RU2782978C9 - High-frequency optical switch and its manufacturing methods - Google Patents
High-frequency optical switch and its manufacturing methods Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782978C9 RU2782978C9 RU2020106422A RU2020106422A RU2782978C9 RU 2782978 C9 RU2782978 C9 RU 2782978C9 RU 2020106422 A RU2020106422 A RU 2020106422A RU 2020106422 A RU2020106422 A RU 2020106422A RU 2782978 C9 RU2782978 C9 RU 2782978C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- metamaterial
- layer
- paragraphs
- optically
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[001] Настоящее изобретение в целом относится к области оптических переключателей, пригодных для использования для высокочастотной модуляции световых волн.[001] The present invention generally relates to the field of optical switches suitable for use for high frequency modulation of light waves.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
[002] В службах передачи данных постоянно возрастает потребность в полосе пропускания, необходимой для удовлетворения быстро растущих потребностей, связанных в основном с широким использованием смартфонов, социальных сетей, потокового видео и Больших Данных. Широко используемая в настоящее время в центрах обработки данных технология 10 Гбит/с достигла верхнего уровня своего развития, и теперь требуются более крупные каналы передачи данных, чтобы справляться с огромными объемами данных, передаваемых по сетям связи. Действительно, поставщики услуг переходят на оборудование с более высокой скоростью передачи битов, чтобы увеличить пропускную способность до диапазонов 40 Гбит/с и 100 Гбит/с на длину волны.[002] In data services, there is an ever-increasing demand for bandwidth required to meet the rapidly growing needs associated mainly with the widespread use of smartphones, social networks, video streaming and Big Data. The 10Gb/s technology currently widely used in data centers has reached its peak and larger data links are now required to handle the huge volumes of data transferred over communication networks. Indeed, service providers are moving to higher bit rate equipment to increase throughput to the 40 Gbps and 100 Gbps bands per wavelength.
[003] Международный союз электросвязи (МСЭ) делит соответствующий диапазон электромагнитного микроволнового спектра 1530-1565 нм (в котором оптические волокна демонстрируют наименьшие потери, также известный как С-диапазон) на фиксированные интервалы спектра по 50 ГГц. Однако эта схема разнесения каналов, вероятно, не подходит для скоростей передачи более 100 Гбит/с. Таким образом, в данной области техники существует потребность в более гибкой парадигме сетки, способной удовлетворить будущие требования к пропускной способности.[003] The International Telecommunication Union (ITU) divides the corresponding 1530-1565 nm electromagnetic microwave spectrum band (in which optical fibers show the least loss, also known as C-band) into fixed 50 GHz spectrum intervals. However, this channel diversity scheme is probably not suitable for transmission rates greater than 100 Gbps. Thus, there is a need in the art for a more flexible grid paradigm capable of meeting future throughput requirements.
[004] Фактически, сигналы с высокой скоростью передачи данных становятся все более сложными для передачи на большие расстояния с высокой спектральной эффективностью, даже если доступен достаточно широкий спектр. Поэтому для приемопередатчиков выгодно адаптироваться к фактическим условиям сети и скорости передачи данных для каждого заданного запроса на трафик, чтобы максимизировать спектральную эффективность. Помимо необходимости повышения спектральной эффективности крупные поставщики контента, недавно построенные центры обработки данных и развивающиеся пиринговые отношения между поставщиками способствуют неточности и разнородности запросов в сети. Таким образом, существует потребность в гибких и адаптивных сетях, оснащенных гибкими приемопередатчиками и сетевыми элементами, которые могут адаптироваться к фактическим постоянно растущим потребностям в трафике передачи данных.[004] In fact, high data rate signals are becoming increasingly difficult to transmit over long distances with high spectral efficiency, even if a fairly wide spectrum is available. Therefore, it is advantageous for the transceivers to adapt to the actual network conditions and data rate for each given traffic request in order to maximize spectral efficiency. In addition to the need to improve spectral efficiency, large content providers, newly built data centers, and growing peering relationships between providers contribute to the inaccuracy and heterogeneity of requests in the network. Thus, there is a need for flexible and adaptive networks equipped with flexible transceivers and network elements that can adapt to the actual ever-increasing data traffic needs.
[005] Признано, что быстрое переключение и модуляция являются основными барьерами для связи с увеличенной пропускной способностью при скоростях передачи более 100 Гбит/с и в терагерцах. Барьеры и ограничения для сверхбыстрой связи могут быть отнесены к высокочастотным, оптическим, коммутационным и терагерцовым ограничениям, связанным с используемой в настоящее время сетевой инфраструктурой, как объяснено ниже:[005] It is recognized that fast switching and modulation are major barriers to increased bandwidth communication at rates greater than 100 Gb/s and in terahertz. Barriers and limitations for ultra-fast communication can be attributed to the RF, optical, switching and terahertz limitations associated with the network infrastructure currently in use, as explained below:
• Радиочастотные ограничения (микроволновый спектр) в основном связаны с трудностью изготовления электронных устройств, выполненных с возможностью работы в частотных диапазонах, существенно превышающих несколько сотен гигагерц. Эта сложность частично обусловлена внутренней потребностью в очень коротком времени переноса носителей в активных областях полупроводников, а также является следствием низкой мощности, создаваемой устройствами, которые должны иметь маленькие активные области, чтобы минимизировать их емкость.• RF limitations (microwave spectrum) are mainly due to the difficulty of manufacturing electronic devices capable of operating in frequency ranges well above a few hundred gigahertz. This complexity is partly due to the inherent need for very short carrier transfer times in the active regions of semiconductors, and is also a consequence of the low power generated by devices that must have small active regions to minimize their capacitance.
• Оптические ограничения встречаются, поскольку междиапазонные диодные лазеры в основном предназначены для работы на видимой и ближней ИК частотах. Однако представляется, что генерация световых сигналов путем излучательной рекомбинации электронов зоны проводимости с дырками в валентной зоне через запрещенные зоны активных полупроводниковых материалов не может быть просто расширена до среднего ИК-диапазона или до диапазонов больших длин волн, поскольку подходящие полупроводники с узкой запрещенной зоной недоступны.• Optical limitations are encountered because interband diode lasers are primarily designed to operate at visible and near-IR frequencies. However, it appears that the generation of light signals by radiative recombination of conduction band electrons with holes in the valence band through the band gaps of active semiconductor materials cannot simply be extended to the mid-IR or long wavelength ranges, since suitable narrow band gap semiconductors are not available.
• Также встречаются ограничения на переключение, так как управление пропусканием света через материал, например, с помощью электрических полей, не подходит для длинных волн, например, в терагерцовом диапазоне спектра света или вблизи него, поскольку контраст переключения между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ, который может быть достигнут с помощью твердотельного электронного оборудования, слишком слабый и медленный.• There are also limitations on switching, since controlling the transmission of light through a material, for example, by means of electric fields, is not suitable for long wavelengths, for example, in or near the terahertz range of the light spectrum, because the switching contrast between ON/OFF states, which can be achieved with solid-state electronic equipment, too weak and slow.
• Терагерцовое ограничение связано с отсутствием мощных источников терагерцовых частот с хорошим разрешением.• The terahertz limitation is due to the lack of powerful sources of terahertz frequencies with good resolution.
[006] Некоторые решения, предложенные в патентной литературе, кратко описаны ниже.[006] Some solutions proposed in the patent literature are briefly described below.
[007] Европейская патентная публикация № 2,876,824 описывает схему для передачи данных по меньшей мере на одной несущей волне в терагерцовом диапазоне. Схема передачи содержит передающее устройство, приемное средство и оптическую систему для передачи световых лучей. Передающее устройство и приемное средство приспособлены к беспроводной передаче данных посредством волновой несущей, модулированной в терагерцовом диапазоне передатчика. Несущая волна генерируется с использованием смешивания разностных частот двух световых лучей от одного или двух источников света.[007] European Patent Publication No. 2,876,824 describes a scheme for transmitting data on at least one carrier wave in the terahertz range. The transmission circuit comprises a transmitter, a receiver and an optical system for transmitting light beams. The transmitting device and the receiving means are adapted for wireless data transmission by means of a wave carrier modulated in the terahertz range of the transmitter. The carrier wave is generated by mixing the difference frequencies of two light beams from one or two light sources.
[008] Способы и устройства, описанные в патенте США № 8,111,722, основаны на оптических резонаторах, изготовленных из нелинейно-оптических материалов и нелинейного волнового смешения для генерации радиочастотных или микроволновых колебаний и оптических гребенчатых сигналов.[008] The methods and apparatuses described in US Pat. No. 8,111,722 rely on optical resonators made from non-linear optical materials and non-linear wave mixing to generate RF or microwave oscillations and optical comb signals.
[009] В патенте США № 8,159,736 описаны фотонные устройства и способы, основанные на регулируемой модуляции с одной боковой полосой (ОБП) в резонаторах с модами шепчущей галереи, сформированных из электрооптических материалов для осуществления связи между модами шепчущей галереи различных поляризаций.[009] U.S. Patent No. 8,159,736 describes photonic devices and methods based on tunable single sideband modulation (SSB) in whispering gallery resonators formed from electro-optical materials for coupling between whispering gallery modes of different polarizations.
[0010] Система оптической модуляции, описанная в патенте США № 8,655,189, включает в себя структуру метаматериала, выполненную с возможностью приема и обработки входного оптического сигнала по меньшей мере на одной рабочей длине волны, где структура метаматериала изменяется между пропускающим и непропускающим состояниями по отношению к оптическому сигналу на рабочей длине волны в ответ на внешний стимул, поданный на структуру метаматериала. Внешний источник стимула связан со структурой метаматериала и выполнен с возможностью изменения структуры метаматериала между его пропускающим и непропускающим состояниями путем подачи выбранных стимулирующих импульсов на структуру метаматериала. Система оптической модуляции обрабатывает входной оптический сигнал для вывода модулированного оптического сигнала, который модулирует в соответствии с выбранными импульсами, поданными на структуру метаматериала.[0010] The optical modulation system described in US Pat. optical signal at the operating wavelength in response to an external stimulus applied to the metamaterial structure. The external stimulus source is connected to the metamaterial structure and is configured to change the metamaterial structure between its permeable and non-permeable states by applying selected stimulus pulses to the metamaterial structure. The optical modulation system processes the input optical signal to output a modulated optical signal that modulates according to selected pulses applied to the metamaterial structure.
[0011] Вышеприведенное описание представляет различные виды техники, которые могут быть связаны с различными аспектами настоящего открытия и предназначены для облегчения понимания этих аспектов. Отметим, что ссылка на любой прототип, упомянутый в этой заявке, не является подтверждением или предположением о том, что этот прототип является частью основных общеизвестных фактов в любой юрисдикции или что следует ожидать, что он будет понят, расценен как соответствующий и/или объединен с другими аналогами специалистом в данной области.[0011] The foregoing description represents various techniques that may be associated with various aspects of the present disclosure and are intended to facilitate understanding of those aspects. Note that reference to any prior art referred to in this application is not an acknowledgment or suggestion that the prior art is part of basic common knowledge in any jurisdiction or that it is to be expected to be understood, regarded as relevant and/or combined with other analogues by a person skilled in the art.
