BR102016013406B1 - Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de thz - Google Patents

Abstract

CIRCULADOR ELETROMAGNÉTICO CONTROLÁVEL BASEADO EM GRAFENO NA REGIÃO DE THZ A presente invenção é um circulador eletromagnético, que é um componente passivo não recíproco, o qual possui o papel de transmitir o sinal injetado na porta de entrada para uma determinada porta de saída, isolando as demais, quando submetido a um campo magnético DC. Como exemplo, foi projetado um circulador de três portas. Este dispositivo é baseado em grafeno, sobre substrato dielétrico e compreendido de um elemento ressonante ligado a três guias de ondas, também de grafeno, conectados a três portas. Uma de suas aplicações é proteger fontes de sinal contra reflexões oriundas da porta de saída, estas seriam transmitidas para outra porta, diferente da porta de entrada. O princípio de funcionamento é baseado em ondas plasmônicas guiadas nas fitas de grafeno, as quais excitam ressonâncias dos plásmons poláritons de superfície (SPP) no elemento ressonante central. A ressonância dos SPP no ressoador possui um perfil de dipolo que pode ser orientado de acordo com o sinal do campo magnético DC externo. As características do dispositivo, a exemplo da frequência central, podem ser controladas ao serem aplicadas dopagens químicas ou eletrostaticamente sobre o ressoador do grafeno.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um circulador eletromagnético baseado unicamente em grafeno e substratos dielétricos. Esta estrutura é formada por fitas de grafeno atuando como guias de ondas, dispostas sobre uma dada simetria e conectados a um elemento ressonador também de grafeno.

[002] A função de um circulador é conduzir um sinal eletromagnético na porta de entrada para uma específica porta da saída, isolando, assim, as demais portas. Como exemplo, um circulador de três portas recebe o sinal na porta 1 e transmite para a porta 2, isolando a porta 3. Se o sinal for incidido na porta 2, este é transmitido para a porta 3, isolando a porta 1. O mesmo ocorre no caso de a incidência ser pela porta 3: o sinal é transmitido para a porta 1, isolando a porta 2.

[003] Dentre as aplicações do circulador, pode-se destacar a proteção de fontes de sinal ligados ao dispositivo, dentro de um sistema digital maior. Isto é, reflexões provenientes no guia de saída (porta 2, por exemplo) seriam transmitidas para a outra porta (porta 3, por exemplo) ao invés de voltar para a porta de entrada (porta 1, por exemplo) na qual está ligada o gerador do sinal.

[004] Circuladores datam de meados do ano de 1950, quando se tem conhecimento do primeiro circulador comercial voltado para a faixa de microondas, que compreende a região de gigahertz (GHz). Circuladores nesta faixa de frequência são amplamente utilizados em escala industrial, nos dias atuais.

[005] A proposta da presente invenção é trabalhar na faixa de frequências da região de terahertz (THz, 0.1 THz a 10 THz). Esta região do espectro permanece ainda pouco explorada e possui vantagens sobre a faixa de GHz. Como, por exemplo, a taxa de transmissão em comunicação sem fio na região de THz pode chegar a 10Gbit/s, o que pode apresentar uma alta taxa de transferência de dados. Além disso dispositivos em THz possuem maiores larguras de banda e menos interferências sobre fatores atmosféricos. Dispositivos que operem nessa frequência podem apresentar uma largura de banda consideravelmente grande, baixa perdas de inserção, dimensões reduzidas e uma melhor transmissão de dados em relação a velocidade da informação.

[006] Há um pequeno número de invenções que operam nesta região espectral. Como exemplo, a patente CN103592711A apresenta um filtro operando em THz baseado em ondas plasmônicas. A estrutura consiste de um arranjo periódico de elementos metálicos de alumínio dispostos uns ao lado dos outros. Seu princípio de funcionamento é baseado na ressonância de ondas plasmônicas de superfície e operam com uma frequência central de 1 THz.

[007] Já a patente US20120243844A1, apresenta um circulador de três portas a base de cristal fotônico formado por um material dielétrico perfurado, formando cilindros de ar. Guias de onda no cristal conduzem o sinal a uma cavidade ressonante magneto óptica. A invenção opera na faixa de gigahertz (GHz).

