[002] A necessidade por dispositivos com dimensões cada vez menores, de modo a atender os requisitos de maior densidade de integração nos novos sistemas de comunicações ópticas, tem motivado o desenvolvimento de novas tecnologias, dentre as quais se destaca aquela baseada em estruturas conhecidas como "cristais fotônicos".

[003] Nestes cristais, ocorre a modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos diferentes materiais que os constituem. Como consequência, uma faixa de frequências proibida, conhecida como photonic band gap, tem origem no diagrama de bandas característico destas estruturas.

[004] A propagação de ondas eletromagnéticas com frequência situada nesta faixa é proibida porque, ao incidirem no cristal, são totalmente refletidas. O princípio de funcionamento da maior parte dos dispositivos baseados em cristais fotônicos está associado, de alguma maneira, à existência deste fenómeno.

[005] Entre os vários dispositivos que são utilizados em sistemas ópticos, destacam-se as chaves (em inglês, switches). Elas possuem dois estados de funcionamento, a saber: estado ligado (em inglês, orí), onde ocorre a transmissão de um sina! eletromagnético ao longo do dispositivo, com baixas perdas de inserção entre as portas de entrada e saída do dispositivo; estado desligado (em inglês, off), onde há o impedimento da propagação do sinal, com alta ísolação entre as portas de entrada e saída. A transição entre estes dois estados de operação é determinada pela modificação de algum parâmetro característico do cristal fotônico em que se baseia o swítch, decorrente do ajuste de alguma variável externa à estrutura.

[006] Com o avanço nas pesquisas referentes ao desenvolvimento de novos dispositivos baseados em cristais fotônicos, várias patentes tratando de chaves ópticas baseadas nestas estruturas já foram depositadas.

[007] Por exemplo, no dispositivo a que se refere a patente CN101571857, a variação da intensidade de um sina! de controle óptico é responsável pela mudança no índice de refração do material no qual é baseado o swítch. Este fenómeno, conhecido como efeito Kerr, está associado à transição entre os estados on e o/f do dispositivo. O swítch é construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede triangular de furos, preenchidos com ar e feitos no material com propriedades não lineares em questão. No cristal são inseridos, de modo bem definido, defeitos que dão origem aos guias de onda e à cavidade ressonante.

[008] Por outro lado, o swítch descrito na patente US2005249455 baseia~se em um guia de onda óptico, cujo núcleo é formado por um cristal fotônico bidimensional em que dois ou mais materiais, com diferentes índices de refração, são distribuídos de modo periódico no espaço. A injeção de um sinal luminoso ou de uma corrente elétrica entre eletrodos presentes na estrutura é responsável pela modificação do índice de refração dos materiais que compõem o cristal e, consequentemente, pelo estado em que o swítch opera (ligado ou desligado).

[009] Merece destaque também o swítch descrito pela patente JP2003215646. Neste caso, entre dois guias de onda ópticos, é inserido um elemento responsável pelo chaveamento (transição entre os estados on e off). Este elemento é baseado em um cristal fotônico bidimensional e um par de eletrodos. A transição entre os estados de operação do dispositivo é controlada pelo valor de uma tensão elétrica aplicada entre os dois eletrodos. Dependendo do valor da tensão aplicada, o dispositivo pode tanto permitir (estado on) como interromper (estado off) a passagem de um sinal eletromagnético do guia de onda de entrada para o de saída. [010] Já o switch a que faz referência a patente JP2008184618 é baseado em um cristal fotônico bidimensiona! em que o índice de refração dos materiais que o constituem varia de acordo com a temperatura. O controle da temperatura do dispositivo é responsável por definir o estado em que o switch se encontra (ligado ou desligado).

[01 1] Várias são as formas de controlar a transição entre os modos de operação em um switch baseado na tecnologia de cristais fotônicos. A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos feitos em um material magneto-óptico, cuja permissividade elétrica depende da intensidade de um campo magnético externo DC aplicado. Quando o material está não magnetizado (campo magnético externo igual a 0), o switch opera no estado off. Por outro lado, quando o mesmo está magnetizado (campo magnético externo igual a Ho), o dispositivo opera no estado on.

[012] Um dos grandes problemas que é inerente à tecnologia de fibras ópticas diz respeito ao ângulo de dobramento das mesmas. Funcionam segundo o princípio da reflexão interna total e, por conta disto, não podem ser dobradas de modo acentuado, o que dificulta a sua utilização, por exemplo, em circuitos ópticos que exigem muitas mudanças de direção na propagação dos sinais ópticos.

