BR102018069165A2

BR102018069165A2 - CHAVE ELETROMAGNÉTICA CONTROLÁVEL NA FAIXA DE THZ BASEADA EM GRAFENO COM GUIAS DE ONDA COM DOBRAMENTO DE 90º ACOPLADOS A UM RESSONADOR CIRCULAR

Info

Publication number: BR102018069165A2
Application number: BR102018069165-1A
Authority: BR
Inventors: Victor Dmitriev; Wagner Ormanes Palheta Castro
Original assignee: Universidade Federal Do Pará; Universidade Federal Rural Da Amazônia
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-31

Abstract

chave eletromagnética controlável na faixa de thz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90º acoplados a um ressonador circular a presente invenção baseia-se em uma chave eletromagnética na faixa de thz, com a finalidade de conduzir (estado on) ou impedir (estado off) que o sinal eletromagnético seja transmitido de uma porta para outra. o dispositivo consiste de um ressonador circular e dois guias de onda formando um ângulo de 90° entre si, acoplados frontalmente ao ressonador, o qual estão depositados sobre substrato dielétrico. o dispositivo em questão baseia-se em ressonâncias de plásmons polárintons de superfície (spp) no ressonador com perfil de modo dipolo, que pode ser orientado de acordo com a aplicação de um campo magnético dc externo. no estado off, em que o ressonador de grafeno não está magnetizado, um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante, podendo ser descrito como a soma de dois modos de contra rotação com frequências iguais. desta forma, o nó deste modo ficará alinhado com o eixo do guia de onda da porta de saída, evitando desta forma, que o sinal eletromagnético seja transmitido para a porta de saída e seja refletido para a porta de entrada. já no estado on, em que há aplicação de um campo magnético dc externo normal ao plano do ressonador de grafeno, ocorre a divisão das frequências dos modos de contra rotação, formando assim, um perfil de modo dipolo estacionário orientado de um ângulo ¿=45° em relação a porta de entrada. consequentemente, o sinal eletromagnético será transmitido para a porta de saída. as características do dispositivo podem ser controlas dinamicamente, mudando a densidade de carga do material através da variação da fermi do grafeno, devido a uma tensão de polarização aplicada entre a camada de grafeno e o substrato.

Description

CHAVE ELETROMAGNÉTICA CONTROLÁVEL NA FAIXA DE THZ BASEADA EM GRAFENO COM GUIAS DE ONDA COM DOBRAMENTO DE 90° ACOPLADOS A UM RESSONADOR CIRCULAR [001] A invenção em questão faz referência a uma chave eletromagnética baseada em grafeno e substrato dielétrico. O dispositivo é composto de um ressonador circular e dois guias de onda formando um ângulo de 90° entre si, acoplados frontalmente ao ressonador.

[002] A função deste dispositivo é controlar o fluxo de um sinal eletromagnético, desta forma, a chave recebe o sinal na porta de entrada 1, conduz este sinal pelos guias de onda de grafeno para uma porta de saída 2, devido a aplicação de um campo magnético DC externo perpendicularmente ao plano do ressonador de grafeno. Caso o ressonador não esteja magnetizado, o sinal eletromagnético será bloqueado, isolando a porta de saída.

[003] As chaves eletromagnéticas atuam no controle da propagação do sinal eletromagnético em canais de comunicações, permitindo ou bloqueando a passagem deste sinal. Assim, o dispositivo em questão possui dois estados de operação: estado ligado (estado ON), em que ocorre a transmissão do sinal eletromagnético da entrada para a saída da chave e o estado desligado (estado OFF), em que a saída da chave é completamente isolada da entrada, não havendo transmissão do sinal. Neste caso, a transição entre os estados de operação é controlada a partir da aplicação ou não de um campo magnético DC externo perpendicularmente ao plano do ressonador de grafeno.

[004] A presente invenção opera na faixa de frequência de terahertz (THz) e seu princípio de funcionamento consiste na propagação de ondas plasmônicas guiadas nos guias de onda de grafeno, as quais, excitam ressonâncias dos plásmons poláritons de superfície (SPP-surface plasmon polariton) no ressonador, com perfil

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2/8 de modo dipolo estacionário, podendo ser orientado de acordo com a magnetização ou não do ressonador.

