BR102019012913A2

BR102019012913A2 - chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno

Info

Publication number: BR102019012913A2
Application number: BR102019012913-1A
Authority: BR
Inventors: Victor Dmitriev; Wagner Ormanes Palheta Castro; Gianni Masaki Tanaka Portela
Original assignee: Universidade Federal Do Pará; Universidade Federal Rural Da Amazônia
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-12-29

Abstract

A presente invenção é uma chave para operação em circuitos operando em frequências de terahertz, a qual possui dois estados de operação: estado ligado, no qual a chave permite a transmissão de um sinal presente na entrada para a saída com baixas perdas de inserção; estado desligado, no qual um sinal presente na entrada não é transmitido para a saída do componente, sendo refletido de volta para a entrada. A transição entre os dois estados de operação da chave é controlada por meio do ajuste da orientação de um modo dipolo excitado na cavidade ressonante que compõe o dispositivo. Por sua vez, a orientação do modo dipolo depende da intensidade de um campo magnético DC externo aplicado sobre o dispositivo. Quando a estrutura não está sujeita a um campo magnético DC externo, o plano nodal do modo dipolo é perpendicular ao eixo da estrutura que contém os dois guias de onda, possibilitando a operação no estado ligado. A aplicação de um campo magnético DC externo faz com que o plano nodal do modo dipolo seja paralelo ao eixo da estrutura que contém os dois guias de onda, possibilitando a operação no estado desligado.

Description

CHAVE COMPACTA PARA OPERAÇÃO EM FREQUÊNCIAS DE TERAHERTZ BASEADA EM UM RESSONADOR CIRCULAR DE GRAFENO

[001] A presente invenção refere-se a uma chave baseada em grafeno que pode ser utilizada em circuitos operando com frequências de terahertz. Dois guias de onda e uma cavidade ressonante, todos baseados em grafeno, formam a presente chave. Os elementos constituintes são acoplados de tal modo que o componente permite, nos circuitos a que se destina, o controle do fluxo de sinais eletromagnéticos por meio da comutação entre os seus dois estados de operação.

[002] Uma chave (em inglês, switch) pode operar em dois estados, a saber: estado ligado (em inglês, on), em que um sinal eletromagnético é transmitido da porta de entrada da chave para a de saída com baixas perdas de inserção; estado desligado (em inglês, off), no qual o nível de isolamento entre as portas de entrada e saída é grande e não há fluxo de sinais em direção à saída do componente.

[003] A faixa de frequências do espectro eletromagnético compreendida entre as frequências de 300 GHz e 10 THz, também conhecida como faixa de terahertz, tem se mostrado uma alternativa interessante para o desenvolvimento de novos sistemas de comunicações com grande largura de banda de operação. No entanto, ainda há uma grande carência de componentes para operação nesta faixa de frequências.

[004] Neste contexto, a utilização do material conhecido como grafeno aparece como uma alternativa interessante. Consiste em uma folha de átomos de carbono que possibilita, entre outros, a construção de cavidades ressonantes cujos modos localizados possuem frequências de ressonância situadas na faixa de terahertz. Estas cavidades, por sua vez, podem ser utilizadas no projeto de novos componentes passivos baseados em grafeno para utilização na supracitada faixa de frequências, tais como a chave a que faz referência esta invenção.

[005] Serão apresentadas, no que se segue, algumas patentes que tratam de chaves baseadas na tecnologia de grafeno.

[006] O dispositivo descrito no relatório descritivo da patente CN204166232U é um switch para circuitos de terahertz composto por quatro estruturas de cavidade ressonante baseadas em grafeno. Estas estruturas possuem o formato da letra “T” e são depositadas sobre um substrato dielétrico de silício. O chaveamento do sinal, isto é, a transição entre os estados ligado e desligado, é possível através da variação de uma tensão DC aplicada na estrutura.

[007] Já o componente descrito na patente CN204166233U é um switch baseado em guias de onda compostos por grafeno, com operação em frequências de terahertz. Através do ajuste da tensão aplicada sobre o guia de onda inferior e um bloco de controle de silício, a diferença de fase entre os sinais que atravessam os guias de onda superior e inferior pode ser ajustada de tal modo que o chaveamento do sinal na saída é possível.

[008] Por outro lado, o dispositivo apresentado na patente CN207895171U é um switch óptico híbrido baseado em grafeno e em um metal como ouro ou prata. Neste caso, uma tensão elétrica é aplicada sobre as camadas de grafeno e de metal que compõem a estrutura. A transição entre os estados ligado e desligado é possível através do ajuste do índice de refração da camada de grafeno, que por sua vez é feito através do controle da magnitude da tensão elétrica aplicada na estrutura.

[009] Por fim, a patente US8456902B2 trata de um componente de comutação (ou chaveamento) baseado em nano elementos de grafeno com formato de diamante. Por meio do ajuste de um campo elétrico aplicado sobre o componente, é possível fazer com que as suas partes constituintes apresentem alta condutividade elétrica - permitindo a operação da chave no estado ligado - ou baixa condutividade elétrica - possibilitando a operação no estado desligado.