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕGENERAL DESCRIPTION
[0012] Объект изобретения, раскрытый в данном документе, относится к обеспечению методов и реализаций для оптической модуляции длинных волн в терагерцовом диапазоне светового спектра и/или вблизи него для достижения очень высоких скоростей передачи (100 Гбит/с и выше, 400 Гбит/с и в диапазонах со скоростью передачи данных в терагерцах). Раскрытые здесь варианты реализации подходят для реализации оптических модуляторов в твердотельных/чиповых устройствах, выполненных с возможностью работы при комнатной температуре. Эти варианты реализации могут обеспечить гибкость и скорости передачи данных, необходимые для масштабируемых адаптивных сетей и, таким образом, привлекательные для использования в новых центрах обработки данных, построенных в настоящее время, например, с использованием уплощенных (восток-запад) топологий.[0012] The subject matter disclosed herein relates to the provision of methods and implementations for optical modulation of long waves in and/or near the terahertz range of the light spectrum to achieve very high transmission rates (100 Gb/s and higher, 400 Gb/s and in bands with data rates in terahertz). The embodiments disclosed herein are suitable for implementing optical modulators in solid state/chip devices capable of operating at room temperature. These implementations can provide the flexibility and data rates needed for scalable adaptive networks and thus attractive for use in new data centers currently built, for example, using flattened (east-west) topologies.
[0013] Адаптивные центры обработки данных могут быть сконструированы из блокоподобных элементов сетевой инфраструктуры с использованием виртуальных блоков, которые могут быть легко перенастроены. Переход к физической сети с использованием блоков, которые можно легко масштабировать, означает, что сеть может адаптироваться без необходимости перенастройки всей объединительной панели. Комбинация адаптивных приемопередатчиков, гибкой сетки и интеллектуальных клиентских узлов обеспечивает новую «адаптивную» сетевую парадигму, позволяющую поставщикам услуг удовлетворять растущие потребности сети без ее частой реконструкции.[0013] Responsive data centers can be constructed from block-like network infrastructure elements using virtual blocks that can be easily reconfigured. Moving to a physical network using blocks that can be easily scaled means the network can adapt without having to reconfigure the entire backplane. The combination of adaptive transceivers, a flexible mesh, and intelligent client nodes provides a new "adaptive" network paradigm that allows service providers to meet growing network demands without frequent redesign.
[0014] Системы передачи на основе 100 Гбит/с были коммерциализированы в последние годы, и, так как они совместимы с уже развернутым разнесением сеток/каналов МСЭ на диапазоны в 50 ГГц, необходимость замены сетки не возникала. И телекоммуникационная отрасль, и отрасль передачи данных в настоящее время рассматривают стандартную скорость передачи данных выше 100 Гбит/с, много внимания уделяется скорости 400 Гбит/с. К сожалению, спектральная ширина, занимаемая 400 Гбит/с в стандартных форматах модуляции, слишком широка, чтобы вписаться в сетку МСЭ 50 ГГц, и ее принудительная подгонка к формату модуляции с более высокой спектральной эффективностью допускает только короткие расстояния передачи. Фиксированная сетка не поддерживает скорости передачи 400 Гбит/с и 1 Тбит/с в стандартных форматах модуляции, поскольку они перекрываются по меньшей мере одной границей сетки 50 ГГц. Таким образом, понятно, что варианты воплощения, описанные в данном документе, полезны для реализаций центров обработки данных, разработанных для удовлетворения продолжающегося увеличения требований к пропускной способности.[0014] 100 Gb/s transmission systems have been commercialized in recent years, and since they are compatible with the 50 GHz ITU mesh/channel spacing already deployed, there has been no need to change the mesh. Both the telecommunications industry and the data communications industry are currently considering standard data rates above 100Gbps, with a lot of focus on 400Gbps. Unfortunately, the spectral width occupied by 400 Gbit/s in standard modulation formats is too wide to fit into the ITU 50 GHz grid, and its forced fitting to a higher spectral efficiency modulation format allows only short transmission distances. The fixed mesh does not support 400 Gbps and 1 Tbps in standard modulation formats because they overlap at least one 50 GHz mesh boundary. Thus, it is understood that the embodiments described herein are useful for data center implementations designed to meet the continuing increase in bandwidth requirements.
[0015] Варианты реализации, описанные в данном документе, используют активный метаматериал, соединенный с волновыми проводниками, для создания высококачественных оптических переключателей, модуляторов и/или фильтров, выполненных с возможностью работы с терагерцовыми скоростями передачи данных. В некоторых вариантах реализации метаматериалы используются для реализации эффективного тонкопленочного терагерцового переключателя, который может обеспечить возможность применения терагерцового обмена данными и обработки сигналов. Такое устройство крайне необходимо для фильтрации, переключения и модуляции терагерцовых сигналов. До сих пор переключение терагерцового излучения с использованием тонкопленочных устройств затруднялось из-за того, что длины электромагнитных волн с терагерцовой частотой превышают диапазон 300 микрометров и, таким образом, существенно не взаимодействуют со структурами, намного меньшими этой длины волны. Использование метаматериалов поможет преодолеть эту проблему.[0015] The embodiments described herein use an active metamaterial coupled to waveguides to create high quality optical switches, modulators, and/or filters capable of operating at terahertz data rates. In some embodiments, metamaterials are used to implement an efficient thin film terahertz switch that can enable terahertz communication and signal processing applications. Such a device is essential for filtering, switching and modulating terahertz signals. Until now, switching of terahertz radiation using thin film devices has been difficult due to the fact that terahertz electromagnetic wavelengths exceed the 300 micrometer range and thus do not significantly interact with structures much smaller than this wavelength. The use of metamaterials will help overcome this problem.
[0016] Термины волновой проводник, оптический волновой проводник или волновая линия используются здесь для обозначения сред и/или элементов, пригодных для использования для передачи электромагнитного излучения, таких как (но не ограничиваясь этим) оптические волноводы, оптические волокна, воздух, которые используются в оптической передаче данных. Метаматериалы представляют собой искусственно структурированные материалы, изготовленные путем сборки различных, часто наноразмерных объектов, для замены атомов и молекул обычного материала, и сконструированные так, чтобы проявлять свойства, которые естественным образом не проявляют их основные материалы. Метаматериалы, используемые в приведенных здесь вариантах реализации, имеют электромагнитные свойства, которые, как правило, сильно отличаются от свойств, встречающихся у природных или химически синтезированных веществ. Метаматериалы, используемые в некоторых вариантах реализации, разработаны для контролируемого проявления отрицательного преломления.[0016] The terms waveguide, optical waveguide, or waveline are used herein to refer to media and/or elements suitable for use in transmitting electromagnetic radiation, such as (but not limited to) optical waveguides, optical fibers, air, which are used in optical data transmission. Metamaterials are artificially structured materials made by assembling various, often nano-sized objects to replace the atoms and molecules of conventional material, and engineered to exhibit properties that their base materials do not naturally exhibit. The metamaterials used in the embodiments herein have electromagnetic properties that are generally very different from those found in naturally occurring or chemically synthesized substances. The metamaterials used in some embodiments are designed to control the development of negative refraction.
[0017] Метаматериалы, используемые в некоторых из описанных здесь вариантов реализации, имеют оптические микроструктуры, выполненные с возможностью взаимодействия с электромагнитным излучением, проходящим через них. Например (и без ограничения), такие оптические микроструктуры могут быть созданы с использованием материалов на основе оксидов металлов, таких как VO2, V2O3, WO3, Ti2O3, NiS2-ySey, LaCoO3, PrNiO3, Cd2Os2O7, NdNiO3, Tl2Ru2O7, NiS, BaCo1-yNiyS2 (где y≤1), Ca1-ySryVO3 (где y≤1), PrRu4P12, BaVS3, EuB6, Fe3O4, La1-yCayMnO3 (где y≤1), La2-2Sr1+2Mn2O7 (где y≤1), Ti4O7, La2NiO4, смешанных оксидов типа манганита RExAE1-xMnO3 (где RE представляет собой редкоземельный металл, такой как лантан или празеодим, AE представляет собой щелочноземельный металл, такой как кальций, и x≤1), интерметаллидов (таких как NiAl), полимеров, таких как азобензол-содержащие полидиацетилены, поливинилиденфторид, поливинилацетат, поливинилфенилен, полистиролсульфонат, полианилины (например, полианилины, примешанные к синтетическим опалевым наноструктурам) и наноструктурированных полимеров, таких как сополимеры диблок (например, poly[styrene-b-isoprene] или PS-b-PI) и триблок (например, сополимер стержневой катушки poly[poly(N-isopropylacrylamide)-b-polyfluorene-b-poly(N-isopropylacrylamide)]).[0017] The metamaterials used in some of the embodiments described herein have optical microstructures configured to interact with electromagnetic radiation passing through them. For example (and without limitation), such optical microstructures can be created using metal oxide materials such as VO2, V2O3, WO3, Ti2O3, NiS2-ySey, LaCoO3, PrNiO3, Cd2Os2O7, NdNiO3, Tl2Ru2O7, NiS, BaCo1-yNiyS2 (where y≤1), Ca1-ySryVO3 (where y≤1), PrRu4P12, BaVS3, EuB6, Fe3O4, La1-yCayMnO3 (where y≤1), La2-2Sr1+2Mn2O7 (where y≤1), Ti4O7, La2NiO4 , mixed oxides of the manganite type RExAE1-xMnO3 (where RE is a rare earth metal such as lanthanum or praseodymium, AE is an alkaline earth metal such as calcium, and x≤1), intermetallic compounds (such as NiAl), polymers such as azobenzene -containing polydiacetylenes, polyvinylidene fluoride, polyvinyl acetate, polyvinylphenylene, polystyrenesulfonate, polyanilines (e.g. polyanilines blended into synthetic opal nanostructures) and nanostructured polymers such as diblock copolymers (e.g. poly[styrene-b-isoprene] or PS-b-PI) and triblock (e.g. pol coil core copolymer y[poly(N-isopropylacrylamide)-b-polyfluorene-b-poly(N-isopropylacrylamide)]).
[0018] Такие метаматериалы могут быть использованы для создания сверхмалых и сверхбыстрых оптических переключателей, изготовленных из оксида ванадия (VO2). Способность таких устройств переключаться в терагерцовых частотных диапазонах намного быстрее, чем у аналогичных переключающих устройств, настроенных на работу на гигагерцовых частотах. Использование метаматериалов VO2 для создания оптических переключателей представляется особенно привлекательным, поскольку его можно переключать с терагерцовыми скоростями между пропускающим (изолятор) и непропускающим (проводник) состояниями, индуцируя электрический заряд или поле, которые можно использовать для создания устройств типа транзистора.[0018] Such metamaterials can be used to create ultra-small and ultra-fast optical switches made from vanadium oxide (VO2). The ability of such devices to switch in the terahertz frequency ranges is much faster than similar switching devices tuned to operate at gigahertz frequencies. The use of VO2 metamaterials to create optical switches is particularly attractive because it can be switched at terahertz speeds between a transmissive (insulator) and a non-transmissive (conductor) state, inducing an electrical charge or field that can be used to create transistor-type devices.
