BR102019021054A2 - circuladores controláveis de quatro portas na faixa de thz baseados em grafeno com ressonadores elípticos - Google Patents

Abstract

Apresentamos dois novos tipos de circuladores de quatro portas baseados em grafeno para a região THz com acoplamento lateral entre guias de onda de grafeno paralelos com modos de polarização de plásmons de superfície (SPP) e ressonadores com geometrias em forma de disco e anel elípticos magnetizados normalmente em seu plano por um campo DC externo, depositados sobre um substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si). Os dispositivos podem apresentar como funções, a transmissão não recíproca de sinais nos sentidos horário e anti-horário e a proteção da fonte eletromagnética conectada a porta de entrada do sinal contra possíveis reflexões advindas da porta de saída. Os resultados mostram que as perdas de inserção são melhores que -3 dB e isolamentos maiores que -15 dB nas frequências de operação de 5,17 THz e 4,7 THz, com campo magnético DC aplicado de 0,8 T e energia Fermi ∈F = 0,15 eV para os circuladores baseados em ressonadores de disco e anel, respectivamente. A energia de Fermi permite controlar dinamicamente (deslocar) as características em frequência dos circuladores, fornecendo, na prática, aplicações em sistemas integrados de comunicação para a região THz.

Description

CIRCULADORES CONTROLÁVEIS DE QUATRO PORTAS NA FAIXA DE THZ BASEADOS EM GRAFENO COM RESSONADORES ELÍPTICOS

[001] As invenções sugeridas nesta patente, baseiam-se em dois circuladores de quatro portas, em que a geometria de seus ressonadores têm o formato de disco e anel elípticos, acoplados lateralmente a dois guias de onda. Os dispositivos são baseados em grafeno e substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si) e operam na região de THz.

[002] Os dispositivos desenvolvidos, têm como funcionalidades, a transmissão não recíproca de sinais para uma determinada porta, podendo operar em diferentes frequências (ω+ ou ω_) dependendo da orientação do campo magnético externo; e a proteção da fonte eletromagnética. Esses dispositivos podem ser utilizados em diferentes aplicações, como em sistemas de radar, sistemas de amplificação, transmissão ou recepção de antenas ou na proteção de fontes eletromagnéticas contra possíveis reflexões indesejadas provenientes da porta de saída dos circuladores.

[003] A seguir, apresentamos algumas invenções a respeito de circuladores de três ou mais portas encontradas na literatura.

[004] A presente invenção, WO2016172779A1, baseia-se em um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos três guias de onda e uma cavidade ressonante através da criação de defeitos lineares e locais. Por conta do photonic band gap relacionado ao cristal fotônico, sinais eletromagnéticos são confinados no interior dos guias de onda e da cavidade ressonante. Através da excitação de modos dipolo na cavidade ressonante com orientações que dependem da intensidade de um campo magnético DC aplicado, o circulador em questão pode promover a transmissão não recíproca de sinais nos sentidos horário e anti-horário. Pode executar a função de isolamento da porta de entrada conectada a fonte eletromagnética e possui formato de garfo, o que proporciona maior flexibilidade no design de sistemas de comunicações ópticas integrados.

[005] Um circulador de ferrite de três portas em forma de Y, colocado entre dois substratos, de tal modo que um sinal pode circular seletivamente entre qualquer um dos substratos é apresentado na patente US5177456A. O dispositivo é composto de três portas, em que cada porta tem a forma de um prisma fino que se estende radialmente a partir de um ponto central. Duas portas são acopladas ao primeiro substrato e a outra porta é acoplada ao segundo substrato paralelo ao primeiro. Um campo magnético de polarização é usado para direcionar seletivamente um sinal através de qualquer porta desejada, e em seguida, ao longo de uma micro-fita para um elemento de circuito.

[006] Semelhante a invenção anterior, a patente US3886497A refere-se a um circulador de guias de onda de três portas com um elemento giromagnético situado centralmente na junção dos guias de onda, submetido a influência de uma campo magnético durante a operação do circulador. Uma considerável economia de material giromagnético é efetuada fazendo o elemento giromagnético aproximadamente um quarto de comprimento de onda na frequência central de operação e montando esse elemento sobre um pedestal que se eleva a partir de uma placa de transformador. Tanto a placa do transformador como o efeito pedestal diminuem a altura do guia de onda. Uma face do elemento giromagnético é curto-circuitada pelo pedestal, enquanto a face oposta é aberta por uma abertura dielétrica entre ele e a parede dos guias de onda.

[007] Finalmente, a invenção US6888971B2 refere-se a um circulador de quatro portas extensível. O dispositvivo inclui um cristal birrefringente com quatro superficies, localizado entre outros dois cristais também birrefringente e dois dispositivos não recíprocos. O primeiro e o terceiro cristal birrefringente, assim como as duas primeiras superfícies do cristal birrefringente do meio, são acoplados aos dispositivos não recíprocos, respectivamete. A terceira superficie do cristal birrefringente do meio define uma primeira e segunda interface de extensão, enquanto que, a quarta superfície define uma terceira e quarta interface de extensão, caracterizando como um circulador multi-portas.

