óptico basado en grafeno y/o materiales nano-estructurados basados en carbono, 120, en el que se produce la interacción entre la señal o portadora óptica y el grafeno o material nano-estructurado basado en carbono, de forma que se consigue una modulación o variación
de la fase de la señal o portadora óptica, sin alterar su amplitud o intensidad, c) una interfaz óptica, 140, que permite analizar, monitorizar y si requiere interaccionar con la modulación of variación de la fase de la señal o portadora óptica producida por la interacción con el grafeno o material nano-estructurado basado en carbono, d) una interfaz electrónica, 130, que interacciona con el dispositivo electro-óptico, modificando las propiedades del grafeno o material nano- estructurado basado en carbono, para asegurar que la interacción con la señal óptica produce la modificación de su fase pero no de su amplitud o intensidad
Considerando una realización preferida de la presente invención, el generador óptico, se hace referencia a la figura 1, podría ser una fuente de luz láser con emisión continua, que habitualmente se describe como portadora óptica.
En otra realización preferida, el generador óptico de la figura óptica podría ser también un transmisor óptico que proporcionase una portadora óptica con variaciones temporales de algunas de sus propiedades físicas, como por ejemplo su polarización o su intensidad, y a la se suele referir como señal óptica.
En su versión más simple de la realización preferida, el dispositivo electro-óptico, 120, el dispositivo electro- óptico consiste esencialmente en: un medio material que
confina la propagación de la luz 230, habitualmente producido o fabricado sobre un substrato material y al que se suele denominar guia óptica; una o varias láminas de grafeno 220 o materiales nano-estructurados basados en carbono situados en la proximidad de la guia óptica; un electrodo 210 que, por ejemplo mediante un conector 240, permite aplicar al grafeno o material nano-estructurado, un determinado voltaje y de esa forma variar las propiedades del grafeno o material nano-estructurado. Las guias ópticas confinan la propagación de la luz; pero en general, o mediante un diseño adecuado, parte de la luz no se propaga dentro de la guia sino en sus proximidades, de forma que una o varias láminas de grafeno o materiales nano-estructurados situados en la proximidad de la guia óptica permite variar las propiedades de la luz que se propaga por la guia óptica.
Haciendo referencia a la Figura 2, mediante la adecuada modificación de las propiedades del grafeno o materiales nano-estructurados similares, la luz que interactúa con el grafeno, mantiene un nivel de intensidad o amplitud constante, y al mismo tiempo se modifica la fase de la señal óptica. La figura muestra un ejemplo de aplicación en el que la fase de la señal óptica corresponde a una secuencia de datos representados por ejemplo por una señal eléctrica. De esta forma, en este ejemplo, el dispositivo actuaría como modulador, imprimiendo a la señal óptica unos datos en formato eléctrico.
La obtención de la modulación de la fase de la señal óptica, depende de la adecuada modificación de las propiedades electro-ópticas del grafeno o material nano-
estructurado. La figura 3 muestra la variación del índice de refracción una capa de grafeno puro en función del voltaje aplicado al mismo. Dichos resultados no suponen la base de la presente invención, pero muestran un buen ejemplo de implementación, en este ejemplo, con una capa de grafeno puro. En esta implementación, la interfaz electrónica puede gestionar la modulación de la fase de la señal óptica mediante la aplicación de voltajes sobre el grafeno puro de entre 0.8 a 1.8 voltios. Para dichos valores de voltaje, la parte imaginaria del índice de refracción efectivo del grafeno, Im(n_eff) es prácticamente nula. La parte imaginaria del índice de refracción efectivo de los materiales afecta a la absorción del material, por lo que de esta manera la luz que interaccione con el grafeno no sufrirá variaciones significativas de amplitud o intensidad. Por otra parte, para los mismo valores, la parte real del índice de refracción efectivo del grafeno, Re(n_eff) presenta fuertes variaciones. La parte real del índice de refracción efectivo de los materiales afecta a las variaciones de la fase de las señales ópticas que se propagan o interaccionan con estos medios materiales. Al presentar fuertes variaciones la parte real del índice de refracción efectivo del grafeno, moderadas variaciones de voltaje son suficientes para conseguir una adecuada modulación de la fase de la señal óptica que interacciona con el grafeno.
