BR102020024867A2

BR102020024867A2 - Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno

Info

Publication number: BR102020024867A2
Application number: BR102020024867-7A
Authority: BR
Inventors: Victor Dmitriev; Geraldo Souza De Melo; Wagner Ormanes Palheta Castro
Original assignee: Universidade Federal Do Pará; Universidade Federal Rural Da Amazônia
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-21

Abstract

Uma estrutura de interseção plasmônica ultracompacta baseada em nanofitas de grafeno com funcionalidade de chave eletromagnética ajustável com característica de divisor de potência é sugerida nesta invenção. A estrutura do dispositivo consiste em três guias de onda de grafeno, sendo um de entrada e dois de saída, acoplados frontalmente a uma região central também de grafeno, com geometria em T, todos depositados em substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si). O dispositivo em questão, baseia-se na propagação de ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP) guiadas nas nanofitas de grafeno. A energia de Fermi da região central do dispositivo pode ser alterada por um campo eletrostático devido a uma diferença de potencial elétrico aplicada entre o Si e a parte central de grafeno. No estado ON, em que as nanofitas e a região central do dispositivo têm a mesma energia de Fermi (0,8 eV), a onda eletromagnética incidida na porta de entrada é dividida simetricamente entre as duas portas de saída, com perdas de inserção em torno de -3,5 dB e coeficiente de reflexão melhor que -15 dB. No estado OFF, a energia de Fermi da região central de grafeno é alterada para 0 eV, fazendo com que a onda incidida na porta de entrada seja completamente refletida, com coeficiente de reflexão em torno de -1 dB, impedindo sua transmissão para as portas de saída com isolamento abaixo de -30 dB. A invenção proposta apresenta uma largura de banda ultra larga de aproximadamente 90%, o que lhe garante um bom desempenho em uma ampla faixa de frequência, podendo operar nas frequências de THz ou infravermelho distante, sendo útil para aplicações em circuitos integrados plasmônicos.

Description

CHAVE ELETROMAGNÉTICA E DIVISOR DE POTÊNCIA ULTRACOMPACTO DE TRÊS PORTAS BASEADO EM NANOFITAS DE GRAFENO

[001] A referida invenção, corresponde a um dispositivo plasmônico ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno. O dispositivo consiste de um substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si), onde estão depositados três guias de onda de grafeno acoplados frontalmente a uma região central em forma de T, também de grafeno. As dimensões do dispositivo podem ser alteradas, fazendo com que ele possa atuar tanto na faixa de frequência que abrange as regiões de terahertz (THz) e infravermelho distante, o que é condizente com o, bem estabelecido, princípio da escalabilidade das equações de Maxwell para o eletromagnetismo.

[002] As chaves eletromagnéticas operam no controle da propagação da onda eletromagnética em canais de comunicações, permitindo ou bloqueando a passagem desta onda. Desta forma, a invenção proposta nesta patente, opera sob dois diferentes regimes de funcionamento: o regime ou estado ligado (estado ON), em que a onda eletromagnética incidida na porta de entrada 1 é dividida igualmente entre as duas portas de saída 2 e 3 da chave; e o regime ou estado desligado (estado OFF), em que a saída da chave é completamente isolada da entrada, não havendo transmissão da onda eletromagnética para as portas de saída 2 e 3 do dispositivo. Sendo que, a transição entre os estados de operação ON e OFF da chave são controladas alterando-se a energia de Fermi da região central do dispositivo, através de um campo eletrostático devido a uma diferença de potencial elétrico aplicada entre a camada de Si e a parte central de grafeno em forma de T.

[003] Diversas patentes tratando de dispositivos baseados em diferentes materiais, cristais fotônicos e grafeno já foram desenvolvidas, entre elas, pode-se citar:

[004] A invenção CN101561531 refere-se a um divisor de potência com dois canais de saída e um de entrada, baseado em um cristal fotônico com rede quadrada. Onde três guias de onda são inseridos na estrutura periódica através da remoção de cilindros horizontalmente e verticalmente, e estão conectados a uma cavidade ressonante localizada no centro do dispositivo. Os guias, retilíneos, formam entre si uma estrutura em T, e um sinal que incide no guia de onda de entrada é dividido igualmente entre os dois guias de onda de saída.