[008] Um dos possíveis design geométricos para os circuladores propostos, são apresentados a seguir:

• a) Os ressonadores elípticos apresentam o seu eixo maior paralelo ao eixo das ordenadas (eixo y) e o eixo menor paralelo ao eixo das abscissas (eixo x), figuras 1a e 1b. Os comprimentos dos semi-eixo maior e semi-eixo menor do ressonador em forma de disco elíptico são a = 618 mn e b = 582 nm e sua excentricidade é 0,34 nm. Já o ressonador em forma de anel elíptico é formado por duas elipses concêntricas de semi-eixos maior ae = 642 mn, ai = 160,5 mn e semi-eixos menor be = 558 mn, bi = 139,5 e excentricidade de 0,49.
• b) O comprimento e a largura dos guias de onda dos dispositivos são: L = 4210 nm e w = 200 nm;
• c) Entre os ressonadores e os guias de onda há uma distância de acoplamento de g = 2,5 nm;
• d) Os elementos de grafeno estão depositados sobre substrato dielétrico de Sílica (SiO2) e silício (Si) com espessuras iguais a h1 = h2 = 2500 nm e permissividades elétrica ε1 = 2,09 e ε1 = 11.9, respectivamente.

[009] Para fins de cálculos, utilizamos o tensor condutividade elétrica do grafeno escrito da seguinte forma:

onde as componentes deste tensor ayy = σχχ e ayx=—oxy, são dadas por:

em que:

onde:
a) σ0 é a condutividade mínima do grafeno (em Siemens);
b) ωc é a frequência de cíclotron (em radianos por segundo); dada por:

onde:
c) e é a carga do elétron (em Coulomb);
d) B0 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) ω é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo);
i) τ é o tempo de relaxação no grafeno (em pico segundos);
j) ∈p é o potencial químico aplicado a folha de grafeno (em elétron-volt);
l) i é a unidade imaginária; (⃗k)

[010] As geometrias e o princípio de funcionamento dos circuladores serão apresentados detalhadamente a seguir.

[011] As figuras 1a e 1b, mostram o design de construção dos circuladores de quatro portas baseados em grafeno com ressonadores em forma de disco e anel elípticos, magnetizados por um campo DC externo B0 ao longo do eixo z (vista superior) e a figura 1c (vista lateral), respectivamente. Para os circuladores de quatro portas propostos nesta patente, os ressonadores elípticos são mais adequados do que os ressonadores circulares. Apesar deles possuírem o mesmo elemento de simetria rotacional C2, ou seja, um rotação por π em relação ao eixo z, figuras 1a e 1b, os ressonadores circulares possuem apenas um parâmetro para variação, que é o raio. Enquanto que os ressonadores elípticos têm dois parâmetros que podem ser ajustados: o semi-eixo maior (a) e o semi-eixo menor (b), no caso do ressonador em forma de disco elíptico e mais dois parâmetros extras no caso do ressonador em forma de anel elíptico, que são: os semi-eixos maior (ai) e menor (bi) internos. Portanto, a utilização de ressonadores elípticos promove uma maior flexibilidade no projeto dos circuladores.

[012] Os dispositivos consistem de dois guias de onda paralelos acoplados lateralmente aos ressonadores por uma certa distância (g), depositados sobre um substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si).

[013] As figuras 2a-d e 3a-d, mostram as distribuições de campo Ez dos circuladores com excitações pelas portas 101, 102, 103 e 104, respectivamente.

[014] Nos ressonadores, para um dado campo magnético DC externo B0, aplicado ao longo do eixo z, dois modos de rotação (ω+ e ω_) em relação ao eixo z e sentidos opostos, podem existir. Para o funcionamento dos dispositivos propostos, podemos operar tanto no regime com o modo de rotação ω+ ou ω_ . A dependência desses modos com o campo magnético aplicado no sentido do eixo z negativo (-B0ẑ), para os circuladores descritos nas figuras 1a e 1b são mostradas nas figuras 4a e 4b, em que observa-se o desdobramento das frequências dos modos rotativos ω+ e ω_ nos sentidos horário e anti-horário com o aumento do campo magnético B0.

[15] A onda com frequência ω_ incidida na porta de entrada 101 (fonte), excita ondas plasmônicas (plasmons polaritons superficiais - SPP) guiadas no guia de onda de grafeno 201, excitando assim, o modo de rotação dipolar no sentido anti-horário (ω_) nos ressonadores 301 e 302, já que tanto o guia como o ressonador têm o vetor de propagação (→k)no mesmo sentido. Este modo por sua vez, excita o outro guia de onda 202 acoplado lateralmente aos ressonadores, figuras 1a e 1b. Caso o modo SPP seja excitado através da porta 102, a onda guiada no guia 202 passará direto para a porta 103 sem excitar os ressonadores 301 e 302, já que seus vetores (⃗k) estão em sentidos opostos e a frequência de ressonância ω_ não sofrerá influência da frequência ω+ para um campo magnético de 0,8T, como pode ser observado nos gráficos das figuras 4a e 4b.