Otra realización preferida de esta invención incluye variantes del grafeno en sus múltiples versiones multicapa o dopando con otros materiales, o bien usando otros materiales nano-estructurados que presenten características similares a la descritas. En general nos referiremos a
grafeno, de forma genérica, tratándose de una sola capa de grafeno puro, o bien de varias capas, dopadas o no, o de otros materiales nano-estructurados de carbono que presenten características similares. A continuación se describen otras realizaciones preferidas del dispositivo electro-óptico.
Considerando la localización del grafeno y del contacto, una realización preferida, 300, muestra la posición del grafeno en un costado de la guía, 320, con un contacto que lo recubre parcialmente, 310. Una realización preferida, 400, muestra el recubrimiento de la guía 430 de forma total o parcial de la guía, 420, y del electrodo, 410, también recubriendo total o parcialmente al grafeno, 410. Un realización preferida alternativa del dispositivo electro-óptico, 500, muestra una o varias capas de grafeno, 520, 530, cruzando en un ángulo arbitrario la guía óptica, 550, región por la que se propaga la señal óptica, y un electrodo, 510 que modifica las propiedades del grafeno. En este caso, la interacción de la señal óptica con el grafeno se produce al atravesar la luz las diversas capas de grafeno .
Una realización preferida del dispositivo electro- óptico, 600, muestra una o varias capas de grafeno, 620, 630, cruzando la guía óptica, 650, en un ángulo de 90 grados. También en este caso la interacción de la señal óptica con el grafeno se produce al atravesar la luz las diversas capas de grafeno, y además, en este caso se producen una serie de reflexiones múltiples de la señal óptica. Estas reflexiones múltiples son perjudiciales para
aplicaciones del dispositivo electro-óptico como modulador, pero son beneficiosas para aplicaciones del dispositivo electro-óptico como filtro óptico.
Una realización preferida del dispositivo electro- óptico, 700, consiste esencialmente en sustituir el contacto que aplica el voltaje al grafeno para modificar sus propiedades por un haz de luz incidente, 730, sobre el grafeno. En este caso, la interfaz electrónica controla el haz de luz incidente sobre el grafeno, 710, modificando su intensidad y/o longitud de onda. De esta forma modifica las propiedades del grafeno de forma similar a las mostradas en la figura 3, si bien, por aplicación de un haz de luz en vez de por aplicación de un voltaje. Esta implementación preferente permite modificar las propiedades del grafeno a velocidades mayores que con el uso de electrodos.
Considerando la realización preferida de la presente invención sin la intervención de guias ópticas, una realización preferida, 800, consiste esencialmente en una fibra óptica, 810, de la cual que se obtiene un haz de luz que incide sobre un sustrato, 820, que soporta al grafeno, 830 con el que interactúa la luz y sobre el que actúa mediante el electrodo, 840, y un conjunto de lentes, 860, 850, que permiten manipular adecuadamente la señal óptica.
Un realización preferida de la anterior 900 consiste esencialmente en sustituir una capa homogénea de grafeno, por pequeñas parcelas o celdas 920 de grafeno, 930, sobre las que se modifica las propiedades del grafeno para cada parcela o celda de forma individual mediante un electrodo múltiple, 940, 930. De esta forma, se modifica la fase de
diversas zonas de la sección transversal del haz de luz de forma independiente.
A continuación se describen las realizaciones preferidas del sistema completo. Una realización preferida del dispositivo electro-óptico para su integración en el sistema completo, 1000, consiste esencialmente en la inclusión de un elemento modificador de la temperatura, 1030, como puede ser un dispositivo basado en el efecto termoeléctrico, como el efecto Peltier-Seebeck, bajo el sustrato que soporta la guia óptica, el grafeno, 1020, el electrodo, 1010 y el electrodo, 1040. Esta realización preferida permite el control de la temperatura de operación del dispositivo.