[005] Já a invenção BR102013018869 A2, refere-se a um divisor por três não recíproco baseado em um ressoador magneto-óptico. Ela baseia-se em um cristal fotônico bidimensional onde são inseridos defeitos de forma controlada, tem como função a divisão da potência de um sinal de entrada, presente em um dos seis guias de onda que o compõem, entre outros três guias de onda (saídas), enquanto mantém isolada a entrada das saídas com o auxílio dos dois guias de onda restantes. O princípio de funcionamento do dispositivo é baseado no alinhamento de um modo dipolo, excitado na cavidade ressonante, de tal modo que o plano nodal do modo dipolo fique orientado na mesma direção de dois guias, fazendo com que nestes não sejam excitadas ondas eletromagnéticas. Este alinhamento faz com que os três guias de saída recebam, cada um, cerca de um terço da potência do sinal de entrada. A orientação do modo dipolo é controlada pelo campo magnético DC aplicado e pelos parâmetros físicos e geométricos do ressoador.

[006] A patente BR1020130306240 A2 consiste de uma chave ótica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com guias de onda frontalmente acoplados a um ressonador magnético-óptico. A presente invenção é uma chave óptica que promove o controle da transmissão de um sinal eletromagnético em dispositivos ópticos. Ela é baseada em um cristal fotônico bidimensional onde são inseridos defeitos de forma controlada. O dispositivo possui dois estados (ON e OFF), sendo a transição entre os mesmos controlada a partir da variação de um campo magnético DC externo H0. No estado ON ocorre a transmissão de sinal, com baixas perdas de inserção, enquanto que no estado OFF o sinal é bloqueado, com alto isolamento entre os guias de onda de entrada e saída. O funcionamento do dispositivo é baseado na orientação de um modo dipolo, excitado na cavidade ressonante por um sinal eletromagnético. Quando não ocorre a aplicação do campo H0, o plano nodal do modo dipolo se alinha de modo perpendicularmente ao eixo dos guias de onda, ocorrendo a transmissão do sinal (estado ON). Por outro lado, com a aplicação do campo H0, o plano nodal do modo dipolo sofre uma rotação por 90°, de modo que ele fique alinhado paralelamente ao eixo dos guias de onda, interrompendo a transmissão do sinal (estado OFF).

[007] Uma chave óptica com uma estrutura de cristal fotônico é sugerida na patente US2005249455. A invenção possui uma estrutura de guia de onda óptico, cujo seu núcleo possui uma estrutura de cristal fotônico bidimensional em que dois ou mais meios com diferentes índices de refração são alternados e regularmente dispostos de maneira bidimensional. Os estados ON e OFF da chave podem ser controlados pelo índice de refração dos materiais através da injeção de uma corrente elétrica em um dos eletrodos presente na estrutura, fazendo com que o valor deste parâmetro seja alterado.

[008] Destacam-se também as patentes BR1020160134064 A2 e WO2019/136542 referente a dois circuladores de três portas baseados em grafeno e substrato dielétrico operando na região de terahertz (THz). Os dispositivos consistem de três guias de onda de grafeno acoplados a um ressonador também de grafeno com diferentes geometrias, um em forma de Y e o outro tipo W. Ambos os dispositivos tem como princípio de funcionamento a propagação de ondas plasmônicas nos guias de onda de grafeno que excitam ressonâncias de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP) no ressonador, adquirindo um perfil de campo de modo dipolo. No caso do ressonador não está magnetizado, ao incidir uma onda eletromagnética em uma das portas dos dispositivos, a mesma será dividida entre as outras duas portas de saída, funcionando como um divisor de potência. Enquanto que, ao aplicarmos um campo magnético DC externo, perpendicularmente ao ressonador de grafeno, o dipolo será rotacionado em 30°, fazendo com que o plano nodal do modo dipolo alinhe-se como uma determinada porta, isolando-a. Desta forma, a onda eletromagnética será transmitida para uma terceira porta.

