BR102020020201A2

BR102020020201A2 - Dispositivo multifuncional ajustável em forma de t baseado em grafeno para as regiões terahertz (thz) e infravermelho distante

Info

Publication number: BR102020020201A2
Application number: BR102020020201-4A
Authority: BR
Inventors: Victor Dmitriev; Geraldo Souza Melo; Wagner Ormanes Palheta Castro
Original assignee: Universidade Federal Do Pará; Universidade Federal Rural Da Amazônia
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-12

Abstract

A seguinte invenção refere-se a um dispositivo multifuncional plasmônico baseado em grafeno com três regimes de funcionamento: filtro rejeita banda (regime 1); divisor de potência (regime 2) e chave eletromagnética (regime 3). Sua estrutura consiste em três guias de onda de grafeno acoplados frontalmente com um ressonador circular também de grafeno, formando uma estrutura em T. Os elementos de grafeno estão depositados sobre substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si). O princípio físico de funcionamento do dispositivo, consiste na propagação de ondas plasmônicas de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP) nos guias de onda de grafeno que excitam modos de ressonância de dipolo, quadrupolo e hexapolo no ressonador. Nos regimes 1 e 2, submetidos a uma energia de Fermi de 0,8 eV nos guias de onda e 0,6 eV no ressonador, o dispositivo funciona como um filtro rejeita banda, para as frequências de ressonâncias dos modos dipolo e hexapolo, impedindo que a onda eletromagnética incidida na porta de entrada seja transmitida para as portas de saída; e um filtro passa banda com propriedades de divisor de potência de duas saídas na frequência de ressonância do modo quadrupolo, respectivamente. No regime 3, a energia de Fermi do ressonador é diferente dos guias, podendo ser ajustada dinamicamente por um campo elétrico externo, devido à aplicação de uma tensão de polarização entre o Si e o ressonador de grafeno, fazendo com que as bandas de frequência das regiões que não transmite a onda eletromagnética (modos dipolo e hexapolo), sejam deslocadas para a região de transmissão desta onda (modo quadrupolo), desempenhando a função de chaveamento do dispositivo. Com dimensões nanômetros e excelentes características operando em uma ampla faixa de frequência, o dispositivo pode ser utilizado em circuitos integrados plasmônicos nas regiões de terahertz (THz) e infravermelho distante.

Description

DISPOSITIVO MULTIFUNCIONAL AJUSTÁVEL EM FORMA DE T BASEADO EM GRAFENO PARA AS REGIÕES TERAHERTZ (THZ) E INFRAVERMELHO DISTANTE

[001] A invenção apresentada nesta patente, corresponde a um dispositivo multifuncional plasmônico de três portas baseado em grafeno. O dispositivo consiste de três guias de onda de grafeno, em que a largura do guia de entrada é duas vezes maior que a largura dos guias de saída, isso é necessário para ajustar a impedância característica do guia de onda de entrada com a dos dois guias de onda de saída e, dessa forma, melhorar o coeficiente de reflexão do dispositivo e as perdas de inserção. Os guias de onda estão posicionados frontalmente ao ressonador circular também de grafeno formando uma estrutura em T. Os elementos de grafeno estão depositados sobre um substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si) e o dispositivo em questão pode operar nas regiões de terarhertz (THz) e infravermelho distante.

[002] O componente desenvolvido apresenta três diferentes regimes com as seguintes funcionalidades: a de filtro rejeita banda (regime 1), impedindo que determinadas frequências sejam transmitidas para as portas de saída, refletindo grande parte da onda eletromagnética para a porta de entrada e uma pequena parcela desta onda é absorvida pelo ressonador de grafeno; filtro passa banda com característica de divisor de potência (regime 2), dividindo a onda eletromagnética simetricamente entra as duas portas de saída e uma chave eletromagnética (regime 3), com elevada taxa ON-OFF e perdas de inserção relativamente baixas.

