WO2016172780A1 - "circulador t basedado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada" - Google Patents

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Gianni Masaki Tanaka PORTELA
Leno Rodrigues MARTINS
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Definitions

  • the present invention relates to a low symmetry T-format circulator based on a two-dimensional square lattice photonic crystal.
  • Photonic crystals are periodic structures constructed from materials that have different refractive indices. In such structures, there is a prohibited frequency band known as the photonic band gap. Electromagnetic waves with frequency within this range are reflected by the crystal. The occurrence of this phenomenon is used for the design of most devices based on photonic crystals.
  • Non-reciprocal components such as isolators and circulators, are used in communications systems to reduce unwanted reflections that cause instability in generators and amplifiers, as well as loss of performance in these systems.
  • the circulators perform the transmission of electromagnetic signals in a direction (clockwise or counterclockwise) determined by the signal (positive or negative) of a DC magnetic field applied over them.
  • a 3-door circulator for example, there may be the following modes of operation (input port - output port): 1 - 2, 2 - 3 and 3 - 1 (clockwise); or 1 - 3, 3 - 2, and 2 - 1 (counterclockwise).
  • the signal power present at the input port is fully transferred to the output port (lossless).
  • the circulator referred to in US20120243844 is constructed from a two-dimensional photonic crystal with triangular mesh of air-filled holes embedded in a dielectric material.
  • the resonant cavity thereof is composed of a cylinder of magneto-optical material and by holes with altered diameters (when compared to the other holes of the photonic crystal).
  • the device in question has three ports.
  • US20130223805 relates to a circulator built on a two-dimensional photonic crystal with square network of air-filled holes inserted in a dielectric material.
  • the resonant cavity of this circulator is characterized by four cylinders of magneto-optical material around a central dielectric cylinder and three dielectric cylinders with modified diameters.
  • All of the above devices are employed primarily to perform the isolation function, that is, to protect signal sources against parasitic reflections from unmarried loads ideally connected to a communications system.
  • the proposed device being based on photonic crystal technology, can be built with small dimensions, favoring the increase in the integration density of components in communication systems.
  • the present circulator has a resonant cavity with simplified geometry, making it more viable from a construction and mass production standpoint. In addition, it has reduced losses.
  • the proposed circulator magnetization circuit is simplified since the circulator in question operates with uniform magnetization and an electromagnet is able to perform this function.
  • the intensity of the DC magnetic field generated by the electromagnet is proportional to the intensity of the current flowing through it.
  • the device developed is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a square network of dielectric cylinders immersed in air.
  • this crystal two types of defects are inserted, namely:
  • the device has the following characteristics:
  • the resonant cavity is formed by a central ferrite cylinder and two dielectric cylinders next to it with increased diameters.
  • the central cylinder is made from a nickel zinc based ferrite and has been inserted in a position offset from the axis of the horizontal waveguides.
  • ⁇ is the electrical permittivity of the material (in Farads per meter);
  • ⁇ 0 is the electrical permittivity of free space (in Farads per meter);
  • ⁇ 0 is the free space magnetic permeability (in Henrys per meter);
  • f) ⁇ is a parameter that can be calculated from the following formula:
  • h) k is a parameter that can be calculated from the following formula:
  • M 0 is the saturation magnetization (398 kiloampère per meter)
  • y is the gyromagnetic ratio (2.33 x 10 5 radians per second / Ampere per meter)
  • ⁇ is the damping factor (0.031 75 )
  • ⁇ is the angular frequency (in radians per second)
  • H 0 is the intensity of the applied external magnetic field DC (in kiloampère per meter);
  • Figure 2 shows the Ez component of the electromagnetic field in the device when the input signal is applied to the waveguide 102.
  • Figure 3 shows the Ez component of the electromagnetic field in the device when the input signal is applied to the waveguide 103.
  • Figure 4 shows schematically details of the geometry of the resonant cavity that is part of the device.
  • Figure 5 shows the frequency response of the device.

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Abstract

A presente invenção baseia-se em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede quadrada de cilindros dielétricos imersos em ar onde são inseridos, de forma controlada, defeitos que originam três guias de ondas e uma cavidade ressonante. A cavidade é composta por um cilindro de ferrite, com propriedades magneto-ópticas, e por dois cilindros dielétricos próximos ao de ferrite. Possui a função de transmitir sinais eletromagnéticos em um sentido desejado (horário ou anti-horário), definido pelo sinal de um campo magnético externo DC H0.