[005] Diversas patentes tratando de dispositivos baseados em cristais fotônicos e grafeno já foram depositadas, entre elas, pode-se citar:

[006] A patente US006101300A, refere-se a um filtro de frequência baseado em cristal fotônico, o qual, emprega como elemento de acoplamento um sistema de ressonância entre dois guias de onda, que contém pelo menos dois modos de ressonância. Este sistema de ressonância inclui uma ou mais cavidades ressonantes que, além de serem acopladas aos guias de onda, podem ser acopladas diretamente entre si. Para que o dispositivo atinja máxima eficiência de transferência, a geometria, assim como, a constante dielétrica e o índice de refração do sistema de ressonância devem ser configurados de tal modo que, o sistema opere com a mesma frequência e o mesmo fator de qualidade, determinado a partir das taxas de decaimento dos modos ressonantes.

[007] A patente US008735947B1 trata de uma chave eletromecânica baseada em grafeno e substrato dielétrico. O substrato dielétrico (S1O2) tem o formato de “U” e sua base é preenchida por polisílicio conectados a um ou mais eletrodos de corrente, onde em suas extremidades, uma fita de grafeno conectada a uma fonte elétrica é responsável por aplicar uma tensão e ocasionar a atração eletrostática entre a fita e o polisílicio. Desta forma, a fita sofrerá uma deformação, fazendo com que a mesma entre em contato com os eletrodos de corrente, fechando assim o circuito elétrico e permitindo que a corrente elétrica seja conduzida da fonte para os eletrodos de corrente através da fita de grafeno.

[008] Semelhante a invenção anterior, tem-se a patente US20090020399A1, que apresenta uma chave eletromecânica composta por uma camada elástica condutora que se move com aplicação de um campo elétrico, em que, a camada condutora elástica compreende pelo menos uma camada de grafeno.

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3/8 [009] A patente US2005249455 refere-se a uma chave óptica com estrutura de cristal fotônico. O dispositivo consiste de guias de onda óptico, onde, sua parte central é formada por cristal fotônico bidimensional, em que, duas ou mais substâncias com diferentes índices de refração são dispostas alternadamente e regularmente. O princípio de funcionamento deste dispositivo basea-se na mudança do índice de refração das substâncias que constitui o cristal fotônico, através da injeção de corrente elétrica nos eletrodos presente na estrutura.

[010] Por fim, a patente JP2006184618 descreve uma chave óptica baseada em cristal fotônico bidimensional, em que seu princípio de funcionamento consiste na mudança do índice de refração dos materiais que constitui o cristal fotônico, através do controle da temperatura do dispositivo, promovendo assim, a transição entre os estados ON e OFF da chave óptica.

[011] De maneira sucinta, o que diferencia cada uma das chaves citadas anteriormente são geometria e mecanismo de controle entre os estados OFF e ON do dispositivo.

[012] O dispositivo em questão apresenta grande largura de banda, baixas perdas de inserção para o estado ON e grandes níveis de isolamento para o estado OFF.

[013] A frequência central de operação do dispositivo, caracterizada pelo perfil de modo dipolo, possui dependência direta com as dimensões geométricas do dispositivo. Desta forma, podemos definir a frequência de operação do dispositivo ajustando suas dimensões, o que está de acordo com o princípio da escalabilidade das equações de Maxwell para o eletromagnetismo.

[014] Entre as várias configurações geométrica da chave eletromagnética, apresentaremos a seguir uma das possíveis configurações para o qual o mesma foi projetada:

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a) Dois guias de ondas de grafeno com 400 nm de largura e 1500 nm de comprimento;

b) Uma cavidade ressonante circular de grafeno com raio de 600 nm;

c) Um substrato dielétrico, formado por uma camada de Sílica (SiO2) com permissividades elétrica de 2.09 e espessura de 5000 nm e outra camada de Silício (Si) de permissividades elétrica 11.9 e espessura de 4000 nm, respectivamente.