[013] A utilização de guias de onda baseados em cristais fotônicos supera essa dificuldade porque, com a escolha correta da topologia de curvas a eles incorporadas, podem promover a mudança de direção de propagação de um sinal eletromagnétíco. Isso ocorre porque o princípio de funcionamento destes guias não é baseado no princípio da reflexão interna total, como no caso das fibras ópticas, mas sim na existência do photonic band gap.

[014] Neste caso, o sinal eletromagnétíco fica confinado no interior do defeito linear que originou o guia, sendo impedido de se propagar para fora do mesmo, por conta do photonic band gap associado à estrutura periódica que está ao redor dele. [015] O dispositivo aqui apresentado incorpora, em sua estrutura, um dobramento de 80 graus, o que proporciona maior flexibilidade no design de circuitos ópticos integrados. Além disso, possui dimensões reduzidas, o que favorece o aumento na densidade de integração.

[016] O switch em questão opera com magnetização uniforme, o que simplifica o desenvolvimento do circuito de magnetização, haja vista que um simples eletroímã pode ser utilizado para a realização desta função. A magnitude do campo magnético gerado é proporcional à intensidade de uma corrente elétrica que atravessa o eletroímã.

[017] Destacam-se, entre as características de desempenho do dispositivo, a grande largura de banda de operação, as baixas perdas de inserção no estado on e a alta isolação entre os guias de onda de entrada e saída no estado ofí.

[018] De modo geral, o dispositivo é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos inseridos em um material magneto-óptico. Neste cristal, são inseridos dois tipos de defeitos, a saber:

[019] a) Remoção de fileiras de furos (defeito linear), que dão origem aos guias de onda de entrada e saída;

[020] b) Alteração do raio e da posição de furos inseridos no material magneto- óptico, que originam a cavidade ressonante do dispositivo.

[021] Considerando a aplicação de um campo magnético no ressoador magneto-óptico, a chave pode estar em dois estados, a saber:

[022] a) Caso não magnetizado do material magneto-óptico, em que o sinal não é transmitido para o guia de onda de saída;

[023] b) Caso magnetizado do material magneto-óptico, em que o sinal é transmitido para o guia de onda de saída.

[024] De modo específico, o dispositivo possuí as seguintes características: [025] a) A cons e de rede do crista! (a) é igua! a 480 nanômetros;

[026] b) O raio do: furos pertencentes à rede cristalina é igua! a 0,3a;

[027] c) Os guias e onda de entrada e saída são inseridos através c ia criação

[028] d) Um sina! eletromagnético transferido para a saída tem a sua direção de propagação alterada em 80 graus;

[029] e) A cavidade ressonante é inserida através da alteração do raio e da posição de alguns furos localizados no centro do dispositivo, na fronteira entre os dois guias de onda;

[030] f) A intensidade de um campo magnético externo DC determina o estado em que o dispositivo se encontra;

[031] g) No estado off, o campo magnético externo DC é igual a 0 e um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante, de ta! sorte que os nós do modo ficam alinhados com o guia de onda de saída e, consequentemente, não há transferência de sinal da entrada para a saída;

[032] h) No estado on, o campo magnético externo DC é igual a H _® e um modo dipolo girante é excitado na cavidade ressonante, proporcionando a transferência do sinal da entrada para a saída;

[033] í) O material magneto-óptico no qual é baseado o crista! fotôníco é anisotrópico, sendo descrito pelas seguintes expressões para a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética:

-19 o

[034] "0 o ; μ μ.

o o

[035] Onde:

[038] a) ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro);

[037] b) s ₀ é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro); [038] c) μ é a permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro);

[039] d) μ ₀ é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);

[040] e) / é a unidade imaginária;

[041] f) g é um parâmetro dependente da intensidade do campo magnético externo DC aplicado.

[042] A seguir, são apresentadas as figuras que ilustram o funcionamento do dispositivo, bem como é descrita, de modo detalhado, a invenção desenvolvida, [043] As figuras 1 a e 1 b apresentam, de forma esquemática, o switch funcionando nos modos on e off, respectivamente.