[003] A proposta da presente invenção é poder operar nas faixas de frequências de THz e do infravermelho distante, abrangendo o espectro eletromagnético entre (0,1 THz a 50 THz). A radiação THz apresenta propriedades únicas, dentre essas propriedades destacam-se: ser uma radiação não ionizante de baixa energia e segura para aplicações biológicas e médicas, elevada penetração em meios dielétricos secos, o largo intervalo espectral e a elevada largura de banda para comunicações, uma maior resolução em imageamento que as micro-ondas e uma maior penetração que o infravermelho, possibilitando diversas aplicações nas mais diversas áreas como biomedicina, segurança, astronomia, química, telecomunicações e outras.

[004] O desenvolvimento de novos dispositivos multifuncionais baseados em diferentes materiais como dielétricos, cristais fotônicos e grafeno tem sido abordado em vários relatórios descritivos de patentes de invenções, dentre os quais se destacam os descritos a seguir.

[005] Os dispositivos usando cristais fotônicos e ferrites, têm uma ampla variedade aplicacional. A patente BR102016008735-0 A2, refere-se a um dispositivo multifuncional de três portas. Sua estrutura é formada por um cristal fotônico bidimensional juntamente com três guias de onda acoplados há uma cavidade ressonante que contém um cilindro de ferrite magnetizado. Através da variação do campo magnético DC H0 aplicado sobre o cilindro de ferrite, o dispositivo passa a desempenhar três funções distintas, ou seja, passa a funcionar como isolador, divisor de potência e chave eletromagnética. O divisor de potência tem como função dividir a potência da onda de entrada entre dois ou mais canais de saída em um circuito eletrônico. Já as chaves eletromagnéticas possuem dois estados diferentes de funcionamento, o estado ligado, também chamado de estado ON ou o estado desligado, também chamado de estado OFF, dependendo de seu estado, as chaves selecionam os canais de saída para uma onda eletromagnética incidida na entrada de um circuito. A função de isolador surge quando a chave eletromagnética está em seu estado desligado (estado OFF), pois nessa situação ocorre o bloqueio das portas de saída do dispositivo, fazendo com que grande parte da onda eletromagnética seja refletida para a porta de entrada.

[006] A seguinte invenção US10036933B2, baseia-se em um cristal fotônico bidimensional em forma hexagonal, onde foram inseridos quatro guias de onda e uma cavidade ressonante com um cilindro de ferrite magnetizado. O dispositivo pode funcionar em diferentes regimes dependendo da orientação do campo magnético externo DC aplicado no cilindro de ferrite. A função de divisor para as duas portas de saída ocorre quando a orientação do campo magnético externo DC é +H0, designado de regime 1, mudando a orientação do campo magnético (-H0), tem-se o dispositivo funcionando como uma chave óptica, denominado de regime 2. No regime 3, tem-se a aplicação de um campo magnético externo DC +H1, o dispositivo funciona novamente como divisor, porém o sinal será dividido entre três portas de saída.

[007] Já a patente BR102015025274-9 A2 consiste de um dispositivo multifuncional planar baseado em grafeno e substrato dielétrico com arranjo periódico. Variando a energia de Fermi do grafeno, o dispositivo pode desempenhar três diferentes funções: filtro passa banda, filtro rejeita banda ou chave eletromagnética. Na função de filtro passa banda, certas frequências serão transmitidas e outras serão bloqueadas, na funcionalidade de filtro rejeita banda. Já a função de chaveamento desempenhada pelo dispositivo, acontece quando a frequência central de operação dos filtros passa banda e rejeita banda são controladas dinamicamente através da aplicação de uma tensão de polarização entre a camada dielétrica e a camada de grafeno, deslocando as bandas de frequência da região que transmite para a região que não transmite a onda eletromagnética. O princípio de funcionamento deste dispositivo é baseado no fenômeno da janela de transparência induzida eletromagneticamente (Electromagnetically Induced Transparency-EIT).

[008] Na invenção EP 2621085 A2 é apresentado um divisor de potência ajustável com uma entrada e duas saídas. Acoplados as duas saídas, têm-se dois deslocadores de fase, um em cada saída, e uma série de atenuadores, conectados a uma interface e um controlador. A função do controlador é receber através da interface, informações que indicam mudanças de fase e os níveis de atenuação que serão aplicados pelo primeiro e segundo deslocador de fase, tendo dessa forma o controle desses parâmetros. Este dispositivo pode ser usado em amplificadores, onde a divisão igual ou não dos sinais serão processadas de maneiras diferentes para que posteriormente possam ser combinados e fornecidos de forma amplificada.