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

(&xx @xy ^xyX ^xx )' onde as componentes do tensor condutividade elétrica do grafeno é dada por:

_ 2D Ç^-lM °^Xy ~ * _ω2-(_ω+ΐ)2^;

2D ^xy = π ω²-(ω+^)² em que:

onde:

a) σ₀ é a condutividade mínima do grafeno (em Siemens);

b) ω_ε é a frequência de cíclotron (em radianos por segundo);

dada por:

eH₀Vp ; ^eF

onde:

c) e é a carga do elétron (em Coulomb);

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d) H₀ é o campo magnético (em Tesla);

e) v_F 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) ω é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo);

i) τ é o tempo de relaxação no grafeno (em Hertz);

j) e_F é o potencial químico aplicado a folha de grafeno (em elétron-volt);

l) i. é a unidade imaginária;

[016] O funcionamento do dispositivo baseia-se na aplicação de um campo magnético DC externo Ho, perpendicularmente ao plano do ressonador de grafeno. Sem campo magnético H₀, o sinal eletromagnético será bloqueado, isolando a porta de saída após ser refletido para a porta de entrada, caracterizando o estado OFF do dispositivo. Com a aplicação de um campo magnético H₀, o dispositivo troca de estado OFF para estado ON, em que, o sinal injetado no guia de onda de entrada será transmitido para o guia de onda conectado à porta de saída.

[017] O estado que o dispositivo se encontra, (ON ou OFF), depende da aplicação ou não, de um campo magnético DC externo perpendicularmente ao plano do ressonador de grafeno.

[018] Ilustrando e exemplificando o exposto, são apresentadas as seguintes características de funcionamento para o dispositivo.

[019] No estado OFF, em que o ressonador de grafeno não está magnetizado, um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante, de forma que, o nó deste modo esteja alinhado com o eixo do guia de onda da porta de saída, sendo definido pela soma dos modos degenerados ω₊ (no sentido horário) e ω_ (no sentido anti-horário), evitando assim, que o sinal eletromagnético seja transmitido para a porta de saída e seja refletido para a porta de entrada.

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6/8 [020] No estado ON, situação em que há aplicação de um campo magnético DC externo normal ao plano do ressonador de grafeno, a degeneração dos modos de rotação no sentido horário e anti-horário são removidos. Neste caso, a soma destes modos na frequência central ω₀ = (ω₊ + ω_)/2, produz uma onda estacionária, em que, o modo dipolo esteja orientado de um ângulo φ = 45° em relação a porta de entrada.

[021] A seguir serão apresentadas as figuras que descreve em detalhes o dispositivo, tanto do ponto de vista geométrico, como de seu princípio de funcionamento.

[022] No esquema da figura 1a e 1b, tem-se a estrutura geométrica da chave eletromagnética, composta por um ressonador circular e dois guias de onda de grafeno com dobramento de 90° entre si, considerando vista lateral e superior, respectivamente.

[023] As Figuras 2a e 2b apresentam a distribuição de campo da componente E_z do campo elétrico para o dispositivo operando no estado OFF e ON, respectivamente.

[024] As portas 101 e 102 na figura 1a, excitam ondas de plasmons polariton de superfície (SPP) nos guias de onda de grafeno 103, excitando ressonâncias plasmônicas com perfil de modo dipolo estacionário no ressonador central, também de grafeno 104. A estrutura é depositada sobre substrato de sílica (SiO₂) 105 e silício (Si) 106 (figura 1b).

[025] Para o caso em que o ressonador não está magnetizado (estado OFF - figura 2a), o sinal eletromagnético injetado na porta de entrada 201, será propagado pelo guia de onda de grafeno 202, excitando a cavidade ressoante 203, com um perfil de modo dipolo estacionário, de tal forma que, o nó deste modo esteja alinhado paralelamente com o eixo que passa pelo centro do guia de saída 204, evitando assim, que o sinal eletromagnético seja transmitido para a porta de saída 205, sendo

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7/8 maior parte refletido para porta de entrada 201 e uma pequena parcela absorvida pela cavidade ressonante 203.