[010] O princípio de funcionamento do dispositivo aqui apresentado está relacionado à modificação da condutividade elétrica do grafeno de acordo com um campo magnético DC aplicado sobre o material. Basicamente, no estado não magnetizado, a chave permite a transmissão do sinal da entrada para a saída com baixas perdas de inserção, ao passo que, no estado magnetizado, a chave impede a propagação do sinal em direção à saída.

[011] A cavidade ressonante do dispositivo, que consiste em um disco de grafeno depositado sobre um material dielétrico, suporta ressonâncias do tipo dipolo para os plásmon-poláritons de superfície (em inglês, surface plasmon polaritons - SPPs) que se propagam na estrutura. Neste caso, pode-se ajustar a orientação do modo dipolo excitado no ressonador por meio do campo magnético DC aplicado sobre o material.

[012] No caso não magnetizado, o plano nodal do modo dipolo - região em que a intensidade da componente de campo eletromagnético Ez do modo é igual a zero - é perpendicular aos eixos dos dois guias de ondas constituintes, o que possibilita a transferência da potência de entrada para a saída do componente com baixas perdas.

[013] Por outro lado, no caso magnetizado, o modo dipolo sofre uma rotação por um ângulo aproximadamente igual a 90°, quando comparado ao caso anterior. Neste caso, o plano nodal do modo dipolo é paralelo aos eixos dos dois guias de onda da estrutura, situação que proporciona alto isolamento entre a entrada e a saída.

[014] Entre as principais características de desempenho da chave apresentada destacam-se as baixas perdas de inserção no estado ligado, o alto isolamento entre a entrada e a saída no estado desligado e a grande largura de banda de operação. Além disso, opera na faixa de frequências de terahertz, possibilitando o desenvolvimento de novos sistemas de comunicações em terahertz com altas taxas de transmissão de dados.

[015] Em linhas gerais, o dispositivo é composto por dois guias de onda e uma cavidade ressonante, acoplados entre si e baseados em grafeno, depositados sobre um substrato composto por duas camadas: uma camada superior composta por sílica (SiO2), sobre a qual é depositada os elementos baseados em grafeno; uma camada inferior composta por silício (Si), sobre a qual é depositada a camada de sílica.

[016] De modo detalhado, o dispositivo apresenta as seguintes características:

a) A frequência central de operação é de 5,55 THz.
b) O ressonador do dispositivo consiste em um disco de grafeno com raio (Rr) igual a 600 nm.
c) Os dois guias de onda do dispositivo consistem em fitas de grafeno com largura (Lg) igual a 200 nm e comprimento (Cg) igual a 1500 nm (o qual pode ser ajustado, a depender da aplicação).
d) Os guias de onda são frontalmente acoplados ao ressonador.
e) Os guias de onda são separados do ressonador por uma distância (Ggr) igual a 5 nm.
f) Os guias de onda são alinhados, isto é, os eixos deles estão localizados sobre uma mesma reta.
g) A camada de sílica que compõe o substrato possui espessura igual a 5000 nm e permissividade elétrica relativa igual a 2,09.
h) A camada de silício que compõe o substrato possui espessura igual a 4000 nm e permissividade elétrica igual a 11,9.
i) O substrato possui largura e comprimento iguais a 2xCg+2xGgr+2xRr.
j) O tensor de permissividade elétrica [σs] considerado para a modelagem do grafeno é expresso da seguinte forma:

[017] Os elementos do tensor de condutividade elétrica são definidos pelas seguintes fórmulas:

[018] Onde:
ω é a frequência angular (rad/s)
τ é o tempo de relaxação do grafeno (0,9 ps)

é a frequência de cíclotron (rad/s)
e é a carga do elétron (1,6021766208x10-19 C)
B0 é o campo magnético DC externo (T)
vF é a velocidade de Fermi (1x106 m/s)
òF é o potencial químico aplicado sobre o disco de grafeno (0,15 eV)
D é igual a

σ0 é a condutividade mínima do grafeno em (S/m)
h é a constante reduzida de Planck (6,58211915x10-16 eV.s)
i é a unidade imaginária
k) O valor do campo magnético DC externo B0 aplicado sobre o disco de grafeno define o estado no qual o dispositivo opera (igual a 0 para o estado ligado e a 1,6 T para o estado desligado).

[019] A seguir serão apresentadas as figuras que facilitam o entendimento sobre o princípio de funcionamento do dispositivo.

[020] A figura 1 apresenta uma vista superior do dispositivo.

[021] A figura 2 mostra uma vista lateral do dispositivo.

[022] A figura 3 ilustra, de forma simplificada, o princípio de funcionamento do componente inventado, ou seja, o mecanismo que permite a transição entre os estados ligado e desligado.

[023] A figura 4 apresenta o perfil do campo eletromagnético na chave quando da operação nos estados ligado e desligado, para funcionamento na frequência central de operação.

[024] A figura 5 contém a resposta em frequência do dispositivo para operação nos estados ligado e desligado.