Una realización preferida del sistema para modular la fase de una señal óptica basada en grafeno o materiales nano-estructurados , 1100, consiste esencialmente en: a) fuente óptica, 1110; b) dispositivo electro-óptico basado en grafeno y/o materiales nano-estructurados basados en carbono, 1120; c) interfaz óptica, 1140; d) interfaz electrónica, 1130; elementos básicos de esta invención, y: e) un sensor que genera una señal eléctrica en función de la interacción detectada entre la señal óptica y el grafeno en el dispositivo electro-óptico; f) un procesador analógico, 1160, que adecúa la señal recibida por el sensor para la interfaz electrónica. De esta manera se realiza un control adecuado de todos los parámetros del sistema.
Claims
1. Un dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en la propiedad del grafeno relativa a la variación de la fase de una señal óptica que recorre una sección con el grafeno, y una variación mínima, no significativa de la intensidad de la señal óptica (100) que comprende : a) una señal o portadora óptica generada por un generador óptico (110) b) un dispositivo electro-óptico basado en grafeno o materiales nano-estructurados basados en carbono (120) como medio en el que la señal óptica interacciona con el grafeno los materiales nano-estructurados basados en carbono c) una interfaz electrónica (130) que modifica las propiedades electro-ópticas del grafeno, de forma que no afecte a la amplitud o intensidad de la señal óptica, pero sí a la fase de la señal óptica d) una interfaz óptica (140) que permite detectar, analizar o interactuar con la variación de la fase de la señal óptica realizada por el dispositivo electro-óptico basado en grafeno
2. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con la reivindicación 1 (200) que comprende: a) una o varias capas de grafeno (220); b) un medio en que la señal óptica interacciona con el grafeno y que además puede servir de soporte mecánico de las capas de grafeno como pueden ser: una guía óptica (230); c) un medio para modificar las
propiedades del grafeno, como es un electrodo (210), a instancias de interfaz electrónica interconectada mediante un conector (240) .
3. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con la reivindicación 2 (300) en la que el grafeno se deposita sobre un lado de la guia óptica (320) y el electrodo (310) permite modificar las propiedades del grafeno, a instancias de interfaz electrónica, mediante contacto total o parcial con el grafeno.
4. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con la reivindicación 2 (400) en la que el grafeno (420) y el electrodo (410) rodean total o parcialmente la guia óptica
(430) .
5. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con la reivindicación 1 (500) que comprende: a) una o varias capas de grafeno (520) atravesando con un ángulo arbitrario, un medio en el que la señal óptica interacciona con el grafeno (550); b) un electrodo (510) que permite modificar las propiedades del grafeno, a instancias de interfaz electrónica, mediante contacto total o parcial con una o varias de las capas de grafeno.
6. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2 (600) en el que una o varias capas de grafeno atraviesan un medio en el que la señal óptica interacciona con el grafeno en un ángulo de 90 grados (620) , (630) .
7. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2 (700) en el que la modificación de las propiedades del grafeno, se realiza mediante una radiación óptica sobre el grafeno (730) .
8. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con la reivindicación 1 (800) que comprende: a) una o varias capas de grafeno (830); b) un medio en que la señal óptica interacciona con el grafeno y que además puede servir de soporte mecánico de las capas de grafeno como pueden ser: un soporte adecuadamente insertado en un haz de luz (820); c) un medio para modificar las propiedades del grafeno, a instancias de interfaz electrónica como es un electrodo (840) .
9. Dispositivo para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 8 (900) en el que: a) una o varias capas de grafeno están divididas en múltiples celdas (920); b) un electrodo múltiple (940), (930) que permite modificar las propiedades de cada celda de grafeno, a instancias de interfaz electrónica.
10. Un dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de acuerdo con las reivindicaciones anteriores 1 a 7 (1000) en el que se introduce un elemento que permite variar la temperatura del dispositivo (1030) .
11. Un dispositivo y sistema para modular la fase de una señal óptica basado en las propiedades del grafeno de
acuerdo con las reivindicaciones anteriores 1 a 10 (1100) que incluye: a) un sensor (1150) que permite detectar, analizar o interactuar con la variación de la fase de la señal óptica realizada por el dispositivo electro-óptico basado en grafeno , b) un módulo de procesado analógico (1160) que procesa la información generada por el sensor y la entrega a la interfaz electrónica (1130) .
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2016
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