[0019] Метаматериал, используемый в некоторых вариантах реализации, был изготовлен из наночастиц VO2, которые были нанесены на оптически прозрачную подложку (стекло) и покрыты «наносеткой» из миниатюрных наночастиц золота. Когда эту слоистую структуру облучают электромагнитными импульсами от сверхбыстрого ТГц-источника (например, генератора ТГц сигнала любого типа, такого как (не ограничиваясь этим) лазерные источники, любое устройство на основе излучающего ТГц кристалла или умножитель частоты), горячие электроны, разряжаемые из наносетки золота в слой наночастиц VO2, изменяют его фазу с оптически непрозрачной (металлической) на оптически прозрачную (полупроводниковую) за время в пределах пикосекундной (пс, 10-12 секунд) временной области. Варианты реализации, описанные в данном документе, используют это свойство таких метаматериалов для контролируемого изменения между оптически непрозрачными и оптически прозрачными состояниями в пределах пикосекундной временной области, чтобы реализовать оптические переключатели для приложений связи.[0019] The metamaterial used in some embodiments was made from VO2 nanoparticles that were deposited on an optically transparent substrate (glass) and coated with a "nano-mesh" of miniature gold nanoparticles. When this layered structure is irradiated with electromagnetic pulses from an ultrafast THz source (e.g., any type of THz signal generator, such as (but not limited to) laser sources, any device based on a THz emitting crystal, or a frequency multiplier), the hot electrons discharged from the gold nanogrid into a layer of VO2 nanoparticles, change its phase from optically opaque (metallic) to optically transparent (semiconductor) in a time within the picosecond (ps, 10 -12 seconds) time domain. The implementations described herein exploit this property of such metamaterials to controllably change between optically opaque and optically transparent states within the picosecond time domain to implement optical switches for communications applications.
[0020] Один аспект объекта изобретения, раскрытого в данном документе, относится к оптическому переключателю, используемому для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне. В некоторых вариантах реализации устройство содержит оптически пропускающую подложку, выполненную с возможностью распространения через нее электромагнитного излучения, и структуру метаматериала, оптически связанную с подложкой. Структура метаматериала содержит по меньшей мере один слой частиц метаматериала, оптически связанный по меньшей мере с некоторой частью оптически проницаемой подложки, и по меньшей мере один слой наносетки, выполненный по меньшей мере из одного электропроводящего материала, размещенного по меньшей мере поверх некоторой части по меньшей мере одного слоя метаматериала. По меньшей мере один слой наносетки выполнен с возможностью разряда электронов по меньшей мере в один слой метаматериала, чувствительный к электромагнитным или электрическим сигналам, подаваемым на структуру метаматериала, и указанный по меньшей мере один слой метаматериала выполнен с возможностью перехода из оптически непрозрачного состояния в оптически прозрачное состояние при приеме разряженных электронов с изменением по меньшей мере частично электромагнитного излучения, проходящего через подложку.[0020] One aspect of the subject matter disclosed herein relates to an optical switch used for data rates in the terahertz range. In some embodiments, the device comprises an optically transmissive substrate configured to propagate electromagnetic radiation through it, and a metamaterial structure optically coupled to the substrate. The metamaterial structure contains at least one layer of metamaterial particles optically bonded to at least some part of the optically transmissive substrate, and at least one nanogrid layer made of at least one electrically conductive material placed at least over some part of at least one layer of metamaterial. At least one nanogrid layer is configured to discharge electrons into at least one metamaterial layer sensitive to electromagnetic or electrical signals applied to the metamaterial structure, and said at least one metamaterial layer is configured to transition from an optically opaque state to an optically transparent one a state upon receiving discharged electrons with a change at least in part of the electromagnetic radiation passing through the substrate.
[0021] В некоторых случаях, оптически пропускающая подложка находится по меньшей мере в некоторой части оптического волокна. Альтернативно, оптически пропускающая подложка представляет собой по меньшей мере некоторую часть оптического WGM-резонатора, например резонатор PANDA. Еще в одном альтернативном варианте оптически пропускающая подложка представляет собой тонкую пленку.[0021] In some cases, the optically transmissive substrate is located in at least some part of the optical fiber. Alternatively, the optically transmissive substrate is at least some portion of an optical WGM resonator, such as a PANDA resonator. In yet another alternative, the optically transmissive substrate is a thin film.
[0022] В некоторых вариантах реализации подложка имеет толщину примерно от 0,1 до 1 нанометра.[0022] In some embodiments, the substrate has a thickness of about 0.1 to 1 nanometer.
[0023] При необходимости, но в некоторых вариантах предпочтительно по меньшей мере один слой метаматериала содержит оксид ванадия. По меньшей мере один слой метаматериала может быть выполнен с возможностью проявления отрицательного преломления при приеме разряженных электронов.
В некоторых возможных вариантах реализации устройство содержит металлические решетки, образованные на структуре метаматериала.[0023] Optionally, but in some embodiments, at least one metamaterial layer contains vanadium oxide. At least one metamaterial layer may be configured to exhibit negative refraction upon receiving discharged electrons.
In some possible embodiments, the device comprises metal gratings formed on a metamaterial structure.
[0024] Толщина по меньшей мере одного слоя частиц метаматериала обычно может составлять примерно 0,1-1 нм. В некоторых вариантах реализации размер частиц по меньшей мере одного слоя метаматериала составляет примерно от 1 до 100 нанометров.[0024] The thickness of at least one layer of metamaterial particles can typically be about 0.1-1 nm. In some embodiments, the particle size of at least one metamaterial layer is from about 1 to 100 nanometers.
[0025] При необходимости, но в некоторых вариантах предпочтительно, чтобы по меньшей мере один слой наносетки содержал золото. Толщина по меньшей мере одного слоя наносетки обычно может составлять примерно от 0,1 до 1 нанометра. В некоторых вариантах реализации размеры частиц слоя наносетки составляют примерно от 20 до 100 нанометров. Размер/диаметр пор слоя наносетки составляет в некоторых вариантах реализации от 0,1 до 1 нанометра.[0025] Optionally, but in some embodiments, it is preferable that at least one layer of the nanogrid contains gold. The thickness of at least one layer of the nanogrid can typically be from about 0.1 to 1 nanometer. In some embodiments, the particle sizes of the nanogrid layer are from about 20 to 100 nanometers. The size/diameter of the pores of the nanogrid layer is in some embodiments from 0.1 to 1 nanometer.
[0026] Оптический переключатель может иметь геометрический размер приблизительно от 100 до 500 нанометров. В некоторых вариантах реализации электромагнитные или электрические сигналы, подаваемые на структуру метаматериала, находятся в диапазонах радио-, микроволновых или терагерцовых частот (например, в диапазоне от 100 МГц до 40 ТГц).[0026] The optical switch may have a geometric size of approximately 100 to 500 nanometers. In some embodiments, the electromagnetic or electrical signals applied to the metamaterial structure are in the radio, microwave, or terahertz frequency ranges (eg, in the range of 100 MHz to 40 THz).
[0027] Согласно еще одному аспекту объект изобретения, раскрытый в данном документе, относится к оптическому модулятору, пригодному для использования для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне. Модулятор может содержать оптическое переключающее устройство, описанное выше или ниже, входную волновую линию, выполненную с возможностью ввода входного электромагнитного излучения в оптический переключатель, и выходную волновую линию, выполненную с возможностью передачи выходного электромагнитного излучения, по меньшей мере частично измененного оптическим переключающим устройством.[0027] According to another aspect, the subject matter disclosed herein relates to an optical modulator usable for data rates in the terahertz range. The modulator may comprise an optical switching device as described above or below, an input waveline configured to introduce input electromagnetic radiation into the optical switch, and an output waveline configured to transmit an output electromagnetic radiation at least partially modified by the optical switching device.
[0028] Другой узел оптического модулятора, пригодный для использования для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне, может быть реализован с использованием входной волновой линии, выполненной с возможностью ввода входного электромагнитного излучения в узел оптического модулятора; оптического разветвителя, выполненного с возможностью приема входного электромагнитного излучения от входной волновой линии, первой и второй волновых линий, оптически связанных с оптическим разветвителем для приема частей электромагнитного излучения от входной волновой линии, таким образом разделенной; по меньшей мере одного оптического переключателя, описанного выше или ниже, оптически связанного с соответствующей сердцевиной (сердечником) по меньшей мере одной из первой и второй волновых линий; и оптического сумматора, оптически связанного с первой и второй волновыми линиями для объединения электромагнитного излучения, принимаемого ими от оптического разветвителя и по меньшей мере частично измененного по меньшей мере одним оптическим переключателем. Оптический модулятор может содержать выходную волновую линию, выполненную с возможностью приема электромагнитного излучения, объединенного оптическим сумматором.[0028] Another optical modulator assembly usable for data rates in the terahertz range can be implemented using an input waveline configured to input electromagnetic radiation into the optical modulator assembly; an optical splitter configured to receive input electromagnetic radiation from the input waveline, the first and second wavelines optically coupled to the optical splitter for receiving portions of the electromagnetic radiation from the input waveline, thus divided; at least one optical switch, as described above or below, optically connected to a respective core (core) of at least one of the first and second wave lines; and an optical adder optically coupled to the first and second wave lines to combine electromagnetic radiation received by them from the optical splitter and at least partially modified by at least one optical switch. The optical modulator may include an output waveline configured to receive electromagnetic radiation combined by an optical adder.
[0029] Оптический модулятор может содержать первый и второй оптические переключатели, соответственно связанные с сердцевинами первой и второй волновых линий. При необходимости, но в некоторых вариантах предпочтительно, чтобы, по меньшей мере один слой метаматериала содержал оксид ванадия. В некоторых вариантах, по меньшей мере один слой метаматериала может быть выполнен с возможностью проявления отрицательного преломления при приеме разряженных электронов.[0029] The optical modulator may include first and second optical switches respectively associated with the cores of the first and second wavelines. Optionally, but in some embodiments, it is preferable that at least one layer of the metamaterial contains vanadium oxide. In some embodiments, at least one metamaterial layer may be configured to exhibit negative refraction upon receiving discharged electrons.
[0030] В некоторых вариантах реализации модулятор содержит металлические решетки, образованные на структуре метаматериала.[0030] In some embodiments, the modulator comprises metal gratings formed on a metamaterial structure.
[0031] Согласно еще одному аспекту объект настоящего изобретения относится к устройству в виде оптического сумматору для объединения двух или более носителей электромагнитных данных. Устройство в виде сумматора содержит по меньшей мере один модулирующий WGM-резонатор, имеющий покрытие структурой метаматериала поверх внутренней стенки, по меньшей мере две входные волновые линии, оптически связанные по меньшей мере с одним модулирующим WGM-резонатором для введения в него соответствующих по меньшей мере двух носителей электромагнитных данных, и по меньшей мере одну выходную волновую линию, оптически связанную с указанным по меньшей мере одним WGM-резонатором для вывода электромагнитного излучения, захваченного внутри модулирующего WGM-резонатора, и по меньшей мере частичного объединения по меньшей мере двух носителей электромагнитных данных.[0031] According to another aspect, an object of the present invention relates to an optical combiner device for combining two or more electromagnetic data carriers. The device in the form of an adder contains at least one modulating WGM resonator having a metamaterial structure coating over the inner wall, at least two input wave lines optically coupled to at least one modulating WGM resonator for introducing at least two corresponding electromagnetic data carriers, and at least one output waveline optically coupled to said at least one WGM resonator to output electromagnetic radiation trapped within the modulating WGM resonator and at least partially combine at least two electromagnetic data carriers.