[025] Pode-se observar, na figura 1, que o dispositivo inventado é composto, na camada de grafeno, por dois guias de onda 101 e 102, além de uma cavidade ressonante circular 103. Os dois guias de onda são frontalmente acoplados ao ressonador e formam entre si um ângulo de 180°. Além disso, cada um dos guias de onda é separado da cavidade ressonante por uma brecha (em inglês, gap) 104 com comprimento igual a 5 nm.

[026] Ainda no que diz respeito à estrutura do dispositivo, também apresentada na figura 2, deve-se destacar que, além da camada de grafeno 201 - a qual contém os guias de onda e a cavidade ressonante -, o dispositivo contém duas camadas de material dielétrico. Logo abaixo da camada 201 é localizada a camada 202, composta por sílica (SiO2), e, abaixo desta última, está localizada a camada 203, feita de silício. Esta estrutura especial composta por grafeno e materiais dielétricos permite a propagação dos plásmon-poláritons de superfície, os quais viabilizam a transferência de potência ao longo da estrutura.

[027] Quanto ao funcionamento do dispositivo, deve-se destacar que ele pode operar em dois estados, a saber: estado ligado e estado desligado.

[028] No estado ligado (representado esquematicamente na figura 3a), o ressonador 303 do dispositivo não é magnetizado e um sinal de entrada aplicado através do guia 301 excita um modo localizado 304 do tipo dipolo, cujo plano nodal é perpendicular ao eixo dos guias de onda. Neste caso, ocorre a transferência da potência de entrada para o guia de onda de saída 302, com baixas perdas de inserção.

[029] Por sua vez, quando submetido a um campo magnético DC externo B0 igual a 1,6 T, o dispositivo opera no estado desligado (representado esquematicamente na figura 3b). Nesta situação, um sinal de entrada aplicado por meio do guia 301 excita um modo dipolo 304 cujo plano nodal é paralelo ao eixo dos guias de onda. Esta orientação especial do modo localizado faz com que não haja transferência da potência de entrada para o guia de saída 302. O sinal incidente é, neste caso, refletido de volta para a entrada do dispositivo.

[030] Na figura 4 é apresentada, em detalhes, a componente de campo eletromagnético Ez para operação nos estados ligado (figura 4a) e desligado (figura 4b), respectivamente. Pode-se observar que, na banda de frequências de operação do componente, a aplicação de um campo magnético DC externo B0 sobre o ressonador é responsável pela rotação do modo dipolo 403 por um ângulo aproximadamente igual a 90°, em comparação ao caso em que o dispositivo não é magnetizado. Por sua vez, a orientação do modo dipolo determina se a transferência da potência do sinal presente na entrada 401 para a saída 402 é ou não permitida, isto é, define se o dispositivo opera nos estados ligado ou desligado.

[031] A resposta em frequência da chave é apresentada na figura 5. Especificamente, são mostrados os elementos S21 (coeficiente de transmissão) e S11 (coeficiente de reflexão) da matriz de espalhamento (S) da chave, para os estados ligado (on) e desligado (off). Além disso, são consideradas apenas as perdas referentes ao ressonador de grafeno no cálculo dos elementos da matriz S, isto é, as perdas referentes aos dois guias de onda são descontadas. Deste modo, a largura de banda de operação da chave é igual a 7,2%, tomando como referência os níveis de -2 dB e -15 dB para as curvas dos coeficientes de transmissão dos estados on e off, respectivamente. Na frequência central de operação, igual a 5,55 THz, os coeficientes de transmissão nos estados on e off são iguais a -1 dB e -19,4 dB, nesta ordem.

Claims

Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno, caracterizada pelo fato de ser constituída por dois guias de onda e uma cavidade ressonante, compostos por grafeno, depositados sobre um substrato composto por sílica e silício, capaz de permitir ou interromper, de acordo com a intensidade de um campo magnético DC externo, a transferência da potência de um sinal entre dois pontos de um circuito operando com frequências de terahertz.
Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de permitir o chaveamento de sinais com base na propagação de plásmon-poláritons de superfície em uma estrutura composta por grafeno, sílica e silício.
Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de operar com um modo localizado do tipo dipolo cujo plano nodal é perpendicular ao eixo dos guias de onda no estado de operação ligado.
Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de operar com um modo localizado do tipo dipolo cujo plano nodal é paralelo ao eixo dos guias de onda no estado de operação desligado.
Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno de acordo com as reivindicações 3 e 4, caracterizada pelo fato de operar no estado ligado quando não está submetida à aplicação de um campo magnético DC externo e no estado desligado quando está submetida à aplicação de um campo magnético DC externo.
Chave compacta para operação em frequências de terahertz baseada em um ressonador circular de grafeno de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que, na frequência central de operação de 5,55 THz, os coeficientes de transmissão nos estados ligado e desligado são iguais a -1 dB e -19,4 dB, respectivamente, enquanto que a largura de banda de operação é igual a 7,2%, considerando como referência os níveis de -2 dB e -15 dB das curvas de transmissão nos estados ligado e desligado, nesta ordem.