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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024088690
(43)【公開日】2024-07-02
(54)【発明の名称】高周波光学スイッチおよびその製造方法
(51)【国際特許分類】
G02F 1/01 20060101AFI20240625BHJP
【ＦＩ】
G02F1/01 F
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024055344
(22)【出願日】2024-03-29
(62)【分割の表示】P 2020504172の分割
【原出願日】2018-07-24
(31)【優先権主張番号】62/535,980
(32)【優先日】2017-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】520026962
【氏名又は名称】テラヘルツ グループ エルティーディー
(74)【代理人】
【識別番号】100077838
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 憲保
(74)【代理人】
【識別番号】100129023
【弁理士】
【氏名又は名称】佐々木 敬
(72)【発明者】
【氏名】ガッバイ，エラン
(57)【要約】
【課題】 光学スイッチおよび変調装置が、テラヘルツデータ通信速度用に使用可能に記載される。
【解決手段】装置は、電磁放射を伝播させるように構成された光学的に伝送可能な基板と、前記基板に光学的に結合されたメタ材料配列とを備える。メタ材料配列は、前記光学的に伝送可能な基板の少なくともある部分に光学的に結合された少なくとも１つのメタ材料微粒子の層と、該少なくとも１つもメタ材料層の少なくともある部分上に置かれた少なくも１つの電気的伝導材料から成る少なくとも１つのナノメッシュ層と、を備える。少なくとも１つのナノメッシュ層は、メタ材料配列に印加された電磁気又は電気信号に応答して、電子を少なくも１つのメタ材料層に放電するように構成され、少なくとも１つのメタ材料層は、放電した電子を受けるとき、光学的に不透明な状態から光学的に透明な状態に変化するように構成され、それによって、基板を通過する電磁放射を少なくとも部分的に変更する。
【選択図】 図４Ｂ
【解決手段】装置は、電磁放射を伝播させるように構成された光学的に伝送可能な基板と、前記基板に光学的に結合されたメタ材料配列とを備える。メタ材料配列は、前記光学的に伝送可能な基板の少なくともある部分に光学的に結合された少なくとも１つのメタ材料微粒子の層と、該少なくとも１つもメタ材料層の少なくともある部分上に置かれた少なくも１つの電気的伝導材料から成る少なくとも１つのナノメッシュ層と、を備える。少なくとも１つのナノメッシュ層は、メタ材料配列に印加された電磁気又は電気信号に応答して、電子を少なくも１つのメタ材料層に放電するように構成され、少なくとも１つのメタ材料層は、放電した電子を受けるとき、光学的に不透明な状態から光学的に透明な状態に変化するように構成され、それによって、基板を通過する電磁放射を少なくとも部分的に変更する。
【選択図】 図４Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
２以上の電磁データ搬送波（Ｆ１，Ｆ２）を合成するために構成され動作可能な光学合成器を備えたシステムであって、前記光学合成器は、
内壁部上に被覆されたメタ材料配列（２３）を持つ少なくとも１つの光学的ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）共振器（２８，４１－４４）であって、前記内壁部は、前記共振器（２８）のコア材料内に配置され、前記メタ材料配列は、前記内壁部のある部分上に適用された少なくとも１つのメタ材料の層（２３ｖ）と、該少なくとも１つのメタ材料の層の少なくともある部分に置かれた少なくとも１つの電気的伝導材料から成る少なくとも１つのナノメッシュ層（２３ｕ）とを有し、前記少なくとも１つのナノメッシュ層は、前記メタ材料配列に印加された電磁信号又は電気信号（８ｒ）に応答して、電子を前記少なくとも１つのメタ材料の層へ放電するように構成され、それによって、前記放電した電子を受けたとき、前記メタ材料の層を光学的に不透明な状態から光学的に透明な状態に変化させる、前記ＷＧＭ共振器と、
前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器に光学的に結合されて、少なくとも２つの電磁データ搬送波をそれぞれ導入する少なくとも２つの入力波線（２２ｆ，２２ｓ；４５，４６）と、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器に光学的に結合されて、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器の内側でトラップされた電磁放射を出力し、かつ、前記少なくとも２つの電磁データ搬送波を少なくとも部分的にマージする少なくとも１つの出力波線（２２ｂ，４７）と、
を備える、システム。
内壁部上に被覆されたメタ材料配列（２３）を持つ少なくとも１つの光学的ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）共振器（２８，４１－４４）であって、前記内壁部は、前記共振器（２８）のコア材料内に配置され、前記メタ材料配列は、前記内壁部のある部分上に適用された少なくとも１つのメタ材料の層（２３ｖ）と、該少なくとも１つのメタ材料の層の少なくともある部分に置かれた少なくとも１つの電気的伝導材料から成る少なくとも１つのナノメッシュ層（２３ｕ）とを有し、前記少なくとも１つのナノメッシュ層は、前記メタ材料配列に印加された電磁信号又は電気信号（８ｒ）に応答して、電子を前記少なくとも１つのメタ材料の層へ放電するように構成され、それによって、前記放電した電子を受けたとき、前記メタ材料の層を光学的に不透明な状態から光学的に透明な状態に変化させる、前記ＷＧＭ共振器と、
前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器に光学的に結合されて、少なくとも２つの電磁データ搬送波をそれぞれ導入する少なくとも２つの入力波線（２２ｆ，２２ｓ；４５，４６）と、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器に光学的に結合されて、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器の内側でトラップされた電磁放射を出力し、かつ、前記少なくとも２つの電磁データ搬送波を少なくとも部分的にマージする少なくとも１つの出力波線（２２ｂ，４７）と、
を備える、システム。
【請求項2】
光ファイバの少なくともある部分内に配置されまたは光ＷＧＭ共振器の少なくともある部分内に配置される、光学的に伝達可能な基板を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記光学的に伝達可能な基板は、ＰＡＮＤＡ共振器の一種である光ＷＧＭ共振器の少なくともある部分内に配置される、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記光学的に伝達可能な基板は、薄膜である、請求項２に記載のシステム。
【請求項5】
前記光学的に伝達可能な基板は、約０．１ナノメートルから１ナノメートルの厚さを持つ、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記少なくとも１つのメタ材料粒子の層が、以下の特徴、すなわち、
(i) 前記少なくとも１つのメタ材料層は、酸化バナジウムから成る、
(ii)前記少なくとも１つのメタ材料層は、前記放電された電子を受けるときに、負の屈折を示すように構成されている、
(iii) 前記メタ材料配列上に金属格子が形成されている、
(iv) 前記少なくとも１つのメタ材料粒子の層の厚さは、約０．１～１ナノメートルである、
(v) 前記少なくとも１つのメタ材料粒子の層の粒子寸法は、約１～１００ナノメートルである、
のうちの１つ以上を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