[009] Por fim, a invenção CN 110890612A, refere-se a um filtro plasmônico ajustável, consistindo em uma cavidade ressonante, que pode ser usado em micro-nanooptoeletrônica. A invenção ainda consiste de dois guias de onda retangulares feitos em um filme metálico e acoplados frontalmente a cavidade ressonante, onde estruturas metálicas em forma de leque são inseridas de forma simétrica. A partir das análises percebe-se que, alterando os principais parâmetros da estrutura como: o ângulo de abertura θ da estrutura metálica embutida dentro da cavidade ressonante, o raio R da cavidade ressonante, a distância de acoplamento d entre a cavidade ressonante e os guias de onda e o índice de refração n do meio na cavidade ressonante, é possível melhorar as características de transmissão e reflexão do dispositivo, fazendo com que as características de filtragem sejam ajustáveis. Esta invenção poderá ser aplicada no campo das comunicações ópticas.

[010] O príncipio físico de funcionamento da invenção proposta baseia-se na propagação de ondas de plasmonicas de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP), que se propagam nos guias de onda de grafeno e excitam no ressonador circular de grafeno três modos ressonantes, que são os modos dipolo, quadrupolo e hexapolo.

[011] Os elementos de grafeno sem aplicação de campo magnético externo DC possuem características isotrópicas, logo sua condutividade elétrica será dada pela seguinte equação:

[012] Essa propriedade pode ser usada para projetar dispositivos na região de THz e do infravermelho distante, como é o caso do dispositivo proposto nessa patente. Da equação da condutividade temos que:

onde:

a) 0 é a condutividade universal (em Siemens)
b) é a velocidade de Fermi (metros por segundo);
c) é igual a 3,14;
d) ℏ é a constante de Planck (em Joule vezes segundo);
e) é a frequência angular da onda incidente (em radiano por segundo);
f) é o tempo de relaxação no grafeno (em picos segundos);
g) é a energia de Fermi da folha de grafeno (em elétron-volt);
h) é a unidade imaginária;

[013] As figuras em anexo são incluídas para proporcionar um maior entendimento da invenção, constituindo uma parte especifica desta patente. Os gráficos juntamente com a descrição detalhada a seguir, servem para explicar o princípio de funcionamento desta invenção.

[014] A figura 1 ilustra a geometria do dispositivo:

a) Na Fig.1a é apresentado o dispositivo multifuncional de três portas (101, 102 e 103) baseado em grafeno proposto nesta invenção. A estrutura é composta por três guias de onda de grafeno, o guia de entrada (201) com largura 1 = 200 e os de saída (202 e 203) de larguras 2 = 100 , os comprimentos dos guias 201, 202 e 203 são iguais a = 1500 . Os guias 201, 202 e 203 estão posicionados frontalmente ao ressonador circular de grafeno 204 de raio = 600 , formando uma estrutura em T. A distância de acoplamento entre o ressonador e os guias de onda é indicada por = 5 .
b) Na Fig.1b, temos a vista lateral da estrutura, mostrando o substrato dielétrico, formado pela camada 401 de SiO2 e a outra 402 de Si, onde os elementos de grafeno encontram-se depositados.
c) As espessuras das camadas 401 e 402 são iguais a ℎ1 = ℎ2 = 2500 e possuem permissividades elétricas de 2,09 e 11,9, respectivamente.

[015] A seguir, serão apresentadas em detalhes o princípio de funcionamento da invenção.

[016] A onda incidente na porta 101, excita ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP), que se propagam no guia de onda de grafeno 201, podendo excitar três diferentes modos ressonantes no ressonador circular de grafeno 204, sendo estes modos ressonantes, os modos dipolo, quadrupolo e hexapolo, o qual são ilustrados respectivamente nas distribuições de campo da componente do campo elétrico (figuras 2a, 2b e 2c) para as energias de Fermi de 0,8 eV para os guias 201, 202 e 203 e 0,6 eV para o ressonador 204. Desta forma, a onda eletromagnética incidida na porta 101 ao excitar o modo quadrupolo no ressonador 204 (figura 2b), propagará nos guias de onda 202 e 203 sendo transmitida para as portas 102 e 103. No caso dos modos dipolo ou hexapolo serem excitados no ressonador 204, a maior parte da onda será refletida para porta 101 através do guia de onda 201 e um pequena parcela será absorvida pelo ressonador 204, isolando as portas de saída 102 e 103, como mostrado nas figuras 2a e 2c