[0032] Структура метаматериала в некоторых вариантах реализации содержит оксид ванадия, например, слой наночастиц, как описано здесь. Структура метаматериала может содержать золото, например, слой золотой наносетки, нанесенный поверх слоя оксида ванадия, как описано здесь.[0032] The structure of the metamaterial in some implementations contains vanadium oxide, for example, a layer of nanoparticles, as described here. The structure of the metamaterial may contain gold, for example, a layer of gold nanogrid applied over a layer of vanadium oxide, as described here.
[0033] В некоторых вариантах реализации оптический сумматор содержит по меньшей мере один вспомогательный WGM-резонатор, имеющий покрытие структурой метаматериала поверх внутренней стенки и оптически связанный с указанным WGM-резонатором. По меньшей мере один вспомогательный WGM-резонатор может быть выполнен с возможностью формирования электромагнитного излучения, захваченного внутри по меньшей мере одного WGM-резонатора, заданным образом.[0033] In some embodiments, the optical combiner comprises at least one auxiliary WGM resonator having a metamaterial structure coating over an inner wall and optically coupled to said WGM resonator. The at least one auxiliary WGM resonator may be configured to generate electromagnetic radiation trapped within the at least one WGM resonator in a predetermined manner.
[0034] Оптический сумматор может содержать решетки, образованные на структуре метаматериала по меньшей мере одного WGM-резонатора. При необходимости по меньшей мере один из WGM-резонаторов может представлять собой резонатор эллипсоидальной формы.[0034] The optical combiner may include gratings formed on the metamaterial structure of at least one WGM resonator. Optionally, at least one of the WGM resonators may be an ellipsoidal resonator.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0035] Чтобы понять изобретение и увидеть, как оно может быть реализовано на практике, варианты реализации будут описаны на неограничивающих примерах со ссылками на прилагаемые чертежи. Особенности, показанные на чертежах, иллюстрируют только некоторые варианты реализации изобретения, если не указано иное. На чертежах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения соответствующих частей, на которых:[0035] In order to understand the invention and see how it can be put into practice, embodiments will be described by non-limiting examples with reference to the accompanying drawings. The features shown in the drawings illustrate only some of the embodiments of the invention, unless otherwise indicated. In the drawings, like reference numerals are used to designate respective parts in which:
[0036] ФИГ. 1A-1C схематично иллюстрируют работу оптических переключателей в соответствии с некоторыми возможными вариантами реализации: на ФИГ. 1A показан оптический переключатель, подготовленный путем нанесения метаматериала на тонкую пленку, на ФИГ. 1B показана возможная реализация оптического переключателя, а на ФИГ. 1С показаны графики времени взаимодействия входной и выходной волн с оптическим переключателем;[0036] FIG. 1A-1C schematically illustrate the operation of optical switches according to some possible implementations: FIG. 1A shows an optical switch prepared by depositing a metamaterial onto a thin film, FIG. 1B shows a possible implementation of an optical switch, and FIG. 1C shows time plots of input and output wave interaction with an optical switch;
[0037] ФИГ. 2 схематично иллюстрирует оптический переключатель в соответствии с некоторыми возможными вариантами реализации;[0037] FIG. 2 schematically illustrates an optical switch in accordance with some possible implementations;
[0038] ФИГ. 3 схематично иллюстрирует возможную реализацию оптического модулятора согласно некоторым возможным вариантам воплощения;[0038] FIG. 3 schematically illustrates a possible implementation of an optical modulator according to some possible embodiments;
[0039] ФИГ. 4A и 4B схематично иллюстрируют модуляторы оптических волн, использующие резонаторы с модами шепчущей галереи (whispering gallery mode, WGM): на ФИГ. 4A показана возможная реализация модулятора оптических волн, использующего кольцевой резонатор; ФИГ. 4B иллюстрирует возможную реализацию оптического модулятора, использующего множество оптически связанных WGM-резонаторов, и демонстрирует близость, необходимую для способствования объединению перекрестных помех/сигналов для модуляции WGM; [0039] FIG. 4A and 4B schematically illustrate optical wave modulators using whispering gallery mode (WGM) resonators: FIG. 4A shows a possible implementation of an optical wave modulator using a ring resonator; FIG. 4B illustrates a possible implementation of an optical modulator using a plurality of optically coupled WGM resonators and demonstrates the proximity needed to facilitate crosstalk/signal combining for WGM modulation;
[0040] На ФИГ. 5А-5С приведены примеры систем передачи данных, использующих оптические волновые модуляторы на основе WGM-резонаторов для объединения носителей данных разных частот.[0040] FIG. 5A-5C are examples of data transmission systems using optical wave modulators based on WGM resonators to combine data carriers of different frequencies.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИDETAILED DESCRIPTION OF IMPLEMENTATION OPTIONS
[0041] Ниже будут описаны один или несколько конкретных вариантов реализации настоящего открытия со ссылкой на чертежи, которые должны рассматриваться во всех аспектах только как иллюстративные и не ограничивающие каким-либо образом. В попытке предоставить краткое описание этих вариантов воплощения описаны не все особенности фактической реализации. Элементы, показанные на чертежах, не обязательно представлены в правильном масштабе или пропорциях, что не критично. Вместо этого делается упор на четкую иллюстрацию принципов изобретения таким образом, чтобы специалисты в данной области могли создавать и использовать оптические переключатели/модуляторы, описанные в данном документе, после понимания их структуры и принципа работы. Это изобретение может быть реализовано в других конкретных формах и вариантах воплощения без отклонения от основных характеристик, описанных в данном документе.[0041] One or more specific embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings, which are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive in any way. In an attempt to provide a brief description of these embodiments, not all features of the actual implementation are described. The elements shown in the drawings are not necessarily represented in the correct scale or proportions, which is not critical. Instead, emphasis is placed on clearly illustrating the principles of the invention so that those skilled in the art can create and use the optical switches/modulators described herein after understanding their structure and operation. This invention may be embodied in other specific forms and embodiments without deviating from the essential features described herein.
[0042] В этом документе описаны оптический переключатель и модулятор, выполненные с возможностью работы в высокочастотных диапазонах, в терагерцовом диапазоне частот и вблизи него. Описанные устройства используют метаматериал, выполненный с возможностью управляемого изменения его оптических свойств и тем самым изменения пути электромагнитного излучения, проходящего через волноводную среду (например, волоконно-оптический сердечник), оптически связанную с ним. Это достигается в некоторых вариантах реализации путем нанесения метаматериала на часть волноводной среды, такой как оптическое волокно, чтобы оптически соединить метаматериал с волноводной средой (сердцевиной) и позволить метаматериалу взаимодействовать с электромагнитным излучением, проходящим через него. Например, и без ограничения, при использовании в оптическом волокне, метаматериал может быть нанесен на некоторой предварительно определенной длине, которая соответствует нескольким длинам волн (λ) (например, по меньшей мере 4λ), вдоль оптического волокна, покрывая определенный угол/дугообразное сечение, охватывающее всю его окружность (360°).[0042] This document describes an optical switch and modulator capable of operating in high frequency bands, in and near the terahertz frequency range. The devices described use a metamaterial capable of controlled changes in its optical properties and thereby changing the path of electromagnetic radiation passing through a waveguide medium (eg, a fiber optic core) optically coupled to it. This is achieved in some embodiments by applying a metamaterial to a portion of the waveguide medium, such as an optical fiber, to optically couple the metamaterial to the waveguide medium (core) and allow the metamaterial to interact with electromagnetic radiation passing through it. For example, and without limitation, when used in an optical fiber, the metamaterial can be deposited at some predetermined length that corresponds to several wavelengths (λ) (e.g., at least 4λ) along the optical fiber, covering a certain angle/arc section, covering its entire circumference (360°).
[0043] В некоторых вариантах реализации оптические переключатели и/или модуляторы объединяются в узлы оптического резонатора с модами шепчущей галереи (WGM) для модуляции света, вводимого в оптический резонатор электрическими/оптическими сигналами, подаваемыми на метаматериал. Это может быть достигнуто путем размещения метаматериала на части WGM-резонатора, чтобы оптически соединить метаматериал с волноводной средой/сердцевиной резонатора и позволить метаматериалу взаимодействовать с электромагнитным излучением, захваченным внутри резонатора. Например, и без ограничения, если WGM-резонатор представляет собой тип кольцевого/эллиптического/торообразного резонатора, метаматериал может быть нанесен на некоторой предварительно определенной длине по меньшей мере 4 длины волны вдоль WGM-резонатора, покрывая определенный угол/дугообразное сечение, охватывающее всю его окружность (360°). Однако следует отметить, что в вариантах реализации настоящей заявки могут одинаково использоваться WGM-резонаторы различной формы, например, в виде трехмерных сфер, трехмерных эллипсоидов или трехмерных тороидальных структур с многоугольными формами поперечного сечения (графически полученных вращением многоугольника вокруг оси симметрии тороида).[0043] In some embodiments, optical switches and/or modulators are combined into whispering gallery mode (WGM) optical cavity assemblies to modulate light introduced into the optical cavity by electrical/optical signals applied to the metamaterial. This can be achieved by placing a metamaterial on a portion of the WGM resonator to optically couple the metamaterial to the waveguide medium/resonator core and allow the metamaterial to interact with the electromagnetic radiation trapped inside the resonator. For example, and without limitation, if the WGM resonator is an annular/elliptical/torus resonator type, the metamaterial can be deposited at some predetermined length of at least 4 wavelengths along the WGM resonator, covering a defined angle/arc section encompassing its entire circle (360°). However, it should be noted that embodiments of the present application can equally use WGM resonators of various shapes, for example, in the form of three-dimensional spheres, three-dimensional ellipsoids, or three-dimensional toroidal structures with polygonal cross-sectional shapes (graphically obtained by rotating a polygon around the axis of symmetry of the toroid).
[0044] При необходимости, но в некоторых вариантах метаматериал предпочтительно изготовлен из наночастиц материалов на основе ванадия, таких как (но не ограничиваясь этим) наночастицы оксида ванадия (VO2). Однако следует отметить, что другие возможные метаматериалы могут аналогичным образом использоваться для реализации оптического переключателя и/или модулятора, описанных в данном документе, не выходя за границы и основные направления настоящей заявки.[0044] Optionally, but in some embodiments, the metamaterial is preferably made from nanoparticles of vanadium-based materials, such as (but not limited to) vanadium oxide (VO2) nanoparticles. However, it should be noted that other possible metamaterials may similarly be used to implement the optical switch and/or modulator described herein without departing from the boundaries and main directions of the present application.
