BR102015010964A2

BR102015010964A2 - circulador t baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada

Info

Publication number: BR102015010964A2
Application number: BR102015010964A
Authority: BR
Inventors: Gianni Masaki Tanaka Portela; Leno Rodrigues Martins; Victor Dmitriev
Original assignee: Univ Fed Do Pará
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-01
Also published as: WO2016172780A1; EP3290978A1; US10168557B2; US20180120598A1; EP3290978B1; EP3290978A4

Abstract

circulador t baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada. a presente invenção baseia-se em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede quadrada de cilindros dielétricos imersos em ar onde são inseridos, de forma controlada, defeitos que originam três guias de ondas e uma cavidade ressonante. a cavidade é composta por um cilindro de ferrite, com propriedades magneto-ópticas, e por dois cilindros dielétricos próximos ao de ferrite. possui a função de transmitir sinais eletromagnéticos em um sentido desejado (horário ou anti-horário), definido pelo sinal de um campo magnético externo dc h0.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO “CIRGULADOR T BASEADO EM UM CRISTAL FOTÔNICO BIDIMENSIONAL COM REDÊ QUADRADA”.

[001] A invenção apresentada refere-se a um drculador no formato T com baixa simetria baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada.

[002] Cristais foíônicos sâo estruturas periódicas construídas com materiais que apresentam diferentes índices de refraçâo. Em tais estruturas, há uma faixa de frequências proibida, conhecida como photonic bmd gap. Ondas eletromagnéticas com frequência localizada dentro desta faixa sio refletidas peto cristal. A ocorrência desse fenômeno é aproveitada para o projeto da maioria dos dispositivos que se baseiam em cristais fotônicos.

[003] Componentes não recíprocos, como isoladores e circuladores, sâo usados em sistemas de comunicações para reduzir reflexões indesejáveis que provocam instabilidade em geradores e amplificadores, bem como perda de desempenho nestes sistemas, [004] Por conta da nâo reciprocidade, os circuladores realizam a transmissão de sinais eletromagnéticos em um sentido (horário ou anti-horárIo) determinado pelo sinal (positivo ou negativo) de um campo magnético DC aplicado sobre os mesmos. Deste modo, em um circulador de 3 portas, por exemplo, pode haver os seguintes modos de operação (porta de entrada porta de saída): 1 2, 2 3 e 3 1 (sentido horário): ou 1 -> 3, 3 2 e 2 ^ 1 (sentido anti-horário).

Em um circulador ideal, a potência do sinal presente na porte de entrada é totalmente transferida para a porta de safda (sem perdas).

[005] Com a realização de pesquisas referentes ao desenvolvimento de novos dispositivos baseados em cristais fotônicos, algumas patentes relacionadas a circuladores baseados nestas estruturas já foram depositadas.

[006] Por exemplo, o circulador a que se refere a patente US2012Q243844 é construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede triangular de furos preenchidos com ar, inseridos em um material dielétríoo. A cavidade ressonante do mesmo é composta por um cilindro de material magneto-óptico e por furos com diâmetros alterados (quando comparados aos demais furos do cristal fotônico). O dispositivo em questto possuí três portas. I007| No relatório descritivo da patente ÜS20120251048 é apresentado um circulador com quatro portes que se baseia no acoplamento de duas cavidades ressonantes. Ambas as cavidades sio formadas por um cilindro de material magneto-ôptíco e por furos com diâmetros modificados.

[OOSJ Já a patente US20130223805 dii respeito a um circulador construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada de furos preenchidos ^m ar, Inseridos em um material dielétrico. A cavidade ressonante desse circulador caracteriza-se por apresentar quatro cilindros de material roagneto-ôptico ao redor de um cilindro dielétrico central e três cilindros dielétrlcos.com.diâmetos modificados.