[016] Quando o sinal é injetado pela porta 101, o mesmo será transmitido para a porta 102, isolando as portas 103 e 104 (figuras 2a e 3a). Com a incidência do sinal pela porta 102, ele será transmitido para a porta 103, isolando as portas 101 e 104 (figuras 2b e 3b), processo semelhante ocorre quando o sinal é incidido pelas portas 103 e 104 (figuras 2c, 2d e 3c, 3d), configurando a seguinte direção de circulação (1 → 2,2 → 3,3 → 4,4 → 1) para o regime ω_ , respectivamente. As excitações nas portas 102, 103 e 104 representam os sinais refletidos das cargas não casadas nessas portas. É possível observar que a fonte eletromagnética localizada na porta 101 está protegida contra reflexões indesejadas, como mostrado nas figuras 2b-d e 3b-d.

[17] Considerando o regime de funcionamento dos circuladores na frequência de ressonância ω+ (ver figuras 4a e 4b), teríamos a seguinte direção de circulação (1 → 4,4 → 3,3 → 2,2 → 1). Para o caso em que o campo magnético esteja aplicado no sentido do eixo z positivo (B0ẑ), ou seja, saindo do plano dos ressonadores (plano xy), teremos a inversão dos regimes de operação ω+ e ω_ dos circuladores.

[018] Em nossos cálculos, apenas as perdas relacionadas aos ressonadores foram consideradas. Para isso subtraímos as perdas apresentadas pelos dois guias de onda de comprimento L e largura w, das perdas totais dos dispositivos (figuras 1a e 1b).

[019] O circulador descrito na figura 1a, têm características em frequência descritas nas figuras 5 e 6. Na frequência de operação ω_ = 5,17 THz (ver figura 4a), temos coeficientes de transmissão aproximadamente de S21 = -2,6 dB e S32 = -0,9 dB, isolamentos em torno de S31 = -38,5 dB, S41 = -17 dB, S12 = -16 dB e S42 = -43 dB e reflexões próximo de S11 = S22 = -22 dB com excitação pelas portas 101 e 102, respectivamente.

[020] Para o circulador descrito na figura 1b, as resposta em frequência são demonstradas nas figuras 7 e 8, também com excitações pelas portas 101 e 102. Foram obtidos coeficientes de transmissão de aproximadamente S21 = -2,7 dB e S32 = -3 dB, isolamentos em torno de S31 = -20 dB, S41 = -21 dB, S12 = -14 dB e S42 = -18 dB e reflexões perto de S11 = S22 = -16 dB na frequência de operação ω_ = 4,7 THz. O campo magnético aplicado em ambos os casos foi de 0,8 T.

[021] Em resposta às portas 103 e 104, os resultados tornam-se semelhantes ao das portas 101 e 102, devido à simetria dos dispositivos.

[022] Alterando-se a energia Fermi do grafeno via campo eletrostático, através da aplicação de uma tensão de polarização entre a camada de grafeno e a camada de Si, pode-se controlar dinamicamente (deslocar) as características em frequência dos circuladores. A energia de Fermi do grafeno foi variada de 0,14 eV a 0,18 eV e o gráfico da frequência de operação do circulador descrito na figura 1a para o regime ω_ é apresentado na figura 9. O gráfico apresenta certo deslocamento da frequência de operação do dispositivo para frequências maiores com o aumento da energia de Fermi.

Claims (7)

1. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, caracterizados por seus componentes de grafeno estarem depositados sobre um substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si).
2. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por possuírem ressonadores com geometrias em forma de disco e anel elípticos, acoplados lateralmente aos guias de onda de grafeno.
3. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados por seus ressonadores serem magnetizados por um campo magnético DC externo perpendicular ao seu plano.
4. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizados por promover a transmissão não recíproca de sinais eletromagnéticos nos sentidos horário e anti-horário.
5. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizados por proteger a fonte eletromagnética conectada a porta de entrada do sinal contra reflexões advindas da porta de saída.
6. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizados pelo princípio físico de operação dos circuladores basearem-se na ressonância dipolar dos ressonadores magnetizados, com a existência dos modos de rotação (ω+) e (ω_).
7. Circuladores controláveis de quatro portas na faixa de THz baseados em grafeno com ressonadores elípticos, de acordo com as reivindicações 1,2, 3, 4, 5 e 6, caracterizados por controlar dinamicamente (deslocar) as características em frequência dos circuladores, alterando a Fermi do grafeno através da aplicação de uma tensão de polarização entre a camada de grafeno e a camada de Si.

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