[0045] Описанные в настоящем документе оптические волновые переключатели и/или модуляторы могут быть выполнены с возможностью взаимодействия между нано- и макросетями (ТГц ←→ ГГц) и для исследования биохимических анализов, биомедицинских анализов, анализов химической и молекулярной биологии.[0045] The optical wave switches and/or modulators described herein can be configured to interoperate between nano and macro networks (THz ←→ GHz) and for biochemical assays, biomedical assays, chemical and molecular biology assays.
[0046] Для обзора некоторых особенностей, этапов процесса и принципов изобретения примеры структур световой модуляции, схематично проиллюстрированные на фигурах, сделаны из материалов на основе ванадия, предназначенных для использования с когерентным светом, например, производимым полупроводниковыми лазерными устройствами. Структуры на основе метаматериалов показаны в качестве одного примера реализации, который демонстрирует ряд особенностей, процессов и принципов, используемых для реализации оптических переключателей/ модуляторов, но они также полезны и для других применений и могут быть выполнены в различных вариантах. Следовательно, это описание будет продолжено со ссылкой на представленные примеры, но с учетом, что изобретение, изложенное в формуле изобретения ниже, также может быть реализовано множеством других способов, как только принципы будут поняты из описаний, объяснений и чертежей, представленных в данном документе. Все такие вариации, а также любые другие модификации, очевидные для специалиста в данной области и полезные в приложениях передачи данных, могут быть подходящим образом использованы и попадают в объем представленного раскрытия.[0046] To review some of the features, process steps, and principles of the invention, the exemplary light modulation structures illustrated schematically in the figures are made from vanadium-based materials intended for use with coherent light, such as that produced by semiconductor laser devices. Metamaterial structures are shown as one implementation example that demonstrates a number of features, processes, and principles used to implement optical switches/modulators, but they are also useful for other applications and can be implemented in various ways. Therefore, this description will continue with reference to the examples presented, but bearing in mind that the invention set forth in the claims below can also be practiced in a variety of other ways, once the principles are understood from the descriptions, explanations, and drawings provided herein. All such variations, as well as any other modifications obvious to a person skilled in the art and useful in data communications applications, can be suitably used and fall within the scope of the present disclosure.
[0047] Исследование оптического изменения фазы наночастиц метаматериалов на основе ванадия, таких как VO2, покрытых наночастицами золота, с использованием источника ТГц не дает ответа, можно ли получить это оптическое изменение фазы с помощью применения электронов, например, с использованием контролируемого изменения электрического поля. В терагерцовом домене связи устройства должны быть чувствительны к электронам и фотонам с минимально возможными затратами энергии и времени на активацию и восстановление. Автор настоящего изобретения обнаружил, что оптическое изменение фазы VO2 хорошо работает с электронами (то есть может управляться с помощью электрического поля) и что инжекция горячих электронов из наночастиц золота также вызывает преобразование с одной пятой до одной десятой, так как требуется много энергии, если лазерное излучение направляется непосредственно на наночастицы VO2 (использование золотых наночастиц на 90% эффективнее, чем прямое лазерное облучение наночастиц VO2). Таким образом, можно сделать вывод, что оптические переключатели, описанные в данном документе, могут включаться и выключаться посредством применения источников света и/или источников электронов/электрического поля, работающих на скоростях передачи данных в диапазонах радио-, микроволновых и терагерцовых частот.[0047] Investigation of the optical phase change of vanadium-based metamaterial nanoparticles such as VO2 coated with gold nanoparticles using a THz source does not answer whether this optical phase change can be obtained using electrons, for example, using a controlled electric field change. In the terahertz communication domain, devices should be sensitive to electrons and photons with the lowest possible energy and time costs for activation and recovery. The inventor of the present invention has found that the optical phase change of VO2 works well with electrons (i.e., can be controlled by an electric field) and that the injection of hot electrons from gold nanoparticles also causes a one-fifth to one-tenth conversion, since a lot of energy is required if the laser radiation is directed directly at the VO2 nanoparticles (the use of gold nanoparticles is 90% more efficient than direct laser irradiation of VO2 nanoparticles). Thus, it can be concluded that the optical switches described herein can be turned on and off using light sources and/or electron/electric field sources operating at data rates in the radio, microwave, and terahertz frequency bands.
[0048] На ФИГ. 1А схематично показано оптическое переключающее устройство 3, сформированное из подложки 3f, выполненной в некоторых вариантах реализации в виде тонкой пленки. Переключающее устройство 3 в этом неограничивающем примере выполнено из слоя наночастиц 3m, имеющего толщину около 0,1-1 нанометра, оптически соединенного по меньшей мере с некоторой частью подложки 3f (например, путем напыления) и наносетки золота и/или аналогичных (электропроводящих) наночастиц 3u, имеющих толщину примерно от 0,1 до 1 нанометра, нанесенных (например, путем напыления) по меньшей мере на некоторую часть слоя метаматериала 3m.[0048] FIG. 1A schematically shows an
[0049] Размеры наночастиц метаматериала 3m в основном могут быть в диапазоне от 1 до 20 нанометров, в некоторых вариантах примерно от 1 до 100 нанометров. Размеры частиц золотой наносетки 3u обычно могут составлять примерно от 20 до 100 нанометров, а размер (величина) ее пор 3р обычно может составлять примерно от 0,1 до 1 нанометров. Подложка 3f может быть изготовлена из оптически прозрачного материала, и в некоторых вариантах воплощения она реализована в виде тонкой пленки, изготовленной из материалов, которые обеспечивают прозрачность при спекании (например, керамика), и имеют толщину примерно от 0,1 до 1 нм.[0049] The sizes of the 3m metamaterial nanoparticles can generally be in the range of 1 to 20 nanometers, in some embodiments from about 1 to 100 nanometers. The particle sizes of the
[0050] В некоторых вариантах реализации слой метаматериала 3m выполнен из наночастиц VO2, которые могут иметь различные формы. Геометрический размер оптического переключателя 3 в некоторых возможных вариантах реализации составляет около нескольких сотен нанометров в диаметре, опционально около 100-500 нанометров, что значительно меньше геометрических размеров оптических переключателей, доступных ранее. Такой оптический переключатель меньшего размера для переключения скоростей терагерцового диапазона (например, на основе материалов оксида ванадия) может преодолеть некоторые технические барьеры для высокоскоростного переключения терагерцового диапазона, предлагая решение, которое может изменить технологии хранения, передачи данных и телекоммуникации.[0050] In some embodiments, the
[0051] ФИГ. 1B схематично иллюстрирует структуру и работу оптического переключателя 10 в соответствии с некоторыми возможными вариантами реализации. В этом неограничивающем примере тонкий слой метаматериала 3m нанесен на тонкую подложку (не показана) и по меньшей мере частично покрыт золотой наносеткой (не показана), выполненной с возможностью облучения сигналами, генерируемыми источником 8 сигнала. Оптический переключатель 10 содержит в некоторых вариантах реализации оптические решетки 11, образованные параллельными металлическими линиями, нанесенными по меньшей мере на некоторый участок или всю поверхность метаматериала 3m для улучшения нелинейных процессов на поверхности (например, для преобразования частоты). Решетки 11 могут быть изготовлены путем механической или химической эрозии.[0051] FIG. 1B schematically illustrates the structure and operation of
[0052] Расстояние d между металлическими решетками 11 может быть сконфигурировано для согласованного по фазе входного излучения 10a разных длин волн для обеспечения чувствительного, согласованного по фазе и когерентного выходного излучения 10b. Это расстояние d обычно устанавливают так, чтобы оно было существенно меньше длины волны входного излучения 10а (например, радиочастотного, микроволнового или терагерцового), например, в некоторых вариантах реализации d составляет около 10 микрометров, чтобы тем самым гарантировать, что все входные длины волн входного излучения 10a проходят через оптический переключатель 10 для получения когерентного и согласованного по фазе выходного излучения 10b.[0052] The distance d between the
[0053] Сигналы 8r (электромагнитное/радиочастотное/микроволновое излучение или электроны/электрическое поле) от источника 8 сигналов, подаваемые на метаматериал 3m оптического переключателя 10, вызывают выброс горячих электронов из частиц золота наносетки в слой метаматериала 3m, заставляя метаматериал 3m перейти из непрозрачной фазы в прозрачную фазу в течение интервала времени, меньшего, чем пикосекунда. Изменение фазы слоя метаматериала 3m можно использовать для модуляции входного электромагнитного излучения 10а, направленного на одну сторону устройства 10, для создания сдвинутого по фазе выхода 10b электромагнитного излучения на другой стороне устройства 10.[0053] Signals 8r (electromagnetic/radio frequency/microwave radiation or electrons/electric field) from the
[0054] Источник 8 сигнала может быть физически подключен к оптическому переключателю 10, например, с использованием фотосмесителя или умножителя частоты, или может быть реализован как источник сигнала, использующий бесконтактный порт для подачи входного электромагнитного излучения 10а, например, фотосмеситель или умножитель частоты (т. е. без физического контакта с устройством переключения 10), выполненный с возможностью генерировать импульсные сигналы в терагерцовом диапазоне частот и/или вблизи него, например, ≥400 Гбит/с и до 40 ТГц. ФИГ. 1C графически иллюстрирует фазовый сдвиг, полученный между входным электромагнитным излучением 10a и электромагнитным излучением 10b, выводимым из оптического переключателя 10, и точно соответствует расчетам, показанным пунктирной линией 10c.[0054] The
[0055] ФИГ. 2 схематически иллюстрирует оптический переключатель 7 согласно некоторым возможным вариантам реализации. Оптический переключатель 7 содержит: волноводную подложку 7t, выполненную с возможностью пропускания по ней электромагнитного излучения (ЭМИ) 9d, генерируемого источником 9 ЭМИ (например, генератором лазерного излучения), слой 7u наночастиц метаматериала, оптически связанный по меньшей мере с некоторой частью пропускающей подложки 7t, и слой 7v наносетки, нанесенный по меньшей мере поверх некоторой части слоя 7u метаматериала. Волноводная подложка 7t может быть выполнена с возможностью пропускания ЭМИ 9d по ее длине посредством полного внутреннего отражения, например, с использованием подходящего оптически пропускающего материала и/или оболочки (не показана).[0055] FIG. 2 schematically illustrates an
[0056] Модулирующие (световой электромагнитный, радиочастотный, микроволновый, терагерцовый или электрический) сигналы 8r, генерируемые источником 8 сигнала и подаваемые на слой 7v наносетки, используются для переключения слоя 7u метаматериала между его оптически непрозрачной и прозрачной фазами и, соответственно, влияют на свойства внутреннего отражения волноводной подложки 7t между оптически отражающим и неотражающим (или частично отражающим) состояниями, тем самым модулируя входное ЭМИ 9d согласно подаваемым модулирующим сигналам 8r.[0056] Modulating (light electromagnetic, radio frequency, microwave, terahertz or electric) signals 8r generated by the
[0057] В некоторых вариантах осуществления источники электромагнитного излучения и/или модулирующие источники 8 сигналов используют методы и/или реализации, описанные и проиллюстрированные в международной публикации № WO 2007/132459 и/или в заявке на патент США № 9,964,442 того же заявителя, ссылка на который дана в настоящем документе. Модулированное ЭМИ, создаваемое устройствами, описанными в данном документе, может быть обнаружено известными детекторами, такими как (но не ограничиваясь ими) пассивные или активные детекторы.[0057] In some embodiments, electromagnetic radiation sources and/or modulating
[0058] В некоторых вариантах реализации для модуляции электромагнитного излучения используются метаматериалы, выполненные с возможностью обеспечения управляемого отрицательного преломления. Например, в возможных вариантах реализации метаматериал оптически связан с некоторой частью пропускающего сердечника оптического волокна или оптического резонатора, посредством чего фаза проходящего через него света сдвигается путем подачи модулирующих сигналов (8r) к золотой наносетке, нанесенной по меньшей мере поверх некоторой части метаматериала. Требования к таким оптическим переключателям/модуляторам включают высокую эффективность модуляции, малую мощность модулирующего сигнала (8r), например, напряжение, низкие вносимые потери, высокую скорость включения/выключения, большую модуляцию с «упругой» длиной волны, незначительный или контролируемый частотный чирп и длительный срок службы.[0058] In some embodiments, metamaterials configured to provide controlled negative refraction are used to modulate electromagnetic radiation. For example, in possible implementations, the metamaterial is optically coupled to some portion of the transmissive optical fiber core or optical resonator, whereby the phase of the light passing through it is shifted by applying modulating signals (8r) to a gold nanogrid deposited over at least some of the metamaterial. The requirements for such optical switches/modulators include high modulation efficiency, low modulating power (8r) e.g. life time.