(i) 前記少なくとも１つのメタ材料層は、酸化バナジウムから成る、
(ii)前記少なくとも１つのメタ材料層は、前記放電された電子を受けるときに、負の屈折を示すように構成されている、
(iii) 前記メタ材料配列上に金属格子が形成されている、
(iv) 前記少なくとも１つのメタ材料粒子の層の厚さは、約０．１～１ナノメートルである、
(v) 前記少なくとも１つのメタ材料粒子の層の粒子寸法は、約１～１００ナノメートルである、
のうちの１つ以上を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項7】
前記少なくとも１つのナノメッシュ層は、以下の特徴、すなわち、
(i) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層は、金である、
(ii) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の厚さは、約０．１～１ナノメートルである、
(iii) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の粒子サイズは、約２０～１００ナノメートルである、
(iv) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の細孔寸法は、約０．１～１ナノメートルである、
のうちの１つ以上を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。
(i) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層は、金である、
(ii) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の厚さは、約０．１～１ナノメートルである、
(iii) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の粒子サイズは、約２０～１００ナノメートルである、
(iv) 前記少なくとも１つのナノメッシュ層の細孔寸法は、約０．１～１ナノメートルである、
のうちの１つ以上を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項8】
前記メタ材料配列に印加される前記電磁信号又は電気信号は、ＲＦ、マイクロ波、または、テラヘルツ周波数帯である、請求項１～７のいずか１項に記載のシステム。
【請求項9】
前記メタ材料配列に印加される前記電磁信号又は電気信号は、１００ＭＨｚ～４０ＴＨｚの範囲にある、請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
前記光学合成器は、内部壁上に被覆された前記メタ材料配列を持ち、かつ、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器に光学的に結合された、少なくとも１つの補助ＷＧＭ共振器を備え、該少なくとも１つの補助ＷＧＭ共振器は、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器の内側で予め規定された方法でトラップされた前記電磁放射を整形するように構成されている、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項11】
前記光学合成器は、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器の前記メタ材料配列上に形成された複数の格子を備える、請求項１～１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項12】
前記複数のＷＧＭ共振器の少なくとも１つは、楕円面形状の共振器である、請求項１～１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項13】
前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器は、存在しかつ前記少なくとも２つの入力波線に沿って伝達する前記２以上の電磁データ搬送波をトラップし、前記電磁データ搬送波の周波数を、それらが前記共振器の前記内壁部を覆う前記メタ材料配列を持つ前記ＷＧＭ共振器の内壁に沿って共振するように、一方から他方へ結合し、前記少なくとも１つの出力波線を通して電磁放射を出力し、それによって、出力電磁放射を提供するために変調された前記電磁データ搬送波を結合する、請求項１に記載のシステム。
【請求項14】
前記光学合成器は、ランダム表面充電による前記電磁データ搬送波のマージ効果をもたらして、表面上の平衡局部状態を可能にする、非線形プロセスを容易にするように構成された格子を備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記格子は、金属格子である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記格子は、前記少なくとも１つのＷＧＭ共振器の前記メタ材料配列上に形成されている、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的に、高周波光学的波変調のために使用可能な光学スイッチの分野に属する。
【背景技術】
【0002】
スマートフォン、ソーシャルメディア、ビデオストリーミング、およびビッグデータの広範囲に及ぶ使用に主に起因する急速に増加する要求を満足するために要求される、データ通信サービスにおける帯域幅に対して、継続して増加する需要がある。成熟に達したデータセンタやより大きなデータ通信パイプにおいて、現今広く使用される１０Ｇｂ／ｓの技術は、今、通信ネットワーク上で流される莫大な量のデータを処理することが要求される。確かに、複数のサービスプロバイダ（ＰＶ）は、ビットレート機器を高くし、帯域幅を波長当たり４０Ｇｂ／ｓおよび１００Ｇｂ／ｓ範囲に向けて増加するように動いている。
【0003】
国際電気通信連合（ＩＴＵ）は、１５３０～１５６６ｎｍ（最も小さい損失を示す光ファイバにおいて、また、Ｃバンドとして知られている）の関連の電磁マイクロ波スペクトル範囲を、固定の５０ＧＨｚスペクトルスロットに分割する。しかしながら、このチャネル間隔案は、おそらく、１００Ｇｂ／ｓより大きいビットレートに対して適していない。従って、この技術において、未来の帯域幅の需要の必要を満足することができる、より柔軟なグリッドパラダイムが必要である。
【0004】
実際、たとえ十分に広いスペクトルが利用可能であるとしても、高データレート信号は、高いスペクトル効率で長距離を送信することがだんだんと困難になっている。従って、スペクトル効率を最大化するために、ネットワークの実際の状況と各与えられた通信量需要に対するデータレートに適合することは、トランシーバに対して有益である。スペクトル効率を増加し、コンテントプロバイダを大きくし、新しくデータセンタを構成し、プロバイダ間の対等関係を展開することの上記要求は、ネットワークを横断する需要の不確実性や不均一性を推進する。従って、実際に継続している増加するデータ通信量需要に適合され得る、柔軟なトランシーバおよびネットワーク要素を備える、柔軟で適応性のあるネットワークに対する要求がある。
【0005】
高速スイッチングおよび変調が、１００Ｇｂ／ｓより大きいビットレートおよびテラヘルツにおいて、増加した帯域幅通信のための主な障害であることが認識されている。超高速通信用の障害および限界は、以下に説明するような、今日において使用されているネットワークインフラストラクチャに関連づけられる、ＲＦ、光学的、スイッチング、およびテラヘルツ限界に起因すると考えられ得る。
【0006】
・ＲＦ限界（マイクロ波スペクトル）は、主に、実質的に上記数百ギガヘルツの周波数範囲で動作するように構成される電子装置を製造することの困難性によるものである。この困難性は、部分的には、半導体活性領域における非常に短いキャリア輸送時間に対する固有の要求と、容量を最小化して小さい活性領域をもたなければならない、装置によって生成される低電力の結果によるものである。
【0007】
