Высокочастотный оптический переключатель и способы его изготовления

Изобретение относится к области оптических переключателей. Оптический модулятор содержит оптически пропускающую подложку, выполненную с возможностью распространения через нее электромагнитного излучения, и структуру метаматериала, оптически связанную с указанной подложкой. Структура метаматериала содержит по меньшей мере один слой частиц метаматериала, оптически связанный по меньшей мере с некоторой частью указанной 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 одного слоя метаматериала. По меньшей мере один слой наносетки выполнен с возможностью разряда электронов в указанный по меньшей мере один слой метаматериала; который выполнен с возможностью перехода из оптически непрозрачного состояния в оптически прозрачное при приеме разряженных электронов с изменением по меньшей мере частично электромагнитного излучения, проходящего через подложку. Изобретение обеспечивает оптическую модуляцию длинных волн в терагерцовом диапазоне. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Настоящее изобретение в целом относится к области оптических переключателей, пригодных для использования для высокочастотной модуляции световых волн.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[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.

[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.

[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.

[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:

• 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.

• 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.

• 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.

• Терагерцовое ограничение связано с отсутствием мощных источников терагерцовых частот с хорошим разрешением.

[006] Некоторые решения, предложенные в патентной литературе, кратко описаны ниже.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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)]).

[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.

[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.

[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.

[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.

[0022] В некоторых вариантах реализации подложка имеет толщину примерно от 0,1 до 1 нанометра.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[0030] В некоторых вариантах реализации модулятор содержит металлические решетки, образованные на структуре метаматериала.

[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.

[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.

[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.

[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.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[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:

[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;

[0037] ФИГ. 2 схематично иллюстрирует оптический переключатель в соответствии с некоторыми возможными вариантами реализации;

[0038] ФИГ. 3 схематично иллюстрирует возможную реализацию оптического модулятора согласно некоторым возможным вариантам воплощения;

[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;

[0040] На ФИГ. 5А-5С приведены примеры систем передачи данных, использующих оптические волновые модуляторы на основе WGM-резонаторов для объединения носителей данных разных частот.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[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.

[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°).

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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.

[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°).

[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.

[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).

[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.

[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.

[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.

[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, ….

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

1. Оптический модулятор, пригодный для использования для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне, причем оптический модулятор содержит: входную волновую линию, выполненную с возможностью ввода входного электромагнитного излучения в указанный оптический модулятор, оптический разветвитель, выполненный с возможностью приема входного электромагнитного излучения от указанной входной волновой линии, первую и вторую волновые линии, оптически связанные с указанным оптическим разветвителем для приема частей электромагнитного излучения от входной волновой линии, разделенной таким образом, по меньшей мере одно оптическое переключающее устройство, оптически соединенное с соответствующей сердцевиной по меньшей мере одной из первой и второй волновых линий, и оптический сумматор, оптически связанный с указанными первой и второй волновыми линиями, для объединения электромагнитного излучения, принимаемого ими от оптического разветвителя, и по меньшей мере частично измененного указанным по меньшей мере одним оптическим переключающим устройством; при этом по меньшей мере одно оптическое переключающее устройство пригодно для использования для скоростей передачи данных в терагерцовом диапазоне, причем оптическое переключающее устройство содержит оптически пропускающую подложку, выполненную с возможностью распространения через нее электромагнитного излучения, и структуру метаматериала, оптически соединенную с указанной подложкой, причем указанная структура метаматериала содержит по меньшей мере один слой частиц метаматериала, оптически связанный по меньшей мере с некоторой частью указанной оптически пропускающей подложки, и по меньшей мере один слой наносетки, выполненный по меньшей мере из одного электропроводящего материала, размещенного по меньшей мере поверх некоторой части указанного по меньшей мере одного слоя метаматериала, причем указанный по меньшей мере один слой наносетки выполнен с возможностью разряда электронов в указанный по меньшей мере 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 при приеме разряженных электронов с изменением по меньшей мере частично электромагнитного излучения, проходящего через подложку, и при этом оптически пропускающая подложка имеет по меньшей мере одну из следующих конфигураций: оптически пропускающая подложка представляет собой по меньшей мере некоторую часть оптического волокна; и оптически пропускающая подложка представляет собой по меньшей мере некоторую часть оптического резонатора с модами шепчущих галерей (WGM).