[009] Todos os dispositivos supracitados são empregados, principalmente, para a realização da fon^io de isolaçâo, ou seja, da proteção de fontes de sinais contra reflexões parasites provenientes de cargas não casadas idealmente e conectadas a um sistema.de comunicais. |010| Em um circulador de três portas, por exemplo, supondo que na porta 1 esteja conectada uma fonte de sinais (entrada), na porta 2 o circuito que recteberá o sinal proveniente da fonte de sinais (salda) e na porta 3 uma carga casada idealmente, o circulador faz com que ocorra a situa<^o descrita abaixo. P11| Gonsiderarfoo a propagação no sentido horário (1 2, 2 -> 3 e 3 1), o sinal que provém da entrada (porta 1) será enviado para a saída (porta 2). Entretanto, reflexões parasitas que podem eventualmente ser originadas na saída (porte 2) não retornam para a entrada (porta 1). Elas serão direcãonadas para a porte 3, onde está conectada uma carga casada idealmente que as absorverá, protegendo a fonte de sinais conectada à porta 1.

[012] O dispositivo proposto, por ser baseado na tecnologia de cristais fotônicos, pode ser construído com dimensões reduzidas, favorecendo o aumento na densidade de integração de componentes em sistemas de comunicações.

[013] Quando comparado aos circuladores supracitados, o presente circulador possuí uma cavidade ressonante com geometria simplificada, tomando-o mais viável do ponto de vista da constiução e da produção em massa. Além disso, ele possui perdas reduzidas.

[014| O circuito de magnetizaçâo do circulador proposto é simplificado. Já que o circulador em questão opera com magnetizaçâo uniforme e um eletroími é capaz de cumprir esta função. A Intensidade do campo magnético DC gerado pelo eletroími é proporcional à intensidade da corrente que o atravessa.

[015] Entre as ^racterfsticas de desempenho do circulador desenvolvido, destacam-se as baixas perdas de inser^o entre a entrada e a saída, os altos níveis de isolaçâo da entrada em relação às reflexões parasitas oriundas da saída e a grande largura de banda de operação.

[016] De maneira geral, o dispositivo desenvolvido é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede quadrada de cilindros dielétrlcos imersos em ar. Neste cristal, são inseridos dois tipos-de.defeitos, a saben [017| a) Remoção de fileiras de cilindros (defeitos lineares), que dão origem aos guias de ondas;

[018] b) Alteração do raio, da posição e do índice de refração de cilindros díeiétricos localizados no centro do dispositivo (defeitos locais), que. originam a cavidade ressonante do mesmo.

[019] De maneira mais específica, o dispositivo possui as seguintes caracteristicas: [020] a) Para a frequência central de operação de 100 GHz, a cronstante de rede do cristel (a) é igual a 1,065 milímetros;

[021] b) O raio dos cilindros pertencentes à rede cristalina é igual a 0,2a;

[022] c) Os três guias de ondas são inseridos através da criação de três defeitos lineares;

[023] d) A cavidade ressonante é formada por um cilindro centrai de ferrite e por dois cilindros dielétrlcos próximos a este com diâmetros aumentados. O cilindro centrai é feito a partir de uma ferrite à base de nlquel-zinco e foi inserido em yma posiçio deslocada em relação ao eixo dos guias de onda horizontais.

[024] e) A ferrite é um material girotrópico, sendo descrito pelas seguintes expressões para a f^rmisslvidade elétriM e a permeabilidade magnética: P25]f) s = 12,&a: |G26| Onde: |G27J a) ε é a permissivldade elétrica do material (em Farads por metro); 1028] b) £q é a penriissividade elétri^ do espaço livre (em Farads por metro); [G29) c) |p] é o tensor permeabilidade magnética do material (em Henr^ por metro);

[0301 d) Po é a pemieabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);

[0311 e) i é a unidade, imaginária;

[032] 0 μ é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula: [0331,g) [034] h) k é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula: [035] i) [036] I) Os parâmetros e ω, sâo definidos pelas fórmulas a seguir: [037] k) = γΜο β =yH,;

[038] I) Mo é a magnetízaçio de saturado (398 quiloampère por metro), γ é a razão giromagnéflca (2,33 x 10® radianos por segundo/^ipère por metro), α é o fator de amortecimento (0,03175), ω é a ftequência angular (em radianos por s^undo) e Ho é a Intensidade do campo magnético externo DC aplicado (em quiloampère por troetro);

[039] m) O valor da relação k/μ é igual a 0,17. f040| A figura 1 mo^ra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 101.