[044] As figuras 2a e 2b apresentam os autovetores V-i e V ₂ , que correspondem a dois dos seis modos dipolo que existem no ressoador não magnetizado, com frequência de ressonância IÚQ. A figura 2c apresenta dois modos girantes V e V ^÷ do ressoador não magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem a mesma frequência de ressonância ωο· A figura 2d apresenta dois modos girantes V _m ⁺ e V _m ^" do ressoador magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem frequências de ressonância ω ^÷ e ω ^" , respectivamente.

[045] A figura 3 mostra um corte do dispositivo operando no estado on. São mostrados o cristal fotônico, os dois guias de onda retílíneos 301 (entrada) e 302 (saída), a cavidade ressonante e a componente H _z do sinal eletromagnétíco, transferido da entrada para a saída, na frequência normalizada ωθ/2πο = 0,30308, onde ω é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo).

[046] A figura 4 apresenta um corte do dispositivo operando no estado off. São apresentados o cristal fotônico, os dois guias de onda retilíneos 401 (entrada) e 402 (saída), a cavidade ressonante e a componente H _z do sinal eletromagnétíco, refletido de volta para a entrada, na frequência normalizada a/2nc = 0,30308. [047] A figura 5 apresenta a resposta em frequência do switch operando nos estados on e ofí.

[048] Quando o dispositivo está sob a influência de um campo magnético externo DC Ho (figura 1 a), um sinal eletromagnético aplicado no guia de entrada 101 excita, no ressoador magneto-óptico, um modo dípoio girante 103. Este, por sua vez, faz com que o sinal presente na entrada seja transferido para o guia de saída 102, com baixas perdas de inserção, correspondendo ao estado on do dispositivo. O valor do parâmetro g, que é proporcional à magnitude de Ho, é igual a 0,3.

[049] Por outro lado, quando o campo magnético externo DC é igual a 0 (figura 1 b), um sina! eletromagnético aplicado no guia de entrada 104 excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo estacionário 106. Os nós do modo alinham-se com o guia de saída 105, de tal sorte que neste não são excitadas ondas eletromagnéticas. O sinal incidente é totalmente refletido, com alta isolação entre a entrada e a saída. Esta situação corresponde ao estado off e, neste caso, o valor do parâmetro g é igual a 0.

[050] Estes comportamentos podem ser explicados a partir da análise dos modos excitados no ressoador magneto-óptico sem cargas, isto é, sem a conexão dos guias de onda de entrada e saída. No caso não magnetizado, existem seis modos dipolo estacionários V, (i = 1 , 2, 8) com frequência de ressonância ωο, sendo que dois deles estão representados nas figuras 2a (modo V-i) e 2b (modo V ₂ ). Os outros modos podem ser obtidos a partir de rotações por 60 ou 120 graus dos modos Vi e V ₂ em torno do eixo z.

[051] Estes modos podem ser combinados de modo a produzir modos girantes degenerados V ^" e V ⁺ , com frequência de ressonância ωο e rotação em sentidos opostos (figura 2c).

[052] A aplicação de um campo magnético externo DC Ho, orientado ao longo da direção z, remove a degenerescência de V ^" e V ⁺ , fazendo com que os mesmos passem a possuir frequências de ressonância distintas ω ^" e ω ⁺ (modos V _m ^" e V _ríl ^÷ , respectivamente, representados na figura 2d). [053] A inserção dos guias de onda na estrutura, tanto no caso não magnetizado como no magnetizado, também remove a degenerescência dos modos excitados na cavidade ressonante. Quanto maior o acoplamento entre a cavidade e os guias, maior é a diferença entre as frequências dos modos antes degenerados.

[054] O estado on (figura 3) é obtido quando o dispositivo está magnetizado. Neste caso, é utilizado um dos modos girantes V _m ^~ ou V _m ⁺ , representados pela seta arqueada localizada no centro da figura.

[055] Por outro lado, o estado off (figura 4) é obtido quando o dispositivo não está magnetizado. Nesta situação, é utilizado um modo resultante da combinação entre os modos dipolo estacionários Vi. O modo resultante possui os nós alinhados com o guia de onda de saída.

[056] A resposta em frequência do dispositivo é apresentada na figura 5. Considerando a excitação na porta 1 (associada aos guias 301 e 401 ), a largura de banda do dispositivo é igual a 186 GHz, referente aos níveis de -2 dB e -15 dB das curvas associadas aos estados on e off, respectivamente. Na frequência central normalizada a/2nc = 0,30308, as perdas de inserção no estado on são de -0,9 dB e a isolação entre os guias de onda no estado off é de -54 dB.