[017] As respostas em frequência do dispositivo multifuncional, mostrando as regiões de funcionamento do filtro rejeita banda (regime 1), assim como, a região do filtro passa banda com característica de divisor de potência (regime 2), são apresentadas na figura 3, com excitação pela porta de entrada 101. No eixo das abscissas estão representadas as frequências em (THz) e no eixo das ordenadas as perdas de inserção, isolamento e reflexão em (dB) do dispositivo. Para o cálculo desses parâmetros, consideramos apenas as perdas relacionadas a parte central do dispositivo (ressonador 204). Para este fim, subtraímos das perdas totais do dispositivo, a soma das perdas dos guias de onda de entrada 201 e um dos guias de saída 202 ou 203 (ver figura 1a).

[018] Pode-se observar nas curvas da figura 3, que as portas de saída 102 e 103 do dispositivo, apresentam isolamentos em torno de - 31,8 dB e - 25 dB nas frequências de operação dos modos dipolo (10,8 THz) e hexapolo (17,5 THz), respectivamente (regime 1). Já na frequência de operação para o modo quadrupolo (14,6 THz), o dispositivo apresenta característica de filtro passa banda com divisão da onda eletromagnética simetricamente entre as portas de saída 102 e 103 em torno de - 4,3 dB (regime 2).

[019] A figura 4 evidencia o comportamento das bandas de frequência dos filtros rejeita e passa banda (eixo y) com a variação da energia de Fermi do ressonador de grafeno (eixo x). Desta forma, é possível ter o controle dinâmico das respostas em frequência do dispositivo, alterando os valores da energia de Fermi do ressonador 204 de 0,2 eV a 1 eV, sem a necessidade de modificar a estrutura do dispositivo (Fig. 1). Esse objetivo pode ser alcançado através da aplicação de um campo elétrico externo devido a uma tensão de polarização aplicada entre o ressonador de grafeno 204 e a camada do substrato de silício 402. Pode-se observar o deslocamento das bandas de frequência de operação dos regimes 1 e 2 do dispositivo para valores mais altos de frequência com o aumento da energia de Fermi do grafeno.

[020] A terceira e última funcionalidade do dispositivo multifuncional apresentado nesta patente, faz referência a uma chave eletromagnética, regime 3 de operação da invenção, em que ocorre quando, a banda de operação do filtro rejeita banda, correspondente aos modos de operação dipolo e hexapolo, referente ao regime 1 de funcionamento do dispositivo, são deslocadas para a banda de operação do regime 2, modo de operação referente ao modo quadrupolo, através da aplicação de uma tensão de polarização entre a camada dielétrica de Si e a camada de grafeno.

[021] As regiões de operação para o estado ON e o estado OFF do regime 3, são mostradas em um primeiro momento na figura 5, em que, devido a alteração da energia de Fermi do ressonador de grafeno 204 de 0,6 eV para 1,11 eV, a banda de frequência correspondente a ressonância do modo dipolo (regime 1) é deslocada para a mesma região da banda de operação de frequência do modo quadrupolo (regime 2). Para o estado ON, a onda eletromagnética é dividida simetricamente para as portas de saída 102 e 103 com -4,3 dB de perdas de inserção para a região de operação do modo quadrupolo (regime 2). Já para o estado desligado da chave (estado OFF), em que ocorre o bloqueio da onda eletromagnética para as portas de saída 102 e 103, observa-se um isolamento em torno de -35 dB na região de operação do modo dipolo (regime 1). Com a diminuição da energia de Fermi do ressonador de grafeno 204 de 0,6 eV para 0,42 eV, a frequência de ressonância de operação para o modo hexapolo (regime 1), estado OFF, é deslocada para a frequência de operação do modo quadrupolo (regime 2), estado ON, isolando as portas saída 102 e 103 em -25 dB, como demonstrado na figura 6.