[008] Semelhante ao dispositivo anterior temos a patente US8693823B2, o qual também consiste em um circulador de três portas a base de cristal fotônico.

[009] As invenções mencionadas apresentam circuladores e/ou dispositivos passivos semelhantes, contudo nenhum apresenta circuladores baseados em grafeno, que são estruturas capazes de suportar a propagação de Plasmonpolaritons de superfície (surface plasmon polariton - SPP) e que pode ser controlável por um campo elétrico. Estas são as características da presente invenção.

[010] A presente invenção consiste de um circulador de três portas a base de grafeno, sendo o seu princípio de funcionamento baseado na propagação Plasmon-polarítons de superfície, o qual consiste de oscilações de elétrons livres na interface entre o grafeno e o dielétrico, fazendo com que a energia eletromagnética seja localizada, confinada e guiada na interface entre condutor e dielétrico.

[011] A estrutura consiste em três guias de ondas acoplados a uma cavidade ressonante todos de grafeno, disposto sobre substrato dielétrico, não havendo a necessidade de inserir outros elementos metálicos. Este dispositivo tem como finalidade atenuar a influência nociva de reflexões sobre as fontes de ondas eletromagnéticas.

[012] Dentre as variações de configuração geométrica deste dispositivo, será apresentado, a seguir, um exemplo de um circulador de três portas baseado em grafeno. Neste exemplo, os guias de onda estão dispostos sob ângulos de 120° e conectados a uma cavidade ressonante no formato circular.

[013] A frequência de operação do dispositivo possui dependência primária com as dimensões físicas do ressonador central e, por conseguinte, com o tamanho dos guias de onda. Esta frequência de operação pode ser deslocada se forem alteradas essas dimensões, o que é condizente com o, bem estabelecido, princípio da escalabilidade das equações de Maxwell para o eletromagnetismo. A seguir apresentar-se-á uma das configurações possíveis para o qual o circulador pode operar.

[014] Como exemplo, para o dispositivo operar em uma frequência central de 8,25 THz, deve-se escolher as seguintes dimensões físicas: a) Três nanofitas de grafeno com 140 nm de largura na entrada da porta e 200 nm de largura na saída (conectada ao ressonador) e 600 nm de comprimento. b) Uma estrutura ressonante de grafeno com raio de 320 nm. c) Substrato de sílica com permissividade elétrica de 2,09 e 600 nm de espessura e outro de silício de permissividade elétrica de 11,9 e espessuras de 200 nm.

[015] A modelagem do grafeno foi feita através do tensor condutividade elétrica do grafeno dado por:

Em que:

Onde: a) 𝜎0 é a condutividade mínima do grafeno (em Siemens); b) 𝜔𝑐 é a velocidade de ciclotron (em um por segundo); Dada por:

Sendo que: c) e é a carga do elétron (em Coulomb); d) B é o campo magnético (em Tesla); e) vF é a velocidade de Fermi (metros por segundo); f) π é igual a 3,14; g) h é a constante de Planck (em Joule vezes segundo); h) co é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo); i) r é o inverso do tempo de relaxação do grafeno (em Hertz); j) eF é o potencial químico aplicado a folha de grafeno (em eletronvoltz); 1) i é a unidade imaginária.

[016] A seguir serão apresentadas as figuras que ilustram o funcionamento do dispositivo.

[017] A figura 1 apresenta o diagrama esquemático para um circulador de 3 portas.

[018] A figura 2 ilustra a operação do circulador com e sem magnetização e pelo sinal injetado por diferentes portas.

[019] A figura 3 mostra a resposta em frequência do dispositivo.

[020] A figura 4 apresenta a dependência da frequência de operação, largura de banda e das perdas de inserção com a energia de Fermi do grafeno.

[021] A figura 5a e 5b representam respectivamente o módulo do campo magnético em função da dimensão perpendicular e a distribuição de campo elétrico, ambos na interface grafeno-SiO2.

[022] A seguir será apresentado o princípio de funcionamento do dispositivo.