・光学的限界は、バンド間ダイオードレーザが、主に、可視および近赤外周波数で動作するために設計されていることで直面する。しかしながら、活性半導体材料のバンドギャップを横断する、伝導帯電子と価電子帯ホールとの放射再結合による光信号の生成は、中間赤外やより長い波長範囲において簡単に拡張され得ないように思える。何故なら、適当に狭いバンドギャップ半導体が得られないからである。
【0008】
・スイッチング限界は、また、例えば、電気分野での、材料を通る光伝送を制御することが、光スペクトルの、例えば、テラヘルツの領域において、または、近くの長い波長に対して適していないことで直面する。何故なら、ソリッド・ステートの電子機器によって達成され得る、オン／オフ状態間のスイッチング差異が、あまりにも弱く遅いからである。
【0009】
・テラヘルツ限界は、良好な解像度を持つ活発なテラヘルツ周波数源を欠いていることに起因する。
【0010】
特許文献における幾つかの解決策について、以下、簡単に説明する。
【0011】
特許文献１は、テラヘルツ領域における少なくとも１つの搬送波でデータを送信するための伝送配置を記載している。伝送配置は、送信装置と、受信手段と、光ビームの伝送ための光学伝送システムとを備える。送信装置と受信手段とは、送信機のテラヘルツ範囲において変調された搬送波によってデータを無線で転送するように適合されている。搬送波は１つまたは２つの光源によって生成された２つの光ビームの差周波数混合を使用して生成される。
【0012】
特許文献２に記載された技術および装置は、非線形光学材料で作られた光学共振器と非線形波混合とに基づいて、ＲＦまたはマイクロ波共振と光学結合信号とを生成する。
【0013】
特許文献３は、電気光材料で形成された、ささやきギャラリ(whispering gallery)モード共振器における調和した単一サイドバンド（ＳＳＢ）に基づいて、差分極のささきギャラリモード間の結合を引き起こす、光通信装置および技術を記載している。
【0014】
特許文献４に記載された光学変調システムは、少なくとも１つの動作波長で入力光信号を受信し処理するように構成されたメタ材料構造を含み、メタ材料構造は、メタ材料構造に印加された外部刺激に応答して、１つ又は複数の動作波長で１つ又は複数の光学信号に関して、送信可能状態と信不可能状態との間で変化する。外部刺激源は、メタ材料構造に結合され、メタ材料構造に選択した刺激パルスを印加することによって、メタ材料構造を送信可能状態と送信不可能状態との間で変化するように構成される。光学変調システムは、入力光信号を処理して、メタ材料構造に印加された選択したパルスと一致して変調する、変調された光信号を出力する。
【0015】
上記記載は、本発明の開示の種々の態様に関連し、その種々の態様のよりよい理解を促進することを意図して、技術の種々の態様を紹介する。この出願に記載された任意の先行技術を参照することは、この先行技術が任意の司法権における常識の部分を形成する、又は、この先行技術が関連すると見做されおよび／または当業者によって先行技術の他の部分と合成されると理解されるのが適当に予期されるべきであるとの認定および示唆ではないことに注意されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0016】
【特許文献1】欧州特許第２８７６８２４号明細書
【特許文献2】米国特許第８１１１７２２号明細書
【特許文献3】米国特許第８１５９７３６号明細書
【特許文献4】米国特許第８６５５１８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
ここに開示された主題は、非常に高いビットレートを達成するための光スペクトルのテラヘルツ領域（１００Ｇｂ／ｓ、４００Ｇｂ／ｓでおよび上で、かつ、テラヘルツビットレート領域において）の近く、および／または、における、長い波長の光変調のための技術および実現を提供することを目的とする。ここに開示された実施形態は、室温で動作するように構成された固体状態／チップ装置における光変調の実現のために適している。これらの実施形態は、スケーラブルで適応的なネットワークのために必要な柔軟性とデータ通信速度とを提供でき、したがって、たとえば、平たく押し潰された（flattened）（東西）トポロジを利用して現在構築された新しいデータセンタにおける使用に対して魅力的である。
【0018】
適応的なデータセンタは、シームレスに再構成され得る、仮想ブロックを使用するブロック状ネットワーク基盤ユニットから構築され得る。容易に縮尺された手段としてネットワークとなりうるブロックを使用して物理的なネットワークに移動することは、全体のバックプレーンを再構成するのを持たずに、フレックスにできる。適応的なトランシーバ、フレキシブル格子、および高度の処理能力のあるクライアントノードの組合せは、新しい「適応的な」ネットワーキング・パラダイムを可能として、ＳＰに、それを頻繁にオーバーホールすることなしに、ネットワークの増加するノードをアドレスすることを可能とする。
【0019】
１００Ｇｂ／ｓを基にした伝送システムは、近年、市場に出ており、それらは既に展開されている５０ＧＨｚＩＴＵ格子／チャネル間隔と互換性があるので、格子を取り替える必要は生じない。遠距離通信産業とデータ通信産業の両方は、現在、１００Ｇｂ／ｓを超える標準伝送データレートを検討しており、４００Ｇｂ／ｓに、多くの注目が集まっている。不運にも、標準変調フォーマットで４００Ｇｂ／ｓによって占有されるスペクトル幅は、５０ＧＨｚＩＴＵ格子にフィットするにはあまりに広く、それを高いスペクトル効率変調フォーマットを採用することによってフィットするように強制することは、単に、短い伝送距離を可能するだろう。固定した格子は、それらが少なくとも１つの５０ＧＨｚ格子境界で重複するなら、標準変調フォーマットで、４００Ｇｂ／ｓおよび１Ｔｂ／ｓのビットレートをサポートしない。したがって、ここに開示された実施形態は、バンド幅需要における継続する増加を満たすために設計されたデータセンタ実現のために有益であると理解されたい。
【課題を解決するための手段】
【0020】
ここに開示された実施形態は、テラヘルツデータ伝送速度で動作するように構成された、高特性光スイッチ、変調器および／またはフィルタを構成するために、波伝導体に結合された能動メタ材料を利用する。ある実施形態において、メタ材料は、テラヘルツ通信および信号処理応用を可能とする、効率的な薄膜スイッチを実現するために使用される。そのようなデバイスは、テラヘルツ信号をフィルタリング、スイッチング、および変調するためにとても必要とされる。薄膜装置を使用するテラヘルツ放射のスイッチングは、テラヘルツ周波数の電磁波の波長が３００マイクロメートルの範囲よりも大きいので妨げられ、従って、この波長よりもはるかに小さい構造とそれほど相互作用しない。メタ材料の使用は、この問題を巧みに回避することができる。
【0021】
ここで使用される、波伝導体、光波伝導体、また波線という用語は、例えば光データ通信において使用されるような光導波管、光ファイバ、空気には制限されず、電磁放射の伝送のために使用可能な、媒体および／または要素を言う。メタ材料は、基礎材料によっては本来的に示されない性質を表すためにうまく処理された、従来の材料において見られるだろう、原子および分子の代わりをするために、異なるたいていはナノスケールの物体を集めることによって製造された、人工的に構成された材料である。ここで開示された実施形態において使用されるメタ材料は、自然に存在する又は化学的に合成された物質に見出されるものとは典型的に非常に異なる電磁特性を持つ。実施形態のいくつかで使用されるメタ材料は、負の屈折を制御可能に示すように設定される。
【0022】