[009] Pode-se observar que todas as patentes citadas acima tem algo em comum, seja controlando o fluxo de onda eletromagnetica ou dividindo esta onda entre dois ou mais canais de saída. Porém, a patente sugerida nesta invenão, além de poder operar nas região de THz e infravermelho distante; é a única que pode realizar as duas funções. Semelhante as últimas duas invenções citadas, o princípio físico de funcionamento do dispositivo proposto nesta patente, também baseia-se na propagação de ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP), que se propaga no guia de onda de entrada do dispositivo e ao chegar na parte central em forma de T, pode ser transmitida de forma simétrica para as portas de saída ou então ser refletida para a porta de entrada, caracterizando os estados ON e OFF do dispositivo, respectivamente.

[010] O modelo de condutividade elétrica do grafeno para obtenção dos parametros-S e as estruturas de campo do dispositivo é dada pela seguinte equação:

Onde:

e os seguintes parâmetros físicos e constantes são dadas por:

a) σ0 é a condutividade universal (em Siemens)
b) vF é a velocidade de Fermi (metros por segundo);
c) π é igual a 3,14;
d) h é a constante de Planck (em Joule vezes segundo);
e) ω é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo);
f) τ é o tempo de relaxação no . (em picos segundos);
g) eF é a energia de Fermi da folha de grafeno (em elétron-volt);
h) i é a unidade imaginária;

[011] Dentre as variações de configuração geométrica deste dispositivo, será apresentado, a seguir, um exemplo de uma chave eletromagnética de três portas baseada em nanofitas de grafeno.

[012] A representação esquemática da invenção, juntamente com o sistema de coordenadas adotado são mostrados na figura 1. O dispositivo apresenta três portas (101, 102 e 103); três nanofitas de grafeno, sendo uma de entrada (201), conectada a porta de entrada 101 e duas de saída (202 e 203) conectadas as portas de saída 102 e 103, respectivamente. As nanosfitas 201, 202 e 203 estão acopladas frontalmente a uma região central de grafeno em forma de T (204), como representado na figura 1a. Os elementos de grafeno estão depositados em um substrato dielétrico de sílica (401) e silício (402), como demostrado na figura 1b.

[013] A invenção em questão apresenta as seguintes dimensões:

a) A largura do guia de entrada 201 é w1 = 200 nm, duas vezes maior que a largura dos guias de onda de saída 202 e 203, que são iguais a w2 = 100 nm, isso se faz necessário para ajustar a impedância característica do guia de onda de entrada 201 e dos guias de saída 202 e 203, fazendo com que as perdas de inserção (transmissão) para as portas de saída 102 e 103 sejam melhoradas, assim como o coeficiente de reflexão da porta de entrada 101.
b) O comprimento tanto do guia de onda de entrada 201 como os de saída 202 e 203 são iguais a L = 1500 nm.
c) A parte central em forma de T 204 (Fig. 1a), tem sua base de comprimento R = 600 nm, conectada ao guia de onda de entrada 201 e seu topo com comprimento 2R, conectado aos dois guias de saída 202 e 203.
d) Toda a estrutura de grafeno está depositada em um substrato dielétrico de sílica 401 e o silício 402, com espessuras e permissividades elétricas de h1=h2 = 2500 nm, 2,09 e 11,9, respectivamente.

[014] A porta 101, excita ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP), que se propagam no guia de onda de grafeno 201 até a parte central do dispositivo 204, podendo a mesma ser completamente refletida para a porta 101 através do guia de entrada 201 ou ser transmitida para as portas de saída 102 e 103 através dos guias 202 e 203, como exemplificado na estrutura de campo da componente Ez do campo elétrico nas figuras 2a e 2b, respectivamente.