[0059] ФИГ. 3 схематически иллюстрирует устройство оптической модуляции 17 в соответствии с некоторыми возможными вариантами реализации. Устройство модуляции 17 содержит входную волновую линию 22a, выполненную с возможностью ввода входного ЭМИ 9d (Вход A) в модулятор 17, оптический разветвитель 22p, выполненный с возможностью разделения входного ЭМИ 9d на первую и вторую волновые линии, 22f и 22s соответственно, оптический модулятор 30, оптически связанный со второй волновой линией 22s, и оптический сумматор 22c, выполненный с возможностью объединения ЭМИ, проходящего вдоль первой и второй волновых линий 22f и 22s, в выходную волновую линию 22b (Выход C). Оптический модулятор 30 выполнен с возможностью контролируемого изменения ЭМИ, проходящего через вторую волновую линию 22s, в ответ на модулирующие сигналы (Вход B), принятые от источника 8 сигнала, и ответного введения в него фазовых сдвигов. Таким образом, ЭМИ из первой и второй волновых линий объединяются либо конструктивно, либо деструктивно с помощью оптического сумматора 22с, реагирующего на модулирующие сигналы от источника 8 сигнала, тем самым оптически модулируя входное ЭМИ 9d. Оптический модулятор 30 может быть реализован с использованием любого из оптических переключателей и/или модуляторов, описанных выше и ниже.[0059] FIG. 3 schematically illustrates an
[0060] ФИГ. 4А схематически иллюстрирует оптический модулятор 20, использующий кольцевой WGM-резонатор 28. Кольцевой резонатор 28 оптически связан с входной волновой линией 22а, выполненной с возможностью ввода в резонатор 28 входного ЭМИ, и с выходной волновой линией 22b, выполненной с возможностью приема от резонатора 28 выходного ЭМИ, модулированного резонатором 28. Кольцевой резонатор 28 содержит структуру 23 метаматериала, оптически связанную по меньшей мере с некоторым участком его оптически пропускающего сердечника. Структура 23 метаматериала может быть соединена с заданными угловыми/дуговыми участками, заданными вокруг центральной оси/оси 28c симметрии резонатора (заданными углом α) и/или вокруг его круговой оси 28r (заданными углом β). Структура 23 метаматериала может быть оптически связана со всей поперечной окружностью кольцевого резонатора 28 (α = 360°). Структура метаматериала может быть оптически соединена со всей окружностью в сечении кольцевого резонатора 28 (β = 360°).[0060] FIG. 4A schematically illustrates an
[0061] Структура 23 метаматериала содержит слой 23v наночастиц метаматериала (например, VO2), нанесенный по меньшей мере на некоторую часть стенки сердечника кольцевого резонатора 28 (или на всю) стенку, и наносетку 23u золота, нанесенную по меньшей мере поверх некоторой части слоя 23v наночастиц метаматериала. Наносетка 23u выполнена с возможностью приема модулирующих (электромагнитных и/или электрических) сигналов от источника 8 сигналов и для ответного изменения слоя 23v наночастиц метаматериала между его оптически пропускающим и оптически непропускающим состояниями для модуляции ЭМИ, введенного в нее входной волновой линией 22а.[0061] The
[0062] На ФИГ. 4В схематично показано устройство оптического модулятора 40, использующее множество оптически связанных WGM-резонаторов 41, 42, 43 и 44, выполненное с возможностью преодоления разрыва длин волн между двумя входными носителями ЭМИ данных, F1 и F2, разных частот (например, свет и/или терагерцовые сигналы). Модулятор 40 содержит соответствующие входные волновые линии 45 и 46, выполненные с возможностью введения носителей ЭМИ, F1 и F2 соответственно, в основной и/или модулирующий WGM-резонатор 41, например, посредством близости, то есть оптической связи без физического контакта с WGM-резонатором 41. WGM-резонатор 41 выполнен в некоторых вариантах реализации из диэлектрического материала, внутренняя стенка которого покрыта структурой 23 метаматериала, то есть содержит слой наночастиц метаматериала (например, VO2), покрытый электропроводящей наносеткой (например, изготовленной из золота).[0062] FIG. 4B schematically shows an
[0063] Основной WGM-резонатор 41 выполнен с возможностью захвата модулированных носителей F1 и F2 ЭМИ, распространяющихся вдоль входных линий 45 и 46, и связывает их частоты друг с другом, когда они резонируют вдоль внутренней стенки WGM-резонатора 41, покрытой структурой 23 метаматериала, и выводит излучение ЭМИ через выходную линию 47, оптически связанную с основным WGM-резонатором 41. Выходное ЭМИ, распространяющееся вдоль линии 47 выходной волны, таким образом, объединяет модулированные носители ЭМИ, чтобы обеспечить выходное ЭМИ F1+F2. Это достигается в некоторых вариантах реализации решетками, выполненными с возможностью способствования нелинейным процессам, которые дают эффект слияния ЭМИ посредством случайного поверхностного заряда и возможных равновесных локальных состояний на поверхности. Таким образом, упрощается устранение перекрестных помех и/или объединение между ЭМИ существенно разных длин волн (например, радио- и терагерц). Решетки (например, металлические решетки - не показаны) могут быть помещены на структуру метаматериала, как показано на ФИГ. 1B.[0063] The
[0064] Вспомогательные WGM-резонаторы 42, 43 и 44 могут быть изготовлены из диэлектрического материала, внутренняя стенка которого покрыта структурой 23 метаматериала. Вспомогательные WGM-резонаторы 42, 43 и 44 оптически связаны с основным WGM-резонатором (посредством близости), но их геометрические размеры выполнены так, чтобы формировать объединенное ЭМИ, захваченное внутри основного/ модулирующего WGM-резонаторов 41 заранее определенным образом, чтобы ввести диаграммы направленности излучения, которые будут использоваться для демодуляции объединенного сигнала в приемнике (не показан), который принимает выходное ЭМИ, распространяющееся вдоль линии 47 выходной волны, например, путем добавления (нет информации) шаблонов к спектральным изменениям носителя и модулированной информации, это служит для предотвращения появления ошибок связи.[0064]
[0065] Таким образом, несколько носителей ЭМИ, имеющих разные частоты (например, радио-, микроволновые и/или терагерцовые), могут быть оптически объединены на одном носителе ЭМИ и переданы в приемник. Хотя WGM-резонаторы 41, 42, 43 и 44, показанные в этом неограничивающем примере, являются эллипсоидами, другие конфигурации и формы могут использоваться аналогичным образом. Размеры основного эллипсоидного WGM-резонатора 41 обычно могут составлять примерно 10-150 микрон, а размеры вспомогательного эллипсоидного WGM-резонатора 42, 43 и 44, как правило, могут быть меньше, чем у основного / модуляционного эллипсоида 41 для предотвращения модуляции.[0065] Thus, multiple EMP carriers having different frequencies (eg, radio, microwave, and/or terahertz) can be optically combined on a single EMP carrier and transmitted to a receiver. Although the
[0066] На ФИГ. 5А схематично показана оптическая система 33 передачи данных, использующая оптический модулятор 17', выполненный с возможностью приема двух модулирующих сигналов и объединения их на носитель ЭМИ, в этом конкретном и не ограничивающем примере на терагерцовый носитель, ТГц1, ТГц2,... Оптический модулятор 17' может быть реализован с помощью устройства оптического модулятора (17), показанного на ФИГ. 3А, или с помощью реализации модуляторов на основе WGM-резонатора на ФИГ. 4A и/или 4B, модифицированных для оптической модуляции множества волн ЭМИ, имеющих разные длины волн, ТГц1, ТГц2, ….[0066] FIG. 5A schematically shows an optical
[0067] Модифицированный оптический модулятор 17' в этом примере содержит модуль 30 оптической модуляции в каждой из волновых линий 22f и 22s для оптической модуляции ввода ЭМИ в каждый оптический модулятор 17' двумя соответствующими модулирующими сигналами, чтобы выполнить разветвленную модуляцию так, что каждая ветвь реализует отдельный канал данных своим соответствующим модулем 30 оптической модуляции. Система 33 содержит первый набор 39 оптических модуляторов 17', каждый из которых выполнен с возможностью приема и модуляции посредством сдвига фазы соответствующего носителя ЭМИ, ТГц1, ТГц2,…, с двумя модулирующими сигналами от ретранслятора 26. Ретранслятор 26 выполнен с возможностью генерации двух модулирующих сигналов для каждого оптического модулятора 17' в первом наборе 39 оптического модулятора.[0067] The modified
[0068] Второй набор 38 оптических модуляторов выполнен для модуляции ЭМИ от источника света (например, лазерного источника), проходящего через волновую линию 36х. Каждый оптический модулятор 17' во втором наборе 38 выполнен с возможностью приема двух соответствующих модулированных оптических сигналов, генерируемых оптическим модулятором 17' первого набора 39 для модуляции ЭМИ в волновой линии 36x. Модулированное ЭМИ, генерируемое вторым набором 38 оптических модуляторов (также называемое комплексным сигналом), может излучаться блоком 36 передатчика антенны, выполненным с возможностью излучения комплексного сигнала по эфирному интерфейсу. Блок 37 настройки может быть использован для эффективной корреляции Шеннона, чтобы адаптировать модулированные сигналы к ширине полосы носителя ЭМИ.[0068] A second set of 38 optical modulators is configured to modulate EMP from a light source (eg, a laser source) passing through the 36x waveline. Each
[0069] ФИГ. 5B схематично иллюстрирует систему 35 оптической передачи данных, содержащую множество блоков 50 оптических модуляторов, выполненных с возможностью смешивания двух ТГц сигналов разных частот, каждый из указанных блоков выполнен с возможностью приема соответствующей конкретной полосы входного ЭМИ 51 (например, из светового/ лазерного источника), направленного сфокусированной призмой и разделенного смещенной призмой для создания нескольких каналов, и входного ЭМИ 52 (например, из светового/лазерного источника) из блока 39 сумматора для интегрирования сигнала и модулирования его на соответствующей терагерц-волне ТГц1, ТГц2,… Чиповые блоки 50 оптических модуляторов могут быть реализованы с помощью WGM-резонаторов 40, показанных на ФИГ. 4B, выполненных с возможностью соединения ЭМИ с двух носителей данных ЭМИ, и генерирования соответствующего выходного ЭМИ терагерцового диапазона, объединяющего эти два носителя данных, как объяснено выше.[0069] FIG. 5B schematically illustrates an optical
[0070] На ФИГ. 5С схематично показана еще одна оптическая система 34 передачи данных, в которой соответствующий оптический модулятор 17' оптически связан с каждым чиповым блоком 50 оптического модулятора системы 35, показанной на ФИГ. 5В. В этом неограничивающем примере оптический модулятор 17' используется для объединения радиочастотных сигналов во входное ЭМИ 51, которое затем объединяется соответствующим чиповым блоком 50 оптического модулятора с входным носителем ЭМИ 52 из сумматора 39 для генерации соответствующего ТГц канала.[0070] FIG. 5C schematically shows another
[0071] Как показано выше и ниже, устройства оптической модуляции/ переключения настоящей заявки обеспечивают технологии модуляции, которые могут работать в соответствии с физической природой их сигнала, и варианты реализации оптических модуляторов/ переключателей могут использоваться для устранения перекрестных помех и упрощения объединения широко разделенных длин волн, т.е. в радиочастотных и терагерцовых диапазонах.[0071] As shown above and below, the optical modulation/switching devices of the present application provide modulation technologies that can operate according to the physical nature of their signal, and embodiments of optical modulators/switches can be used to eliminate crosstalk and facilitate combining widely separated lengths. waves, i.e. in radio frequency and terahertz ranges.