ここに開示される実施形態のいくつかにおいて使用されるメタ材料は、通過する電磁放射（光）と相互作用するように構成された、光マイクロ構造を持つように設計される。例えば、限定されることなく、そのような光マイクロ構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２－ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１－ｙＮｉｙＳ２（ここで、ｙ≦１）、Ｃａ１－ｙＳｒｙＶＯ３（ここで、ｙ≦１）、ＰｒＲｕ４Ｐｌ２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１－ｙＣａｙＭｎＯ３（ここで、ｙ≦１）、Ｌａ２－２Ｓｒ１＋２Ｍｎ２Ｏ７（ここで、ｙ≦１）、Ｔｉ４Ｏ７、Ｌａ２ＮｉＯ４、水マンガン鉱型の混合酸化物ＲＥｘＡＥ１－ｘＭｎＯ３（ここで、ＲＥはランタンまたはプラセオジムのような希土類元素、ＡＥはカルシウムのようなアルカリ土類、ｘ≦１）、（ＮｉＡｌのような）金属間化合物、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリフェニレンビニル、ポリスルホン酸スチレン、ポリアニリン（たとえば、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリン）のようなポリマー、およびジブロック（たとえば、ポリ［スチレンｂイソプレン］すなわちＰＳ－ｂ－ＰＩ）およびトリブロック（たとえば、棒コイルコポリマー、ポリ［ポリ（Ｎイソプロピルアクリルアミド）ｂポリフルオレンｂポリ（Ｎイソプロピルアクリルアミド）］）コポリマーのようなナノ構造ポリマーのような、金属酸化物に基づく材料を使用して構成することができる。
【0023】
そのようなメタ材料は、酸化バナジウム（ＶＯ２）から作られた超小型で超高速な光スイッチ装置を構成するために使用され得る。テラヘルツ周波数範囲でスイッチするためのそのような装置の能力は、ギガヘルツ周波数で動作するように構成された同様のスイッチ装置よりも非常に速い。光スイッチ装置を構成するためにＶＯ２メタ材料を使用することは、特に魅力的になるように思われる。何故なら、それは、トランジスタに似た装置を構成するために開発され得る、電気的電荷／電界を誘起することによって、送信可能な（絶縁体）状態と送信不可能な（伝導体）状態との間を、テラヘルツ速度でスイッチされ得るからである。
【0024】
ある実施形態において使用されるメタ材料は、光学的に透明な物質（ガラス）上に被着され、かつ小さい金ナノ粒子の「ナノメッシュ」によって被覆された、ＶＯ２のナノ粒子から作成された。この層構造が超高速ＴＨｚ源（たとえば、限定されることなく、レーザ源、任意の型のＴＨｚ送出液晶に基づく装置、や周波数乗算器のような、任意の型のＴＨｚ信号発生器）からの電磁パルスによって放射されるとき、金ナノメッシュからＶＯ２ナノ粒子層に放電された熱電子は、ピコ秒（ＰＳ、１０－１２秒）の時間領域内の時間期間で、その相を、光学的に不透明な（金属）相から光学的に透明な（半伝導）相に変化する。ここに開示された実施形態は、そのようなメタ材料のその特性を、ＰＳ時間フレーム内で、光学的に不透明な状態と光学的に透明な状態との間で制御可能に変化するのを利用して、通信応用のための光学スイッチ装置を実現する。
【0025】
ここに開示された主題の１つの発明態様は、テラヘルツデータ通信速度用に使用可能な光学スイッチ装置に関する。この装置は、ある実施形態において、電磁放射を伝播するように構成された光学的に伝達可能な基板と、その基板に光学的に結合されたメタ材料配列とを備える。メタ材料配列は、光学的に伝達可能な基板の少なくともある部分に光学的に結合された、少なくとも１つのメタ材料粒子の層と、その少なくとも１つのメタ材料層の少なくともある部分上に置かれた少なくとも１つの電気的伝導材料から成る少なくとも１つのナノメッシュ層と、備える。少なくとも１つのナノメッシュ層は、ナノ材料配列に印加された電磁信号または電気信号に応答して、電子を少なくとも１つのメタ材料層に放電するように構成され、少なくとも１つのナノ材料層は、放電した電子を受けたときに、光学的に不透明な状態から光学的に透明な状態に変化するように構成され、それによって、基板を通過する電磁放射を少なくとも部分的に変更する。
【0026】
オプションとして、光学的に伝達可能な基板は、光ファイバの少なくともある部分にある。その代わりに、光学的に伝達可能な基板は、光ＷＭＧ共振器、たとえば、ＰＡＮＤＡ共振器の少なくともある部分にある。さらなる代案において、光学的に伝達可能な基板は薄膜である。
【0027】
ある実施形態において、基板は、約０．１～１ナノメートルの厚さを持つ。オプションとして、好ましくはある実施形態において、少なくとも１つのメタ材料層は、酸化バナジウムから成る。少なくとも１つのメタ材料層は、放電した電子を受けたときに、負の屈折を示すように構成され得る。
【0028】
この装置は、ある実施形態において、メタ材料配列上に形成された金属格子を備える。
【0029】
少なくとも１つのメタ材料粒子層の厚さは、一般的には、約０．１～１ナノメートルである。ある実施形態において、少なくとも１つのメタ材料粒子層の粒子サイズは、約１～１００ナノメートルである。
【0030】
オプションとして、好ましくはある実施形態において、少なくとも１つのナノメッシュ層は、金から成る。少なくとも１つのナノメッシュ層の厚さは、一般的には、約０．１～１ナノメートルである。ある実施形態において、少なくとも１つのナノメッシュ層の粒子サイズは、約２０～１００ナノメートルである。少なくとも１つのナノメッシュ層の細孔寸法／直径は、ある実施形態において、約０．１～１ナノメートルである。
【0031】
光学スイッチ装置は、約１００～５００ナノメートルの幾何学的寸法を持っていてよい。ある実施形態において、メタ材料配列に印加される電磁信号または電気信号は、ＲＦ、マイクロ波、またはテラヘルツ周波数帯（たとえば、１００ＭＨｚ～４０ＴＨｚの範囲内）である。
【0032】
別の発明態様において、ここに開示された主題は、テラヘルツデータ通信速度に対して使用可能な光学変調器に向けられる。この変調器は、以上にまたは以下に述べる光学スイッチ装置と、入力電磁放射を光学スイッチ装置に導入するように構成された入力波線と、光学スイッチ装置によって少なくとも部分的に変更された出力電磁放射を転送するように構成された出力波線と、備えてよい。
【0033】
テラヘルツデータ通信速度用に使用可能な他の光学変調アセンブリは、入力電磁放射を光学変調アセンブリに導入するように構成された入力波線と、入力波線から入力電磁放射を受信するように構成された光学スプリッタと、入力波線からの電磁放射の部分を受信する為に光学スプリッタに光学的に結合されて、それによって分岐された第１および第２の波線と、第１および第２の波線の少なくとも一方の各コアに光学的に結合された、以上でまたは以下で述べるような少なくとも１つの光学スイッチ装置と、第１および第２の波線に光学的に結合され、光学スプリッタからそれらに受信され、かつ、少なくとも１つの光学スイッチ装置によって少なくとも部分的に変更された電磁放射を合成する光学合成器と、を使用して実現され得る。光学変調器は、光学合成器によって合成された電磁放射を受信するように構成された出力波線を備えてもよい。
【0034】
光学変調器は、第１および第２の波線のコアにそれぞれ結合された第１および第２の光学スイッチ装置を備えることが出来る。オプションとして、好ましいある実施形態において、少なくとも１つのメタ材料層は、酸化バナジウムから成る。オプションとして、少なくとも１つのメタ材料層は、放電された電子を受信するときに、負の屈折を示すように構成される。
【0035】
変調器は、ある実施形態において、メタ材料配列上に形成された金属格子を備える。
【0036】
本出願の主題の更に他の発明態様は、２つまたはそれ以上の電磁データ搬送波を合成するための光学合成装置に関する。合成装置は、内壁部上に被膜されたメタ材料アセンブリを持つ少なくとも１つの変調ＷＧＭ共振器と、前記少なくとも１つの変調ＷＧＭ共振器に光学的に結合されて、少なくとも１つの電磁データ搬送波をそれぞれ導入するための少なくとも２つの入力波線と、少なくもと１つの変調ＷＧＭ変調器に光学的に結合されて、少なくも１つの変調ＷＧＭ変調器の側でトラップされ、かつ、少なくとも２つの電磁データ搬送波を少なくとも部分的にマージする、電磁放射を出力する少なくとも１つの出力波線と、備える。
【0037】
メタ材料アセンブリは、ある実施形態において、酸化バナジウム、たとえば、ここで上述したようなナノ粒子層から成る。メタ材料アセンブリは、金、たとえば、ここで述べたように、酸化バナジウム層上に塗られた金ナノメッシュ層から成る。光学合成器は、ある実施形態において、内壁内に被覆されたメタ材料アセンブリを持ち、かつ前記少なくとも一方のＷＧＭ共振器に光学的に結合された、少なくとも１つの補助ＷＧＭ共振器を備える。少なくも１つの補助ＷＧＭ共振器は、予め規定された方法で、少なくとも１つのＷＧＭ共振器の内側でトラップされた電磁放射を成形するように構成され得る。
【0038】