[022] Outra possibilidade de operação da chave eletromagnética, será reduzir a energia de Fermi do ressonador de 0,6 eV para 0 eV, fazendo com que a onda eletromagnética seja completamente refletida para a porta de entrada 101, impedindo sua transmissão para as portas de saída 102 e 103 (estado OFF), com uma banda de operação de 9,5 % para a faixa de operação do modo quadrupolo (Estado ON), como pode-se observar no gráfico da figura 7.

[023] A invenção sugerida nesta patente, têm dimensões nanométricas e apresenta boas características, além de operar em uma ampla faixa de frequência, tornando-se uma excelente opção de aplicabilidade em circuitos integrados plasmônicos nas regiões de terahertz (THz) e infravermelho distante.

Claims

Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, caracterizado por apresentar sua seção transversal formada por três camadas, compostas por grafeno, sílica (SiO2) e silício (Si).
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar três portas, sendo uma de entrada da onda eletromagnética e duas de saída. Um ressonador de grafeno em forma de disco e três guias de ondas também de grafeno acoplados frontalmente a ele. O guia de onda de entrada tem largura duas vezes maior que os guias de onda de saída e a estrutura do dispositivo tem o formato em T.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por seus elementos de grafeno estarem depositados em um substrato dielétrico de SiO2 e Si.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por operar nas faixas de frequência de THz e infravermelho distante.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado por ser capaz de operar em três diferentes regimes e realizar as seguintes funções: filtro eletromagnético rejeita banda (regime 1), impedindo que algumas frequências específicas sejam transmitidas para as portas de saída; divisor de potência (regime 2), oferecendo uma estrutura baseada em filtro de divisão de potência simétrica e a possibilidade de chaveamento da onda eletromagnética (regime 3).
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado por apresentar como princípio físico de funcionamento a propagação de ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP), que se propagam ao longo dos guias de onda de grafeno e excitam modos de ressonância de dipolo, quadrupolo e hexapolo no ressonador de grafeno.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado por atuar no regime 1 como filtro rejeita banda nas frequências de ressonâncias de modos dipolo e hexapolo, e no regime 2 como filtro passa banda com características de divisor de potência para a frequência de ressonância de modo quadrupolo. Ambos os regimes operam com energia de Fermi de 0,8 eV nos guias de onda e 0,6 eV no ressonador de grafeno em forma de disco. Os níveis de isolamento no regime 1 para os modos dipolo e hexapolo estão em torno de -31,8 dB e -25 dB e as perdas de inserção para o regime 2 no modo quadrupolo é próximo de -4,3 dB, respectivamente.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado por ser possível alterar a energia de Fermi do grafeno através da aplicação de um campo elétrico externo devido uma tensão de polarização aplicada entre a camada de Si e a camada de grafeno, possibilitando o controle dinâmico da banda de frequência de operação do dispositivo.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8, caracterizado por operar no regime 3 como chave eletromagnética com elevada taxa ON-OFF e perdas de inserção relativamente baixas, alterando a energia de do ressonador de grafeno.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9, caracterizado por ser capaz de operar como chave eletromagnética no regime 3. Alterando a energia de Fermi do ressonador de grafeno de 0,6 eV para 1,11 eV, é possível deslocar a banda de operação de ressonância do modo dipolo (estado OFF) para a banda de operação do modo quadrupolo (estado ON).
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10, caracterizado por atuar no regime 3 como chave eletromagnética, deslocando a faixa de frequência de operação do modo hexapolo (estado OFF) para a região de operação do modo quadrupolo (estado ON), através da diminuição da energia de Fermi do ressonador de 0,6 eV para 0,42 eV.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 e 11, caracterizado por desempenhar a função de chave eletromagnética no regime 3, com o estado ON no modo de ressonância de quadrupolo e o estado OFF, através da diminuição da energia de Fermi do ressonador de 0,6 eV para 0 eV.
Dispositivo Multifuncional ajustável em forma de T baseado em grafeno para as regiões terahertz (THz) e infravermelho distante, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 e 12, caracterizado por ser compacto, apresentar dimensões reduzidas e operar em uma ampla faixa de frequência, sendo útil para utilização em circuitos integrados plasmônicos nas regiões de terahertz (THz) e infravermelho distante.