[041| A figura 2 mestra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 102. |042| A figura 3 mostra a componente Ez do campo eletromagnétioo no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 103.

[043| A figura 4 apresenta, de forma esquemática, detalhes da geometria da cavidade ressonante que faz parte do dispositivo. f044| A figura 5 apresenta a resposta em frequência do dispositivo.

[045| Quando a excitação é aplicada na porta 1 (associada ao guia de ondas 101), há transmissio do sinal desta porta para a porta 3 (associada ao guia de ondas 103), com isolaçio da porta 2 (associada ao guia de ondas 102) devido ao alinhamento especial do modo dlpolo, conforme pode ser observado na figura 1; de modo semelhante, quando o sinal de entrada é aplicado nas portas 2 (figura 2) e 3 (figura 3), este é transferido para as portas 1 (com Isolado da porta 3) e 2 (com isolação da porta 1), respectivamente. Este caso corresponde à propagação no sentido anti-horário. Caso o sinal do campo magnético externo DC Ho seja invertido, a propagação de sinais ocorrerá no sentido horário (1 -> 2, 2 3 e 3 -> 1). 1046] Nos casos ilustrados nas figuras 1 e 2, pode-se observar que o modo dipolo estacionário excitado na cavidade ressonante é rotecionado por um ângulo de 45°, o que proporciona o isolamento das portas 2 e 3, respecíívamente. Por outro lado, no .caso ilustrado na. figura 3, é.mostrado que o modo dipolo estacionário não sofre rotação, fazendo com que o sinal de entrada, aplicado na porta 3 seja transferido para a porta 2, com isolamento da porta 1.

[047| Goro 0 objetivo de obter uma maior largura de banda foram realizados ajustes.na,estrutura central do dispositivo, que podem ser observados na figura 4. O raio do cilindro 401 foi aumentado em 0.10562a e o deslocamento deste em relação ao eixo dos guias de ondas 102 e 103 (áyi) é de 0.69086a. O cilindro 402 teve o raio reduzido em 0,0.1249a e foi deslocado verticalmente em relação ao eixo dos cilindros superiores (âya) em 0.2^3a. Os raios dos cilindros 403 e 404 foram aumentados em 0,07439a.

[04:81 A resposta em frequência do d-spositivo é apresentada na figura 5. Na frequência central normalizada cua/2rrc = 0,3499, as perdas de inserção são menores que -0,05 dB, 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 ftvre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo). Na faixa de frequências localizadas em torno de 100 GHz, a iargura de banda (definida no nível de -15 dB das curvas de isolamento) é igual a 62QWHZ para excitação na porta 1, 680MHz para excitação n.a porta 2 e 7'30MHz para excitação na porta 3.

REiVINDICAÇÔlS

Claims

1. Glrculador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, caracterizado por ter como base um cristal fotônico bidimensional no qual sio inseridos tris guias de ondas e uma cavidade ressonante e por realizar a transmissão de sinais eletromagnéticos em um determinado sentido (horário ou anti-horário), com o sentido sendo determinado pelo sinal de um campo magnético externo DC aplicado sobre o dispositivo.

2. CIrculador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar uma cavidade ressonante com estrutura simplificada, formada por um cilindro de. ferrite e por dois cilindros dielétricos próximos ao de ferrite, com diâmetros ampliados (quando comparados aos demais cilindros que compõem 0. cristal ·!οίόηίοο).

3. Circulador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que, na frequência central nomnalízada wa/2nc - 0,3499, as perdas de inserção são menores que -0,05 dB, enquanto que a largura de banda, definida para a faixa de frequências de 100 GHz, é Igual a 620MHz para excitação na porta 1, 680MHz para excitação na porte 2 e 730MHz para excitação na porta 3, no nível de -15 dB das curvas de isolamento.