光学合成器は、少なくとも１つのＷＧＭ共振器のメタ材料アセンブリ上に形成された格子を備えることができる。オプションとして、ＷＧＭ共振器の少なくとも一方は、楕円面形状の共振器である。
【0039】
本発明を理解するためおよび実際にどのように実行されるかを見るために、非制限の例としてのみ、添付の図面を参照して実施形態を説明する。図面中に示される特徴は、別段の黙示的指摘がない限り、本発明のある実施形態のみを図示していることを意味している。図面において、似たような参照符号は、対応する部分を示すために使用される。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1A】ある可能な実施形態による光学スイッチの動作を概略的に示す図であって、薄膜上のメタ材料の被着によって準備された光学スイッチを示す図である。
【図1B】ある可能な実施形態に従う光学スイッチの動作を概略的に示す図であって、光学スイッチの可能な実現を示す図である。
【図1C】ある可能な実施形態に従う光学スイッチの動作を概略的に示す図であって、光学スイッチでの相互作用を形成する入力波と出力波との時間プロットを示す図である。
【図2】ある実施形態による光学スイッチを概略的に示す図である。
【図3】ある実施形態による光学変調器の可能な実現を概略的に示す図である。
【図4A】ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）共振器を利用する光学波変調器を概略的に示す図であって、リング状共振器を利用する光学波変調器の可能な実現を示す図である。
【図4B】ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）共振器を利用する光学波変調器を概略的に示す図であって、多数に光学的に結合されたＷＧＭ共振器を利用する光学波変調器の可能な実現を示し、ＷＧＭ変調のために結合するクロストーク／信号を容易にするために必要な近接を説明する図である。
【図5A】異なる周波数のデータ搬送波を合成するためにＷＧＭ共振器に基づく光学波変調器を利用するデータ通信システムを例示する図である。
【図5B】異なる周波数のデータキャリアを結合するためにＷＧＭ共振器に基づく光学的波変調器を利用するデータ通信システムを例示する図である。
【図5C】異なる周波数のデータ搬送波を合成するためにＷＧＭ共振器に基づく光学波変調器を利用するデータ通信システムを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
本開示の１つまたはそれ以上の特殊な実施形態を、以下、図面を参照して説明するが、図面は、例証としてのみ全ての態様において考慮されるべきであって、任意の方法に制限されない。これら実施形態の簡潔な説明を提供する努力において、実際の実現の全ての特徴を明細書中に記載してはいない。図面中に図示された要素は、必ずしも縮尺で製図されておらず、正しい比例関係ではなく、それらは重大ではない。その代わりに、いったん当業者がそれらの構造と動作原理を理解すれば、当業者がここで開示された光学スイッチ／変調器を作りおよび使用することができるように、本発明の原理を明らかに示すことに重点が置かれる。この発明は、ここに開示された本質的な特徴を逸脱することなく、他の特殊な形態や実施形態に提供されてよい。
【0042】
この文書は、テラヘルツ周波数領域に近くおよびその中における高周波領域で動作するように構成された、光学スイッチおよび変調装置を記載する。ここに開示される光学スイッチおよび変調装置は、それらの光学特性を制御可能に変化するように構成され、それによって、それらに光学的に結合された波伝導媒体（たとえば、ファイバ光学コア）を通過する電磁放射の通路を変える。これは、ある実施形態において、メタ材料と波伝導媒体（コア）との間を光学的に結合するように、光ファイバのような波伝導媒体の一部分上にメタ材料を置くことによって、達成され、メタ材料がそれを通過する電磁放射と相互作用するのを可能とする。例えば、限定されることなく、光ファイバを使用したとき、メタ材料は、その全体の周囲（３６０°）を覆うその規定された角度／円弧部を覆う、光ファイバに沿って、少数の波長（λ）（たとえば、少なくとも４λ）で一致する、ある予め規定された長さ上に適用されてよい。
【0043】
ある実施形態において、光学スイッチおよび／または変調装置は、メタ材料に印加された電気信号／光信号によって光学共振器に導入される光を変調するために、ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）光学変調アセンブリに結合される。これは、メタ材料と共振器の波伝導媒体／コアとの間を光学的に結合して、メタ材料が共振器内にトラップされた電磁放射と相互作用するように、ＷＧＭ共振器の一部分上にメタ材料を付着することによって、達成され得る。例えば、限定されることなく、もしＷＧＭ共振器が円／楕円・リング／トーラス形状の共振器のタイプであるなら、メタ材料は、その全体の周囲（３６０°）を覆うその規定された角度／円弧部を覆う、ＷＧＭ共振器に沿って少なくとも４波長のある予め規定された長さ上に適用されてよい。しかしながら、異なる形状のＷＧＭ共振器は、この応用の実施形態において同様に使用されてよく、例えば、３Ｄ球面形状、３Ｄ楕円面形状、又は、（環状体対称軸の回りの多角形を回転することによって幾何学的に得られるような）多角形断面形状を持つ３Ｄ環状体面構造でよい、ことに注意されたい。
【0044】
オプションとして、好ましくは、ある実施形態において、メタ材料は、バナジウムを基にした材料のナノ粒子から作られるが、酸化バナジウム（ＶＯ２）ナノ粒子には限定されない。しかしながら、他の可能なナノ材料は、本出願の範囲や精神から逸脱することなく、ここに開示された光学波スイッチおよび／または変調装置を実現するために同様に使用され得る。
【0045】
ここに開示された光学波スイッチ／変調器は、ナノネットワークとマイクロネットワークとの間（ＴＨｚ←→ＧＨｚ）をインタフェースで接続するように構成され得、生化学分析、生物医学分析、化学および分子生物学分析の検出の為である。
【0046】
本発明の幾つかの例の特徴、プロセス段階、および原理の概観のために、図面において概略的におよび図表的に図示された光変調構造の例は、半導体レーザ装置によって生成されるような、コヒーレント光での使用のために意図されたバナジウムを基にした材料で作られる。メタ材料を基にした構造は、光学スイッチ／変調器を実現するために使用される、多数の特徴、プロセス、および原理を説明する、１つの例の実現として示されるが、それらは、また他の応用にも有用であり、異なる変更において作られ得る。従って、この明細書は、示された例を参照して続けるけれども、以下の特許請求の範囲において引用される発明は、いったん原理がここで提供される記述、説明、および図面から理解されるなら、多数の他の方法でも実現され得ることが理解される。当業者によって明らかであって、データ通信応用において有用な任意の他の設計変更ばかりでなく、すべてのそのような変更は、適切に利用されてよく、この開示の範囲内に入ることが意図されている。
【0047】
金ナノ粒子によって被覆され、ＴＨｚ源の適用による、ＶＯ２のような、バナジウムに基づくメタ材料のナノ粒子の光学的相変化の研究は、この光学相変化が、電子の適用、たとえば、制御可能に変化する電界の使用によって、得られるのか否かは明らかでない。テラヘルツ通信分野において、装置は、活性化および回復のために、できるだけ低いエネルギと消費時間で、電子および光子に対して敏感であるべきである。本発明者は、ＶＯ２の光学相変化が電子と良く仕事をし（すなわち、電界の印加によって動作され得）、金ナノ粒子からの熱電子の注入が、また、覆いがないＶＯ２ナノ粒子上に直接的にレーザ光を印加することによって必要とされるエネルギの１／５から１／１０で変換を誘発する（金ナノ粒子の使用は、ＶＯ２ナノ粒子上への直接レーザ光の印加よりも９０％より効率的である）ことを発見した。従って、ここで開示される光学スイッチ装置は、ＲＦ、マイクロ波、およびテラヘルツデータ伝送速度において動作する、光および／または電子／電界源の印加により、ＯＮおよびＯＦＦに切り換えられ得ると結論がなされる。
【0048】