[026] Com aplicação de um campo magnético DC externo perpendicularmente ao plano do ressonador de grafeno de 0,5 T, o sinal eletromagnético que foi injetado na porta de entrada 201, excitará um perfil de modo dipolo estacionário com orientação de 45° em relação ao eixo dos guias de ondas 202 e 204. Desta forma, o sinal eletromagnético será transmitido para a porta de saída 205, através do guia de onda 204, na frequência central de 5,26 THz (figura 2b).

[027] As figuras 3a e 3b apresentam as respostas em frequência do dispositivo para uma energia de Fermi de 0,15 eV, tanto para o estado ON, como para o estado OFF, respectivamente. No eixo das abscissas estão os valores da frequência em (THz) e no eixo das ordenadas os valores dos coeficientes de transmissão e reflexão em (dB).

[028] Os resultados simulados mostram que as perdas de inserção do dispositivo pode ser ajustada de - 36,2 dB (coeficiente de transmissão no estado OFF) a - 2,2 dB (coeficiente de transmissão no estado ON) e os coeficientes de reflexão de - 7 dB a - 54,6 dB, com aplicação de um campo magnético de 0.5 T perpendicular ao plano do ressonador.

[029] A figura 4 apresenta a dependência da frequência central de operação, perdas de inserção e largura de banda do dispositivo para o estado ON com diferentes valores de energia de Fermi. Variando a energia de Fermi do grafeno de 0,12 eV para 0,18 eV, via campo eletrostático por exemplo, devido a uma tensão de polarização aplicada entre a camada de grafeno e o substrato de silício, pode-se ter um controle dinâmico da resposta do dispositivo, fazendo com que o mesmo passe a operar numa faixa de frequência que vai de 4.7 THz a 5,8 THz. As perdas de inserção do dispositivo apresentam valores entre -2,9 dB a -1,8 dB, correspondendo a larguras de banda entre 4.1 % a 17,4 % no nível de isolamento de -15 dB.

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8/8 [030] A figuras 5a apresenta o decaimento exponencial do módulo do campo magnético em função da distância perpendicular (eixo z) e a figura 5b mostra uma alta concentração e distribuição de campo elétrico na interface grafeno-dielétrico, o que são característicos de ondas plasmônicas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador circular, caracterizada por ser de grafeno, substrato dielétrico e operar na região de THz.
2. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador circular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por apresentar um ressonador circular e dois guias de onda de grafeno formando um ângulo de 90° entre si, acoplados frontalmente ao ressonador.
3. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador circular, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada por operar sob dois estados com perfis de modos dipolo estacionários. O estado OFF, em que o nó do modo dipolo estacionário está alinhado paralelamente ao eixo do guia de onda da porta de saída 2, fazendo com que o sinal eletromagnético não propague para esta porta e seja refletido para porta de entrada 1. Enquanto que, no estado ON, o perfil de modo dipolo estacionário ficará orientado de um ângulo φ = 45° em relação a porta de entrada 1. Desta forma, o sinal eletromagnético será transmitido da porta de entrada 1 para a porta de saída 2.
4. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador circular, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada por ter como princípio básico de funcionamento, a propagação de ondas plasmônicas guiadas nos guias de ondas de grafeno, o qual, excitam ressonâncias de plásmons polárintons de superfície (SPP) no ressonador.
5. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador

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2/2 circular, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada por controlar o fluxo de um sinal eletromagnético, transmitindo-o (estado ON) ou impedindo-o (estado OFF) ao longo do guia de onda de grafeno, devido a aplicação ou não, de um campo magnético DC externo normal ao plano do ressonador de grafeno, respectivamente.
6. Chave eletromagnética controlável na faixa de THz baseada em grafeno com guias de onda com dobramento de 90° acoplados a um ressonador circular, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizada por ser capaz de realizar o controle dinâmico da resposta do dispositivo através da mudança da energia de Fermi do grafeno, devido a uma tensão de polarização aplicada entre a camada de grafeno e o substrato dielétrico.