[0072] Оптические радио- и/или ТГц-частоты являются только одной категорией, включающей в себя широкий спектр новых устройств. В некоторых вариантах реализации оптические и ТГц резонаторы с модами шепчущей галереи (WGM) используются для модуляции входного ЭМИ. Понимание того, как эти устройства изготавливаются и используются, важно для оценки их производительности и ограничений. Поэтому в этой части описания будет представлен этот класс резонаторных датчиков (передатчик и приемник) и описано, как эти устройства можно использовать для передачи данных в терагерцах в целом и для центров обработки данных, в частности, в качестве удобного решения для быстрой связи.[0072] Optical radio and/or THz frequencies are only one category, including a wide range of new devices. In some implementations, whispering gallery mode (WGM) optical and THz cavities are used to modulate the input EMP. Understanding how these devices are made and used is important in assessing their performance and limitations. Therefore, this part of the description will introduce this class of cavity sensors (transmitter and receiver) and describe how these devices can be used for terahertz data transmission in general and for data centers in particular, as a convenient solution for fast communication.
[0073] Оптические WGM-резонаторы демонстрируют перестраиваемость и узкую ширину резонансных линий и достигают необычайных интенсивностей оптических свойств, которые первоначально привели к их использованию в некоторых вариантах реализации для телекоммуникаций в качестве устройства модулятора. С тех пор они превратились в ценные инструменты для исследования нелинейных оптических явлений и квантовых электродинамических принципов. В некоторых возможных вариантах воплощения оптические WGM-резонаторы используются для реализации модуляторов оптической связи, как будет описано ниже. Эти варианты воплощения можно использовать (но не ограничиваясь ими) для биохимических анализов, биомедицинских анализов, химических и молекулярных биологических анализов, поскольку их чрезвычайная чувствительность в этих областях может использоваться для разработки аналитических и диагностических приборов.[0073] Optical WGM resonators exhibit tunability and narrow resonant linewidth and achieve extraordinary optical property intensities that initially led to their use in some telecommunications implementations as a modulator device. Since then, they have become valuable tools for the study of nonlinear optical phenomena and quantum electrodynamic principles. In some possible embodiments, optical WGM resonators are used to implement optical communication modulators, as will be described below. These embodiments can be used (but not limited to) for biochemical assays, biomedical assays, chemical and molecular biological assays, as their extreme sensitivity in these areas can be used to develop analytical and diagnostic instruments.
[0074] WGM-резонаторы получают свое название от пути, по которому идет резонансный свет, когда циркулирует в полости. Этот путь похож на тот, который звуковые волны проходили вдоль изогнутой стены круглой комнаты, изучаемой лордом Рэлеем. В этих шепчущих галереях два человека, стоящие лицом к стене в противоположных сторонах комнаты, могут слышать друг друга, даже говоря шепотом. Эти люди не могли бы слышать друг друга, если бы отступили назад к центру комнаты. Этот эффект вызван гладкими, изогнутыми стенами, направляющими звуковые волны по периметру комнаты с большой эффективностью. Звуковые волны, идущие к слушателю любым другим путем, рассеиваются или разлетаются по пути.[0074] WGM resonators get their name from the path that resonant light takes as it circulates in the cavity. This path is similar to that which the sound waves traveled along the curved wall of the circular room Lord Rayleigh studied. In these whispering galleries, two people facing the wall on opposite sides of the room can hear each other, even speaking in whispers. These people would not be able to hear each other if they stepped back towards the center of the room. This effect is caused by smooth, curved walls that guide sound waves around the perimeter of the room with great efficiency. Sound waves traveling to the listener in any other way are scattered or scattered along the way.
[0075] Оптические WGM-резонаторы представляют собой диэлектрические структуры, способные улавливать свет на пути по периметру, аналогичные тем, которые улавливают звуковые волны, проходящие от одного человека к другому в шепчущей галерее. Хотя Ми и Дебай описали резонансные собственные частоты диэлектрических сфер до работы лорда Рэлея, название было применено к этому типу оптического резонатора значительно позднее.[0075] Optical WGM resonators are dielectric structures capable of capturing light along a perimeter path, similar to those that capture sound waves passing from one person to another in a whispering gallery. Although Mee and Debye described the resonant natural frequencies of dielectric spheres before Lord Rayleigh's work, the name was applied to this type of optical resonator much later.
[0076] Варианты реализации оптических переключателей и/или модуляторов, описанные в данном документе, могут использоваться в центрах обработки данных для обеспечения масштабируемости и адаптивности сетей, необходимых для современной сети передачи данных, например, приложений и хранилищ данных, управляемых в облаке. Широко используемой метрикой для определения энергоэффективности центра обработки данных является эффективность использования энергии, или ЭИЭ. Это простое соотношение представляет собой общую энергию, поступающую в центр обработки данных, деленную на энергию, используемую ИТ-оборудованием.[0076] The embodiments of the optical switches and/or modulators described herein can be used in data centers to provide the network scalability and adaptability needed for today's data network, such as cloud-managed applications and storage. A widely used metric to measure the energy efficiency of a data center is energy efficiency, or EE. This simple ratio is the total energy entering the data center divided by the energy used by the IT equipment.
[0077] Общая энергия состоит из энергии, используемой ИТ-оборудованием, и любой служебной энергии, потребляемой всем, что не считается вычислительным устройством или устройством передачи данных (например, охлаждение, освещение и т. д.). Идеальное значение ЭИЭ составляет 1,0 для гипотетической ситуации нулевой служебной энергии. Средний центр обработки данных в США имеет ЭИЭ 2,0, что означает, что оборудование использует два ватта общей энергии (накладные расходы + ИТ-оборудование) на каждый ватт, доставляемый ИТ-оборудованию. Уровень энергоэффективности современного центра обработки данных оценивается примерно в 1,2. Некоторые крупные операторы центров обработки данных, такие как Microsoft и Yahoo! опубликовали прогнозы ЭИЭ для оборудования в разработке; Google ежеквартально публикует фактические показатели эффективности от действующих центров обработки данных.[0077] Total energy consists of energy used by IT equipment and any overhead energy consumed by anything that is not considered a computing or data communication device (eg, cooling, lighting, etc.). The ideal EIE value is 1.0 for a hypothetical zero service energy situation. The average US data center has an EIE of 2.0, which means the equipment uses two watts of total energy (overhead + IT equipment) for every watt delivered to the IT equipment. The energy efficiency level of a modern data center is estimated to be around 1.2. Some major data center operators such as Microsoft and Yahoo! published EE forecasts for equipment under development; Google publishes quarterly actual performance metrics from operating data centers.
[0078] Энергоэффективность является ключевым признаком для некоторых описанных здесь вариантов реализации. Агентство по охране окружающей среды США имеет рейтинг Energy Star для автономных или крупных центров обработки данных. Чтобы претендовать на получение экологической маркировки, центр обработки данных должен находиться в верхнем квартиле энергоэффективности всех сообщаемых объектов. Европейский союз также имеет аналогичную инициативу, известную как Кодекс поведения центров обработки данных ЕС.[0078] Energy efficiency is a key feature for some of the embodiments described here. The US Environmental Protection Agency has an Energy Star rating for stand-alone or large data centers. To qualify for an eco-label, a data center must be in the top quartile of the energy efficiency of all reported facilities. The European Union also has a similar initiative known as the EU Data Center Code of Conduct.
[0079] Зачастую первым шагом к ограничению использования энергии в центре обработки данных является понимание того, как энергия используется в центре обработки данных. Существует несколько типов анализа для измерения использования энергии центра обработки данных. Измеряемые аспекты включают не только энергию, используемую самим ИТ-оборудованием, но и оборудованием центра обработки данных, таким как чиллеры и вентиляторы.[0079] Often, the first step to limiting power usage in a data center is understanding how power is being used in the data center. There are several types of analysis to measure data center energy usage. Aspects measured include not only the energy used by the IT equipment itself, but also by data center equipment such as chillers and fans.
[0080] Энергия является самой большой периодической издержкой для пользователя центра обработки данных. Анализ энергии и охлаждения, также называемый термической оценкой, измеряет относительные температуры в определенных областях, а также способность систем охлаждения выдерживать определенные температуры окружающей среды. Анализ энергии и охлаждения может помочь определить горячие точки, области с чрезмерным охлаждением, которые могут справляться с большей плотностью использования энергии, точкой останова загрузки оборудования, эффективностью стратегии фальшпола и оптимальным расположением оборудования (например, блоков переменного тока) для сбалансирования температуры по всему центру обработки данных. Плотность мощности охлаждения - это мера площади, которую центр может охладить при максимальной загрузке.[0080] Energy is the largest recurring cost to a data center user. Energy and cooling analysis, also called thermal assessment, measures the relative temperatures in certain areas, as well as the ability of cooling systems to withstand certain ambient temperatures. Energy and cooling analysis can help identify hotspots, areas with excessive cooling that can handle higher energy density, equipment load breakpoint, raised floor strategy effectiveness, and optimal equipment placement (such as AC units) to balance temperatures throughout the processing center data. Cooling power density is a measure of the area that a center can cool at maximum load.