図１Ａは、ある実施形態において薄膜によって実現される、基板３ｆに形成された光学スイッチ装置３を概略的に示す。この非制限の例におけるスイッチ装置３は、基板３ｆの少なくともある部分に光学的に（たとえば、蒸着によって）結合され、約０．１～１ナノメールの厚さを持つ、ナノ粒子の層３ｍと、ナノ粒子層３ｍの少なくともある部分上に（たとえば、蒸着によって）適用され、約０．１～１ナノメートルの厚さを持つ、金および／または同等の（電気的に伝導する）ナノ粒子のナノメッシュ３ｕとから作られる。
【0049】
メタ材料３ｍのナノ粒子の粒子サイズは、一般的には、約１～２０ナノメートルの範囲にあるが、オプションとして、約１～１００ナノメートルの範囲である。金ナノメッシュ３ｕの粒子サイズは、一般的には、約２０～２００ナノメートルであり、その細孔３ｐの寸法（サイズ）は、約０．１～１ナノメートルである。基板３ｆは、光学的に透過な材料から作られ、ある実施形態において、それは、焼結によって透明性を提供する材料（たとえば、セラミックス）で作られ、約０．１～１ナノメートルの厚さを持つ、薄膜によって実現される。
【0050】
ある実施形態において、メタ材料層３ｍは、ＶＯ２ナノ粒子で作られ、それは異なる種々の形状を持ってよい。ある実施形態における光学スイッチ３の幾何学的寸法は、直径が約数百ナノメートルであり、オプションとして、約１００～５００ナノメートルであって、それは、前述したように利用できる光学スイッチの幾何学的寸法よりも著しく小さい。テラヘルツレートスイッチング速度用の（たとえば、酸化バナジウム材料に基づく）この小さいサイズの光学スイッチは、データ記憶、データ通信および遠距離通信技術を変化できる解決策を提案することによって、テラヘルツ高速スイッチング用の幾つかの技術的障害を克服できる。
【0051】
図１Ｂは、ある可能な実施形態による光学スイッチ１０の構造および動作を概略的に示す。この非制限の例において、メタ材料の薄い層３ｍは、薄い基板（図示せず）上に被着され、信号源８によって生成された信号にさらされるように構成された金メッシュ（図示せず）によって少なくとも部分的に覆われる。光学スイッチ１０は、ある実施形態において、メタ材料３ｍの少なくともある部分、または、全体表面上に適用された平行金属線によって形成された光学格子１１を備え、（たとえば、周波数変換のための）表面非線形プロセスを高める。格子１１は、機械的または化学的浸食によって作られる。
【0052】
金属格子１１間の距離ｄは、差波長の位相整合された入力放射１０ａのために構成され得、反応位相整合されたコヒーレント出力放射１０ｂを提供する。この距離ｄは、典型的には、入力放射１０ａ（たとえば、ＲＦ、マイクロ波、テラヘルツ）の波長よりも実質的に短くなるように設定され、たとえば、ある実施形態において、約１０マイクロメートルであり、それによって、入力放射１０ａのすべての入力波長が、光学的スイッチ１０を通過して、コヒーレントで位相整合された出力放射１０ｂをもたらすことを保証する。
【0053】
光学スイッチ１０のメタ材料３ｍに印加される信号源８からの信号８（電磁光／ＲＦ／マイクロ波放射または電子／電界）は、ナノメッシュの金粒子からナノ材料層３ｍへ熱電子を放出させ、ピコ秒よりも短い時間間隔で、メタ材料３ｍを不透明な相から透明な相へ変化させる。メタ材料層３ｍの相変化は、装置１０の一方の側へ向けられる入力電磁放射１０ａを変調して、装置１０の他方の側で、電磁放射の位相シフトした出力１０ｂを生成するために使用され得る。
【0054】
信号源８は、光学スイッチ１０に、たとえば、光混合器または周波数乗算器を使用して、物理的に結合され、または、入力電磁放射１０ａの印加前の近接、たとえば、（たとえば、スイッチ装置１０と物理的に接触しない）光混合器または周波数乗算器を使用する信号源によって実現されてよく、テラヘルツ周波数範囲の近くおよび／または内の、たとえば、≧４００ＧＨｚおよび４０ＴＨｚまでの、パルス信号を発生することができる。図１Ｃは、入力電磁放射１０ａと光学スイッチ１０から出力される電磁放射１０ｂとの間で得られる位相シフトを、グラフを用いて図示し、破線プロット１０ｃによって示される計算とぴったりと合う。
【0055】
図２は、ある可能な実施形態による光学スイッチ７を概略的に示す。光学スイッチ７は、ＥＭＲ源９（たとえば、レーザ光発生器）によって発生された電磁放射（ＥＭＲ）９ｄを通過するように構成された波伝導基板７ｔと、伝達可能な基板７ｔの少なくともある部分に光学的に結合されたメタ材料ナノ粒子層７ｕと、メタ材料層７ｕの少なくともある部分上に適用されたナノメッシュ層７ｖとを備える。波伝導基板７ｔは、完全内部反射（ＴＩＲ）によって、たとえば、適当な光学的に伝達可能な材料および／または被覆金属板（図示せず）を使用して、その長さに沿ってＥＭＲ９ｄを通過するように構成され得る。
【0056】
信号源８によって発生され、ナノメッシュ層７ｖに印加される、変調（ＥＭＲ光、ＲＦ、マイクロ波、テラヘルツまたは電気）信号８ｒは、メタ材料層７ｕを、その光学的に不透明な相と透明な相との間で切り換えるために使用され、対応して、波伝導基板７ｔの内部反射特性を、光学的に反射状態と非反射（または部分的反射）状態との間で変化を起こし、それによって、印加された変調信号８ｒによって入力ＥＭＲ９ｄを変調する。
【0057】
ある実施形態において、電磁放射源および／または変調信号源８は、国際公開第２００７／１３２４５９号および／またはこの同じ出願人の米国特許第９９６４４４２号明細書に記載され図示された技術および／または実現を利用し、その開示をここに取り込む。ここに開示された装置によって生成される変調されたＥＭＲは、限定されることなく、受動検出器や能動検出器のような、この技術の検出器の状態によって検出され得る。
【0058】
ある実施形態において、負の屈折を制御可能に引き起こすように構成されたメタ材料は、電磁放射を変調するために使用される。例えば、可能な実施形態において、メタ材料は、光ファイバの、または、光共振器の伝達可能なコアのある部分に光学的に結合され、それによって、それを通過する光の位相は、メタ材料の少なくともある部分に適用された金ナノメッシュへの変調信号（８ｒ）の印加によってシフトされる。そのような光学スイッチ／変調器の目的は、高い変調効率と、低いパワー変調信号（８ｒ）、たとえば、電圧と、低い挿入損失と、高いＯＮ／ＯＦＦ速度と、「伸縮」波長を持つ大きい変調と、無視できるほどのまたは制御可能な周波数チープ（chirp）と、長い寿命とを含む。
【0059】
図３は、ある可能な実施形態による光学変調装置１７を概略的に示す。変調装置１７は、変調器１７に入力ＥＭＲ９ｄ（入力Ａ）を導入するように構成された入力波線２２ａと、入力ＥＭＲ９ｄを第１および第２の波線２２ｆ、２２ｓへそれぞれ分岐するための光学スプリッタ２２ｐと、第２の波線２２ｓに光学的に結合された光学変調器３０と、第１および第２の波線２２ｆ、２２ｓに沿って伝わるＥＭＲを出力波線２２ｂ（出力Ｃ）に合成する光学合成器２２ｃとを備える。光学変調器３０は、信号源８からの受信した変調信号（入力ｂ）に応答して第２の波線２２ｓを通過するＥＭＲを制御可能に変更して、それに応答的に位相シフトを導入するように構成されている。このように、第１および第２の波線からのＥＭＲは、信号源８からの変調信号に応答して、光学合成器２２ｃによって構成的に或いは破壊的に合成され、それによって、入力ＥＭＲ９ｄを光学的に変調する。光学変調器３０は、以上および以下に述べる光学スイッチ／変調器のいずれかを利用して実現され得る。
【0060】
図４Ａは、リングＷＧＭ共振器２８を利用する光学変調器２０を概略的に示す。リング共振器２８は、入力ＥＭＲを共振器２８に導入するように構成された、入力波線２２ａに光学的に結合され、かつ、共振器２８によって変調された出力ＥＭＲを共振器２８から受信するように構成された、出力波線２２ｂに光学的に結合されている。リング共振器２８は、その光学的に伝達可能なコアの少なくともある部分に光学的に結合されたメタ材料アセンブリ２３を備える。メタ材料アセンブリ２３は、（角度αによって規定する）共振器２８ｃの中心／対称軸について、および／または（角度βによって規定する）その円軸２８ｒについて規定される、規定した角度／円弧部分に結合され得る。オプションとして、メタ材料アセンブリ２３は、リング共振器２８の全体の横断周囲（β＝３６０°）に光学的に結合される。
【0061】