[015] No gráfico da figura 3, são apresentados os parâmetros-S em dB (eixo y) em função da frequência em THz (eixo x), para os estados ON e OFF da chave eletromagnética proposta nesta invenção. No estado ON de funcionamento do dispositivo, em que as nanofitas de grafeno 201, 202 e 203, e a região central 204, tem o mesmo valor de energia de Fermi (0,8 eV), a onda eletromagnética incidida na porta de entrada 101 é dividida simetricamente entre as duas portas de saída 102 e 103, com perdas de inserção em torno de -3,5 dB e coeficiente de reflexão melhor que -15 dB. Já no estado OFF, em que a energia de Fermi da região central de grafeno 204 é alterada para 0 eV, através de uma tensão de polarização aplicada entre a camada de silício 402 e a parte central de grafeno 204, a onda incidida na porta de entrada 101 é completamente refletida, com coeficiente de reflexão em torno de -1 dB, impedindo sua transmissão para as portas de saída 102 e 103 com isolamento abaixo de -30 dB.

[016] Para o cálculo dos parâmetros-S, mostrado na figura 3, foram consideradas apenas as perdas referentes a parte central do dispositivo 204 (Fig. 1a). Com este propósito, foram retiradas das perdas totais do dispositivo, as perdas relacionadas aos guias de onda de entrada 201 de largura w1 e comprimento L e um dos guias de saída 202 ou 203 de largura w2 e comprimento L (ver figura 1a).

[017] Por fim, a invenção proposta nesta patente apresenta uma largura de banda ultra larga de aproximadamente 90%, levando em consideração o nível de reflexão da porta 101 em -15 dB, o que lhe garante um bom desempenho em uma ampla faixa de frequência, podendo operar nas frequências de THz ou infravermelho distante, sendo útil para aplicações em circuitos integrados plasmônicos.

Claims

Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, caracterizado por basear-se em grafeno, substrato dielétrico de sílica (SiO2) e silício (Si), e poder operar nas faixas de frequências de THz e do infravermelho distante.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar uma região central de grafeno em forma de T e três nanofitas também de grafeno acopladas frontalmente a ela, sendo a estruturara do dispositivo composta por uma porta de entrada para a incidência da onda eletromagnética, com largura duas vezes maior que as duas portas de saída.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por operar sob dois regimes ou estados de funcionamento, o estado ON, em que a onda eletromagnética incidida na porta de entrada 1 é dividida simetricamente entre as duas portas de saída 2 e 3, enquanto que, no estado OFF, está onda é completamente refletida de volta para a porta de entrada 1, impedindo que ela seja propagada para as portas de saída 2 e 3.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por ter como princípio básico de funcionamento, a propagação de ondas de plasmons polaritons de superfície (Surface plasmon-polariton - SPP) guiadas nas nanofitas de grafeno e na região central também de grafeno.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado por ser capaz de controlar o fluxo de onda eletromagnética incidida na porta de entrada do dispositivo através da mudança da energia de Fermi da parte central de grafeno, com a aplicação de um campo eletrostático devido a uma diferença de potencial elétrico aplicada entre o substrato dielétrico e a estrutura central de grafeno em forma de T.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado por apresentar o mesmo valor de energia de Fermi de 0,8 eV para as nanofitas e a região central, caracterizando o estado ON do dispositivo, que neste caso, a onda eletromagnética incidida na porta de entrada é dividida igualmente entre as duas portas de saída, com perdas de inserção em torno de -3,5 dB.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado por no estado OFF, ser possível alterar a energia de Fermi da região central de grafeno de 0,8 eV para 0 eV, fazendo com que a onda incidida na porta de entrada seja completamente refletida, com coeficiente de reflexão em torno de -1 dB, impedindo sua transmissão para as portas de saída com isolamento abaixo de -36 dB.
Chave eletromagnética e divisor de potência ultracompacto de três portas baseado em nanofitas de grafeno, de acordo com as reivindicações 1,2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado por apresentar uma largura de banda ultra larga, o que lhe garante um bom desempenho em uma ampla faixa de frequência, podendo operar nas frequências de THz e infravermelho distante, sendo bastante útil para aplicações em circuitos integrados plasmônicos.