[0081] Анализ энергоэффективности измеряет энергопотребление ИТ-центра и оборудования центра обработки данных. Типичный анализ энергоэффективности измеряет такие факторы, как эффективность энергопотребления (ЭИЭ) центра обработки данных в соответствии с отраслевыми стандартами, выявляет механические и электрические источники неэффективности и определяет показатели управления воздухом.[0081] An energy efficiency analysis measures the energy consumption of an IT center and data center equipment. A typical energy efficiency analysis measures factors such as data center energy efficiency (EEI) against industry standards, identifies mechanical and electrical sources of inefficiency, and determines air management metrics.
[0082] Для того чтобы исследовать возможности оптических переключателей и/или модуляторов, описанных в данном документе, для передачи данных с ТГц скоростями, могут быть разработаны системы передачи данных, описанные в данном документе, с использованием многопереходной связи, в которой узлы в сети могут связываться с помощью двух или более других узлов, действующих как транзитные узлы между узлом источника и узлом назначения терагерцовой связи как с пассивными, так и с активными переключателями. Существует несколько преимуществ использования промежуточных переключателей между передатчиком и приемником на частотах ТГц-диапазона. Как и в любой системе беспроводной связи, мощность передачи и, следовательно, потребление энергии могут быть уменьшены благодаря наличию нескольких промежуточных переходов между передатчиком и приемником. Кроме того, благодаря уникальному зависящему от расстояния поведению доступной полосы пропускания, уменьшение расстояния передачи приводит к доступности гораздо более широких полос и, таким образом, к передаче с гораздо более высокими скоростями. Это также может способствовать значительной экономии энергии.[0082] In order to explore the capability of the optical switches and/or modulators described herein to transmit data at THz rates, the data communication systems described herein can be designed using multi-hop communication in which nodes in a network can communicate using two or more other nodes acting as transit nodes between the source node and the destination node of the terahertz communication with both passive and active switches. There are several advantages to using intermediate switches between transmitter and receiver at THz frequencies. As with any wireless communication system, the transmit power, and hence the power consumption, can be reduced by having multiple intermediate hops between transmitter and receiver. In addition, due to the unique distance dependent behavior of the available bandwidth, reducing the transmission distance results in the availability of much wider bandwidths and thus much higher transmission rates. It can also contribute to significant energy savings.
[0083] Как указано выше, варианты реализации, описанные в данном документе, могут использоваться для разработки новых типов быстрых оптических проводников, выполненных с возможностью работы на основе зарядовой связи в отличие от обычной проводимости.[0083] As noted above, the embodiments described herein can be used to develop new types of fast optical conductors capable of charge-coupling as opposed to conventional conduction.
[0084] Развивающиеся переносимые наносенсорные сети обеспечивают множество ценных приложений в биомедицинской и экологической областях. В то же время, текущее состояние коммуникационных технологий значительно ограничивает возможности обработки перспективных наномашин. Следовательно, подразумевается, что весь анализ собранных данных должен выполняться на макроустройстве. Поэтому для эффективного внедрения долгожданных приложений наносетей требуется их плавная интеграция в существующие сетевые инфраструктуры, что приводит к концепции Интернета нано вещей. В вариантах реализации данной заявки функциональная совместимость между уже развернутыми макросетями и появляющимися наносетями предварительно выяснена.[0084] Emerging wearable nanosensor networks provide many valuable applications in the biomedical and environmental fields. At the same time, the current state of communication technologies significantly limits the processing capabilities of promising nanomachines. Therefore, it is understood that all analysis of the collected data must be performed on the macro device. Therefore, the effective implementation of long-awaited applications of nanonetworks requires their seamless integration into existing network infrastructures, which leads to the concept of the Internet of nanothings. In embodiments of this application, interoperability between already deployed macronetworks and emerging nanonetworks has been previously clarified.
[0085] Тем не менее, решение этой проблемы является нетривиальным, поскольку существующие макро беспроводные сети используют в основном электромагнитную связь на основе носителя, в то время как наномашины должны полагаться на электромагнитное излучение на основе импульсов сверхмалых мощностей или на собственные мобильные объекты в качестве носителей информации. Таким образом, прямое взаимодействие между макро и наносетями в настоящее время неосуществимо, что требует использования специальных узлов межсетевого интерфейса. Более того, современные решения для нано-коммуникаций должны быть быстро улучшены, чтобы обеспечить возможность построения крупномасштабных сетей на основе существующих технологий уровня связи. Для достижения этой цели необходимо решить множество теоретических вопросов, начиная от разработки правильной методики модуляции и кодирования и заканчивая уменьшением шумов и помех. Варианты реализации, описанные в данном документе, предоставляют ключ также для этой области.[0085] However, the solution to this problem is non-trivial, since existing macro wireless networks mainly use carrier-based electromagnetic communication, while nanomachines must rely on ultra-low-power pulse-based electromagnetic radiation or their own mobile objects as carriers. information. Thus, direct interaction between macro and nanonetworks is currently not feasible, which requires the use of special gateway nodes. Moreover, current nano-communications solutions need to be rapidly improved to enable large-scale networks to be built on existing communication layer technologies. To achieve this goal, it is necessary to solve many theoretical issues, ranging from the development of the correct modulation and coding technique to the reduction of noise and interference. The implementations described in this document provide the key to this area as well.
[0086] Следует отметить, что объединение переключателей/ модуляторов на основе метаматериала (например, использующих частицы VO2 для перехода между непрозрачным и прозрачным состояниями метаматериала с пикосекундным временным диапазоном) с WGM-резонаторами (например, кольцевым резонатором PANDA) может обеспечить быстрые реализации оптической передачи данных и адаптировать антенны для спектра применений в области биологии, химии, материаловедения, нано сетей и т. д.[0086] It should be noted that combining metamaterial-based switches/modulators (e.g. using VO2 particles to transition between opaque and transparent metamaterial states with a picosecond time range) with WGM resonators (e.g. PANDA ring resonator) can provide fast optical transmission implementations. data and adapt antennas for a range of applications in biology, chemistry, materials science, nanonetworks, etc.
[0087] Как описано выше и показано на соответствующих чертежах, в настоящей заявке представлены оптические переключатели и модуляторы для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне и способы их изготовления. Несмотря на то, что были описаны конкретные варианты реализации изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено этим, так как специалистами в данной области могут быть сделаны модификации, особенно в свете вышеизложенного. Как оценит специалист в данной области, изобретение может быть реализовано множеством способов с использованием более чем одной методики из описанных выше, причем не выходя за рамки формулы изобретения.[0087] As described above and shown in the respective drawings, this application presents optical switches and modulators for data rates in the terahertz range and methods for their manufacture. While specific embodiments of the invention have been described, it should be understood that the invention is not limited thereto, as modifications may be made by those skilled in the art, especially in light of the foregoing. As one skilled in the art will appreciate, the invention may be practiced in a variety of ways using more than one of the techniques described above without departing from the scope of the claims.
Claims (21)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762535980P | 2017-07-24 | 2017-07-24 | |
| US62/535,980 | 2017-07-24 | ||
| PCT/IL2018/050822 WO2019021282A1 (en) | 2017-07-24 | 2018-07-24 | High frequency optical switch and fabrication methods thereof |
Publications (4)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020106422A RU2020106422A (en) | 2021-08-26 |
| RU2020106422A3 RU2020106422A3 (en) | 2022-02-17 |
| RU2782978C2 RU2782978C2 (en) | 2022-11-08 |
| RU2782978C9 true RU2782978C9 (en) | 2023-03-14 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04371913A (en) * | 1991-06-20 | 1992-12-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical modulator and optical switch |
| US6310725B1 (en) * | 1998-09-17 | 2001-10-30 | U.S. Philips Corporation | Optical switching device |
| WO2002016986A1 (en) * | 2000-08-18 | 2002-02-28 | Cquint Communications Corporation | Fiber-optic waveguides for transverse optical coupling |
| CN106646930A (en) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 电子科技大学 | Multi-stage terahertz modulator based on flexible graphene field effect transistor structure |
| CN105093777B (en) * | 2015-07-23 | 2017-11-07 | 北京大学 | A kind of Meta Materials microcavity composite construction and its production and use |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04371913A (en) * | 1991-06-20 | 1992-12-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical modulator and optical switch |
| US6310725B1 (en) * | 1998-09-17 | 2001-10-30 | U.S. Philips Corporation | Optical switching device |
| WO2002016986A1 (en) * | 2000-08-18 | 2002-02-28 | Cquint Communications Corporation | Fiber-optic waveguides for transverse optical coupling |
| CN105093777B (en) * | 2015-07-23 | 2017-11-07 | 北京大学 | A kind of Meta Materials microcavity composite construction and its production and use |
| CN106646930A (en) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 电子科技大学 | Multi-stage terahertz modulator based on flexible graphene field effect transistor structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11747705B2 (en) | High frequency optical switch and fabrication methods thereof | |
| Amiri et al. | IEEE 802.15. 3c WPAN standard using millimeter optical soliton pulse generated by a panda ring resonator | |
| CN101222118B (en) | Integrated opto-electronic device for generating high-frequency microwave by light heterodyne method | |
| Zhang et al. | A full-duplex WDM-RoF system based on tunable optical frequency comb generator | |
| Soltanian et al. | All optical ultra-wideband signal generation and transmission using mode-locked laser incorporated with add-drop microring resonator | |
| RU2782978C9 (en) | High-frequency optical switch and its manufacturing methods | |
| RU2782978C2 (en) | High-frequency optical switch and its manufacturing methods | |
| Jäger | 1 Microwave Photonics | |
| CN101144916A (en) | Method and device for producing light millimeter wave adopting single-stage modulator | |
| Inoue et al. | Millimeter-wave wireless signal generation and detection using photonic technique for mobile communication systems | |
| Inoue et al. | Wireless data transfer in 60 GHz-band using array-antenna-electrode electro-optic modulator | |
| CN114389704A (en) | Microwave photonic filter based on MZI-MRR structure | |
| Ghadban et al. | A 60 GHz RoF generation system based on optical beat of narrowband Bragg filters | |
| Minasian | Advances in microwave photonic signal processing for 5G and IoT Keynote Paper | |
| Shinada et al. | A resonant type LiNbO 3 optical modulator array with micro-strip antennas | |
| Chen et al. | High speed silicon modulators | |
| Keti et al. | Design of a RoF fronthaul link based on optical generation of mm-waves for 5G C-RANs | |
| CN113422649B (en) | Microwave photon frequency doubling and shifting device and method | |
| Bonjour et al. | Plasmonic phased array feeder enabling symbol-by-symbol mm-wave beam steering at 60 GHz | |
| Wijayanto et al. | Metamaterial antenna integrated to LiNbO3 optical modulator for millimeter-wave-photonic links | |
| Luo et al. | All-optical millimeter-wave ultrawideband signal generation using a nonlinear optical loop mirror | |
| CN101951295A (en) | Millimeter wave (MMW) generator on basis of generating photocarrier SSB by phase shift method | |
| Sun et al. | The ubiquitous power internet of things based on dynamic and reconfigurable ROF technology | |
| Cai et al. | A compact and low‐loss sub‐millimeter‐wave ultra‐wideband bandpass filter | |
| Yu et al. | All-optical up-conversion 10-Gb/s signal in 60-GHz ROF system using 2-m Bismuth Oxide-based fiber |