2. Оптический модулятор по п. 1, содержащий выходную волновую линию, выполненную с возможностью приема электромагнитного излучения, объединенного оптическим сумматором.

3. Оптический модулятор по любому из пп. 1 и 2, содержащий первое и второе оптические переключающие устройства, соответственно соединенные с сердцевинами первой и второй волновых линий.

4. Модулятор по любому из пп. 1-3, в котором по меньшей мере один слой метаматериала содержит оксид ванадия.

5. Модулятор по любому из пп. 1-4, в котором по меньшей мере один слой метаматериала выполнен с возможностью проявления отрицательного преломления при приеме разряженных электронов.

6. Модулятор по любому из пп. 1-5, содержащий металлические решетки, образованные на структуре метаматериала.

7. Модулятор по любому из пп. 1-6, в котором толщина по меньшей мере одного слоя частиц метаматериала составляет примерно 0,1-1 нм.

8. Модулятор по любому из пп. 1-7, в котором размер частиц по меньшей мере одного слоя метаматериала составляет примерно от 1 до 100 нанометров.

9. Модулятор по любому из пп. 1-8, в котором указанный по меньшей мере один слой наносетки содержит золото.

10. Модулятор по любому из пп. 1-9, в котором толщина по меньшей мере одного слоя наносетки составляет примерно от 0,1 до 1 нанометра.

11. Модулятор по любому из пп. 1-10, в котором размер частиц по меньшей мере одного слоя наносетки составляет примерно от 20 до 100 нанометров.

12. Модулятор по любому из пп. 1-11, в котором размер пор по меньшей мере одного слоя наносетки составляет примерно от 0,1 до 1 нанометра.

13. Модулятор по любому из пп. 1-12, имеющий геометрический размер примерно от 100 до 500 нм.

14. Модулятор по любому из пп. 1-13, в котором электромагнитные или электрические сигналы, подаваемые на структуру метаматериала, находятся в радио-, микроволновом или терагерцовом частотном диапазоне.

15. Модулятор по п. 14, в котором электромагнитные или электрические сигналы, подаваемые на структуру метаматериала, находятся в диапазоне от 100 МГц до 40 ТГц.

16. Оптический сумматор для объединения двух или более носителей электромагнитных данных, причем указанный сумматор содержит: по меньшей мере один резонатор с модами шепчущих галерей (WGM), имеющий покрытие структурой метаматериала поверх внутренней стенки, по меньшей мере две входные волновые линии, оптически связанные с указанным по меньшей мере одним WGM-резонатором для введения в него соответственно 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 указанного по меньшей мере одного WGM-резонатора, и по меньшей мере частичного объединения указанных по меньшей мере двух носителей электромагнитных данных.

17. Оптический сумматор по п. 16, в котором структура метаматериала содержит оксид ванадия.

18. Оптический сумматор по любому из пп. 16 и 17, в котором структура метаматериала содержит золото.

19. Оптический сумматор по любому из пп. 16-18, содержащий по меньшей мере один вспомогательный WGM-резонатор, имеющий покрытие структурой метаматериала поверх внутренней стенки и оптически связанный с указанным по меньшей мере одним WGM-резонатором, причем указанный по меньшей мере один вспомогательный WGM-резонатор выполнен с возможностью формирования электромагнитного излучения, захваченного внутри указанного по меньшей мере одного WGM-резонатора, заданным образом.

20. Оптический сумматор по любому из пп. 16-19, содержащий решетки, образованные на структуре метаматериала по меньшей мере одного WGM-резонатора.

21. Оптический сумматор по любому из пп. 19 и 20, в котором по меньшей мере один из WGM-резонаторов представляет собой резонатор эллипсоидальной формы.