メタ材料アセンブリ２３は、リング共振器２８のコア材料の壁部の（または全ての上の）少なくともある部分上に適用された、メタ材料（たとえば、ＶＯ２）ナノ粒子の層２３ｖと、メタ材料ナノ粒子層２３ｖの少なくともある部分に適用された金ナノメッシュ２３ｕとを備える。ナノメッシュ２３ｕは、信号源８からの変調（電磁および／または電気）信号を受信して、入力波線２２ａによってそこに導入されたＥＭＲを変調するために、メタ材料ナノ粒子層２３ｖを、その光学的に伝達可能な状態と光学的に伝達不可能な状態との間で応答的に変化するように構成される。
【0062】
図４Ｂは、異なる周波数（たとえば、光および／またはテラヘルツ信号）の、２つの入力ＥＭＲデータ搬送波Ｆ１およびＦ２間の波長ギャップを橋渡しするように構成された、複数の光学的に結合されたＷＧＭ共振器４１、４２、４３、および４４を利用する光学変調装置４０を概略的に示す。変調器４０は、ＥＭＲ搬送波Ｆ１およびＦ２を、それぞれ、例えば、近接によって、すなわち、ＷＧＭ共振器４１を物理的に接触することない光学的な結合によって、主／変調ＷＧＭ共振器４１に導入するように構成された、各入力波線４５および４６を備える。ＷＧＭ共振器４１は、ある実施形態において、誘電体材料から作られ、その内壁は、メタ材料アセンブリ２３によって覆われ、すなわち、電気的に伝導するナノメッシュ（たとえば、金製の）によって覆われたメタ材料ナノ粒子（たとえば、ＶＯ２）の層から成る。
【0063】
主ＷＧＭ共振器４１は、入力線４５および４６に沿って伝達する変調したＥＭＲ搬送波Ｆ１およびＦ２をトラップし、それらがメタ材料アセンブリ２３によって覆われたＷＧＭ共振器４１の内壁に沿って共振するように、それらの周波数を一方から他方へ結合し、主ＷＭＧ共振器４１に光学的に結合された出力線４７を通してＥＭＲ放射を出力するように構成される。したがって、出力波線４７に沿って伝播する出力ＥＭＲは、変調したＥＭＲ搬送波を結合して、出力ＥＭＲ（Ｆ１＋Ｆ２）を提供する。これは、ある実施形態において、ランダム表面充電によるＥＭＲマージ効果をもたらして、表面上の平衡局部状態を可能にする、非線形プロセスを容易にするように構成された格子によって達成される。このように、実質的に異なる波長のＥＭＲ間のクロストーク／合成は、（たとえば、ＲＦおよびテラヘルツ）容易にされる。格子（たとえば、金属格子（図示せず））は、図１Ｂにおいて明示されたような、メタ材料アセンブリ上に適用され得る。
【0064】
補助ＷＧＭ共振器４２、４３、および４４は、誘電体材料から作られ、その内壁は、メタ材料アセンブリ２３によって覆われる。補助ＷＧＭ共振器４２、４３、および４４は、主ＷＧＭ共振器に（近接によって）光学的に結合されるが、それらの幾何学的寸法は、前に規定した方法で主／変調ＷＧＭ共振器４１の内側にトラップされた合成したＥＭＲを成形して、例えば、搬送波と変調した情報のスペクトル変化に（情報のない）パターンを加えることによって、出力波線４７に沿って伝播する出力ＥＭＲを受信する、受信機（図示せず）で合成した信号を復調するために使用される放射パターンを導入するように構成され、それは通信における誤りを防止する役目をする。
【0065】
このように、異なる周波数（たとえば、ＲＦ、マイクロ波、および／またはテラヘルツ）を持つ多数のＥＭＲ搬送波は、単一のＥＭＲ搬送波に光学的に合成され、受信機へ向けて送信される。ＷＧＭ共振器４１、４２、４３および４４は、この非制限の例において、楕円面として示されているけれども、他の構成および形状が、同様に使用され得る。主楕円面ＷＧＭ共振器４１の寸法は、一般的に、約１０～１５０ミクロンであり、補助楕円面ＷＧＭ共振器４２、４３および４４の寸法は、一般的に、変調を防ぐために、主／変調楕円面４１よりも小さくしうる。
【0066】
図５Ａは、２つの変調信号を受信して、それらを１つのＥＭＲ搬送波、この特殊で非制限の例では、テラヘルツ搬送波ＴＨｚ１、ＴＨｚ２、・・・に合成するように構成された光学変調器１７’を利用する光学データ通信システム３３を概略的に示す。光学変調器１７’は、図３Ａに示される光学変調装置（１７）の配列によって、または、異なる波長を持つ複数のＥＭＲ波ＴＨｚ１、ＴＨｚ２、・・・を光学的に変調するために変更された、図４Ａおよび／または図４ＢのＷＧＭ共振器に基づく変調器の実現によって、実現され得る。
【0067】
この例における変更した光学変調装置１７’は、光学変調装置３０を備え、波線２２ｆおよび２２ｓの各々において、２つのそれぞれの変調信号によって各光学変調装置１７’に導入するＥＭＲを光学的に変調して、ブランチ変調を実行し、各ブランチは、そのそれぞれの光学変調ユニット３０によって分離したデータチャネルを実現する。このシステム３３は、光学変調装置１７’の第１の組３９を備え、光学変調装置の各々は、トランスポンダ２６からの２つの変調信号で、各ＥＭＲ搬送波ＴＨｚ１、ＴＨｚ２、・・・を位相シフトによって受信および変調するように構成される。トランスポンダ２６は、光学変調装置３９の第１の組の各変調装置１７’に対して２つの変調信号を発生するように構成される。
【0068】
光学変調装置の第２の組３８は、波線３６ｘを通過する光源（たとえば、レーザ源）からのＥＭＲを変調するように構成される。光学変調装置の第２の組３８の各光学変調装置１７’は、波線３６ｘにおけるＥＭＲを変調するための光学変調装置の第１の組３９の光学変調装置１７’によって生成された、２つのそれぞれの変調した光学信号を受信するように構成される。光学変調装置の第２の組３８によって発生される変調したＥＭＲ（複素数信号と呼ばれる）は、アンテナ送信ユニット３６によって放出され得、そのアンテナ送信ユニットは、複素数信号を空気インタフェース上に放出するように構成される。チューニングユニット３７は、変調した信号をＥＭＲ搬送波の帯域幅に適合するための効率のいいシャノン相関のために、オプション的に使用される。
【0069】
図５Ｂは、異なる周波数の２つのＴＨｚ信号を混合するために構成された複数の光学変調チップユニット５０を備える光学データ通信システム３５を概略的に示し、チップユニットの各々は、焦点プリズムによって導かれ、かつ多数チャネルの創造のためのシフトプリズムによって分配された、（たとえば、光／レーザ源からの）入力ＥＭＲ５１のそれぞれの特殊なバンドと、信号統合のための合成ユニット３９からの（たとえば、光／レーザ源からの）入力ＥＭＲ５２とを受けて、それをそれぞれのテラヘルツ波ＴＨｚ１、ＴＨｚ２、・・・へ変調するように構成される。光学変調チップユニット５０は、以上で説明したような、２つのＥＭＲデータ搬送波からＥＭＲを結合して、２つのデータ搬送波を合成するそれぞれのテラヘルツ出力ＥＭＲを発生するように構成された、図４Ｂに示されるＷＧＲ共振器４０によって実現され得る。
【0070】
図５Ｃは、更に他の光学データ通信システム３４を概略的に示し、それぞれの光学変調装置１７’は、図５Ｂに示されるシステム３５の各光学変調チップユニット５０に光学的に結合される。この非制限の例において、光学変調装置１７’は、ＲＦ信号を入力ＥＭＲ５１上に合成するために利用され、その入力ＥＭＲは、それから、それぞれの光学変調チップユニット５０によって、合成器３９からのＥＭＲ入力搬送波５２と合成され、それぞれＴＨｚチャネルを生成する。
【0071】
以上および以下において説明されるように、本出願の光学変調／スイッチ装置は、信号の物理的性質に従って動作できる、変調技術を導入し、光学変調／スイッチの実施形態は、たとえば、ＲＦおよびテラヘルツバンドにおける、広く分離された波長間のクロストーク／合成を容易するために使用され得る。
【0072】
光学ＲＦおよび／またはＴＨｚは、単に、新しい装置の広いアレイを含む、１つのカテゴリである。ある実施形態において、ささやきギャラリモード（ＷＧＭ）光共振器およびＴＨｚ共振器が、入力ＥＭＲを変調するために使用される。これら装置がどのように製造され使用されるかを理解することは、これらの性能および限界を正しく理解するために重要である。したがって、この明細書のこの部分は、共振器センサ（送信機および受信機）のこのクラスを導入し、これらの装置が、一般的にデータのＴＨｚ通信のため、および、特に、高速通信のための実行可能な解決策としてデータセンタのために、どのように使用されるかを説明する。
【0073】
ＷＧＭ光共振器は、同調性および狭い共振線幅を示し、ある実施形態において、変調装置のような遠距離通信のためのそれをもともと使用するために導入される、特別の光学特性強度を達成する。それらは、非線形光学現象や量子電気力学原理を調べるための高価な道具に発展される。ある可能な実施形態において、ＷＧＭ光共振器は、以下に説明するような、光通信変調器を実現するために使用される。これらの実施形態は、限定されることなく、それらの舞台におけるそれらの極限の感度が、分析および診断器具を発展するために活用され得るとき、通信生化学分析、生物医学分析、化学および分子生物分析として使用され得る。