[023] As portas 101,102 e 103 na Fig. 1a, excitam ondas plasmônicas na interface grafeno-dielétrico. A descontinuidade entre o grafeno-dielétrico induz modos particulares de oscilações de plasmons, conhecidos como (surface plasmon polariton - SPP), os quais são guiados pelos guias de onda de nanofitas de grafeno 104 e excitam ressonâncias plasmônicas com perfil de dipolo no elemento ressonante, também de grafeno 105, apresentados na mesma figura. A estrutura é colocada sobre um substrato de SiO2 106 que, por sua vez, está sobre um substrato de Si 107. O Campo de SPP é evanescente e perpendicular à interface do grafeno-SiO2, apresentando um decaimento exponencial tanto dentro do grafeno como no dielétrico.

[024] Para o caso da estrutura sem magnetização, o sinal injetado na porta de entrada 101 na (Fig. 2a), é dividido para as demais portas de saída 102 e 103.

[025] Um campo magnético DC de 1,1 T altera o ângulo de orientação do dipolo em 60°, ficando, assim, alinhado à porta de saída. Como exemplo, o sinal injetado na porta 101 é transmitido para a porta 102, isolando a porta 103, na figura 2b.

[026] Mantendo o mesmo valor de campo magnético sobre a estrutura, e modificando-se a porta em que o sinal injetado, o circulador transmite ou isola portas diferentes. Como exemplo, se o sinal for injetado pela porta 102, é transmitido à 103, isolando a 101, como mostra a figura 2c. Da mesma forma, se o sinal for incidido sobre a porta 103, este transmite para a 101, isolando a 102.

[027] Para o caso apresentado na figura 2b e uma energia de Fermi igual a 0,15 eV, o dispositivo apresenta uma transmissão de -1,2 dB na frequência central de 8,25 THz e isolamento de - 33 dB, com largura de banda de 6,98 % no nível de - 15 dB. Como mostra a figura 3.

[028] Variando a energia de Fermi do grafeno, via campo eletrostático, por exemplo, pode-se controlar a frequência central do dispositivo. Aumentando-se este valor de 0,15 eV para 0,20 eV, pode levar o dispositivo a operar em uma frequência central de 9,4 THz, enquanto que diminuindo para 0,12 eV, o dispositivo passa a operar com uma frequência de 7,3 THz. Como mostra a figura 4.

[029] Por outro lado, deve-se ter em mente os valores da largura de banda das perdas de inserção, ambas apresentadas na figura 4, na frequência desejada.

[030] Nas figuras 5a e 5b é mostrado o comportamento do módulo do campo magnético com respeito a coordenada perpendicular, evidenciando tanto o decaimento com perfil exponencial, como também uma alta concentração de campo na interface grafeno-dielétrico, o que é característico de ondas plasmônicas.

Claims (5)

1. Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de THz, entre 0,01 THz e 10 THz, caracterizado por ser baseado unicamente em grafeno (104 e 105) sobre substrato dielétrico (106 e 107).

2. Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de THz, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir guias de onda de grafeno (104) conectados a um elemento ressonante, também de grafeno (105), onde são excitadas nos guias de onda de grafeno (104) oscilações de plásmons de superfície, produzindo ressonâncias plasmônicas com perfil de dipolo no elemento de grafeno ressonante (105).

3. Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de THz, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por possuir 3 portas (101, 102 e 103) dispostas sob ângulo 120°, transmitindo o sinal eletromagnético ao longo de nanofitas de grafeno (104) a partir de qualquer uma das referidas portas (101, 102 ou 103), de acordo com a aplicação de um campo magnético DC externo de 1,1 T.

4. Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por serem excitadas nos guias de onda de grafeno (104) oscilações de plasmons de superfície (surface plasmon polariton - SPP), produzindo ressonâncias plasmônicas com perfil de dipolo no elemento de grafeno ressonante 105.

5. Circulador eletromagnético controlável baseado em grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que uma frequência central de 8,25 THz, com transmissão de -1,2 dB, ser ajustada via campo eletrostático entre as frequências de 7,3 THz a 9,4 THz, aplicando-se diferentes valores de energia de Fermi na estrutura de grafeno que vão de 0,12 eV a 0.2 eV.

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