【0074】
ＷＧＭ共振器は、それが空洞において循環するように、共振する光が取る経路からその名前に由来している。この経路は、音波が、レイリー卿によって研究された円形部屋の湾曲した壁に沿って取るものと同様である。これらささやきギャラリにおいて、部屋の反対側で壁に面して立っている２人の人間は、ちょうどささやき声で互いに聴くことがきる。これらの人々は、もし部屋の中央に向かって後方に歩くなら、互いに聴くことができないだろう。この効果は、大きな効率で部屋の周囲の回りを音波を案内する、滑らかで湾曲した壁によって、引き起こされる。聴取者に任意の他の経路を取る音波は、ルートに沿って消散され、または散乱される。
【0075】
ＷＧＭ光共振器は、ささやきギャラリにおいて一人の人から他の人へ伝達する音波によって取られるのとの同様に、周囲の回りの経路において光をトラップできる、誘電体構造である。レイリー卿の研究の前に、ＭｉｅとＤｅｂｙｅが誘電体球面の共振する固有周波数を述べているけれども、この名前は、さらに後まで、光共振器のこのタイプに適用されない。
【0076】
ここに開示された光学スイッチ／変調器の実施形態は、現代のデータネットワーク、たとえば、クラウドにおいて管理される応用やデータ保管場所として必要とされる、スケーラビリティと適応ネットワーキングを提供するためのデータセンタにおいて利用され得る。データセンタのエネルギ効率を決定するための共通に使用される測定基準は、電力使用有効性、すなわち、ＰＵＥである。この簡単な比は、データセンタに入る総計電力を、ＩＴ機器によって使用される電力によって割ったものである。
【数1】
【0077】
総計設備電力は、ＩＴ機器によって使用される電力に、コンピューティングまたはデータ通信装置を考慮しない何か（すなわち、冷却、照明など）によって消費される任意のオーバヘッド電力とをプラスしたものから成る。理想的なＰＵＥ値は、零オーバヘッド電力の仮想の状況に対して１．０である。米国における平均データセンタは、２．０のＰＵＥを持ち、それは、設備が、ＩＴ機器に伝えられる毎ワットに対して、総計電力（オーバヘッド＋ＩＴ機器）の２ワットを使用する、ことを意味する。最新データセンタエネルギ効率は、概略１．２であると推定される。マイクロソフトやヤフーのような、ある大きなデータセンサオペレータは、開発において設備に対するＰＵＥの予想を発表しており、グーグルは、オペレーションにおけるデータセンタからの実際の効率性能を年４期に分けて発表している。
【0078】
エネルギ効率は、ここで開示される実施形態の幾つかに対してキー特徴である。米国環境保護局は、独立または大きなデータセンタに対してエネルギスター格付けを持つ。エコ表示に対する資格を得るために、データセンタは、すべての報告された設備のエネルギ効率の上位４分の１に入っていなければならない。欧州連合は、またデータセンタに対してEU Code of Conductとして知られる同様のイニシアチブを持つ。
【0079】
しばしば、データセンタにおけるエネルギ使用を抑制する方向の第１のステップは、どのようにしてエネルギがデータセンタにおいて使用されているかを理解することである。多くの種類の分析が、データセンタエネルギ使用を測定するために存在する。測定される様相は、ＩＴ機器それ自身よって使用されるエネルギだけでなく、冷却装置やファンのような、データセンタ施設機器によって使用されるエネルギも含む。
【0080】
電力は、データセンタのユーザに対する最も大きな循環するコストである。熱評価とも呼ばれる電力および冷却分析は、特殊な周囲温度を処理するための冷却システムの能力ばかりでなく、特殊な領域における相対的な温度をも測定する。電力および冷却分析は、大きい電力使用密度、装置負荷のブレークポイント、持ち上げられた床戦略の有効性、およびデータセンタを横断する温度のバランスを保つための（ＡＣ装置のような）最適な装置ポジショニングを処理できる、ホットスポット、過冷却領域を識別するのを助けることができる。電力冷却密度は、どのように多くの四角フィートで、センタが最大能力で冷却できるかの測定値である。
【0081】
エネルギ効率分析は、データセンタＩＴと設備装置とのエネルギ使用を測定する。典型的なエネルギ効率分析は、産業標準に対するデータセンタの電力使用有効性（ＰＵＥ）のような要因を測定し、非能率の機械的および電気的源を識別し、空気管理測定基準を識別する。
【0082】
ＴＨｚデータ速度データ通信用のここで開示された光学スイッチ／変調器の機会を調べるために、ここで開示されたようなデータ通信システムは、利用する多数ホップ通信を発明され得、ネットワーク内のノードは、受動中継器と能動中継器の両方を持つＴＨｚ通信の、ソースノードと宛先ノードとの間の中継ノードとして働く、２またはそれ以上の他のノードの助けで、通信できる。ＴＨｚバンド周波数で送信機と受信機との間の中間中継器を使用することの利点は幾つかある。任意の無線通信システムにおけるように、送信電力と、従って、エネルギ消費とは、送信機と受信機との間に幾つかの中間ホップを持つことによって、削減され得る。加えて、利用できる帯域幅の唯一の距離依存動作のために、伝送距離の削減は、結果として、多くの広いバンドの利用可能性と、従って、多くのより高いビットレートでの伝送とを生じる。それらは更にもう一度、大幅なエネルギ節約を与えることができる。
【0083】
以上で述べたように、ここで開示された実施形態は、放電結合対通常伝導性に基づいて動作するように構成された、新しいタイプの光伝導体を開発するために使用され得る。
【0084】
振興のウェアラブルナノセンサネットワークは、生物医学および環境分野における一組の価値の高い応用を可能とする。同時に、通信技術の現在の状態は、将来のナノ機械の処理する能力を制限する。その結果として、収集したデータの分析のすべてをマイクロ装置上で実行するのを必要とすることを暗示する。従って、ナノネットワークの待望の応用を効率的に可能とするために、既存のネットワーキングインフラストラクチャへのそれらのシームレスな統合が必要とされ、Internet of Nano Thingsの概念を導く。この出願の実施形態において、既に開発されたマイクロネットワークと振興のナノネットワークとの間の相互情報交換可能性は、未熟ではるが、予備的に研究されている。
【0085】
まだ、この問題の解決策は、既存のマイクロ無線ネットワークが搬送波ベースの電磁通信を主として使用しているので、自明ではなく、ナノ機械は、情報搬送波として、超低電力パルスに基づくＥＭ放射または本来的に移動物体を当てにしなければならない。従って、マイクロネットワークとナノネットワークとの間の直接相互作用は、現在のところ、実現できておらず、空間ゲートウェイノードを使用することを強制する。更に、ナノ通信用の現代の解決策は、既存のリンクレベル技術のトップ上の大きいスケールのネットワークの建造を可能する為に迅速に改善される。たくさんの理論的な質問が、この目標を達成するために取り組まれ、適切な変調の設計からの変動や、雑音および干渉効果の緩和へのコーディング技術がある。ここに開示された実施形態は、同様にこの分野に対してゲートウェイを提供する。
【0086】
メタ材料に基づくスイッチ／変調器（たとえば、ＰＳ時間範囲でのメタ材料の不透明状態と透明状態との間に遷移するためのＶＯ２粒子を使用する）を、ＷＧＭ共振器（たとえば、ＰＡＮＤＡ共振リング）に組み合わせることは、高速な光データ通信実現と、生物、化学、材料科学、ナノネットワーク等の分野における応用範囲用のテーラーアンテナとを提供できることに注意されたい。
【0087】
以上に述べられ、関連する図面において示されるように、本出願は、テラヘルツデータ通信速度用の光学スイッチおよび変調器と、それを製造するための方法を提供する。本発明の特定の実施形態について述べてきたけれども、本発明はそれに限定されず、変形例が、当業者によって、特に上記の教示を考慮してなされると理解されたい。当業者によって正しく認識されるように、本発明は、特許請求の範囲の超えることなく、上述したものから１つ以上の技術を利用して、多くの種類の方法において実施され得る。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】