Description

"CIRCULADOR T BASEADO EM UM CRISTAL FOTÔNICO BIDIMENSIONAL COM REDE QUADRADA".
[001 ] A invenção apresentada refere-se a um circulador no formato T com baixa simetria baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada.
[002] Cristais fotônicos são estruturas periódicas construídas com materiais que apresentam diferentes índices de refração. Em tais estruturas, há uma faixa de frequências proibida, conhecida como photonic band gap. Ondas eletromagnéticas com frequência localizada dentro desta faixa são refletidas pelo cristal. A ocorrência desse fenómeno é aproveitada para o projeto da maioria dos dispositivos que se baseiam em cristais fotônicos.
[003] Componentes não recíprocos, como isoladores e circuladores, são usados em sistemas de comunicações para reduzir reflexões indesejáveis que provocam instabilidade em geradores e amplificadores, bem como perda de desempenho nestes sistemas.
[004] Por conta da não reciprocidade, os circuladores realizam a transmissão de sinais eletromagnéticos em um sentido (horário ou anti-horário) determinado pelo sinal (positivo ou negativo) de um campo magnético DC aplicado sobre os mesmos. Deste modo, em um circulador de 3 portas, por exemplo, pode haver os seguintes modos de operação (porta de entrada - porta de saída): 1 - 2, 2 - 3 e 3 - 1 (sentido horário); ou 1 - 3, 3 - 2 e 2 - 1 (sentido anti-horário). Em um circulador ideal, a potência do sinal presente na porta de entrada é totalmente transferida para a porta de saída (sem perdas).
[005] Com a realização de pesquisas referentes ao desenvolvimento de novos dispositivos baseados em cristais fotônicos, algumas patentes relacionadas a circuladores baseados nestas estruturas já foram depositadas.
[006] Por exemplo, o circulador a que se refere a patente US20120243844 é construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede triangular de furos preenchidos com ar, inseridos em um material dielétrico. A cavidade ressonante do mesmo é composta por um cilindro de material magneto-óptico e por furos com diâmetros alterados (quando comparados aos demais furos do cristal fotônico). O dispositivo em questão possui três portas.
[007] No relatório descritivo da patente US20120251048 é apresentado um circulador com quatro portas que se baseia no acoplamento de duas cavidades ressonantes. Ambas as cavidades são formadas por um cilindro de material magneto-óptico e por furos com diâmetros modificados.
[008] Já a patente US20130223805 diz respeito a um circulador construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada de furos preenchidos com ar, inseridos em um material dielétrico. A cavidade ressonante desse circulador caracteriza-se por apresentar quatro cilindros de material magneto-óptico ao redor de um cilindro dielétrico central e três cilindros dielétricos com diâmetros modificados.
[009] Todos os dispositivos supracitados são empregados, principalmente, para a realização da função de isolação, ou seja, da proteção de fontes de sinais contra reflexões parasitas provenientes de cargas não casadas idealmente e conectadas a um sistema de comunicações.
[010] Em um circulador de três portas, por exemplo, supondo que na porta 1 esteja conectada uma fonte de sinais (entrada), na porta 2 o circuito que receberá o sinal proveniente da fonte de sinais (saída) e na porta 3 uma carga casada idealmente, o circulador faz com que ocorra a situação descrita abaixo.
[01 1 ] Considerando a propagação no sentido horário (1 - 2, 2 - 3 e 3 - 1 ), o sinal que provém da entrada (porta 1 ) será enviado para a saída (porta 2). Entretanto, reflexões parasitas que podem eventualmente ser originadas na saída (porta 2) não retornam para a entrada (porta 1 ). Elas serão direcionadas para a porta 3, onde está conectada uma carga casada idealmente que as absorverá, protegendo a fonte de sinais conectada à porta 1 .
[012] O dispositivo proposto, por ser baseado na tecnologia de cristais fotônicos, pode ser construído com dimensões reduzidas, favorecendo o aumento na densidade de integração de componentes em sistemas de comunicações. [013] Quando comparado aos circuladores supracitados, o presente circulador possui uma cavidade ressonante com geometria simplificada, tornando-o mais viável do ponto de vista da construção e da produção em massa. Além disso, ele possui perdas reduzidas.
[014] O circuito de magnetização do circulador proposto é simplificado, já que o circulador em questão opera com magnetização uniforme e um eletroímã é capaz de cumprir esta função. A intensidade do campo magnético DC gerado pelo eletroímã é proporcional à intensidade da corrente que o atravessa.
[015] Entre as características de desempenho do circulador desenvolvido, destacam-se as baixas perdas de inserção entre a entrada e a saída, os altos níveis de isolação da entrada em relação às reflexões parasitas oriundas da saída e a grande largura de banda de operação.
[016] De maneira geral, o dispositivo desenvolvido é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede quadrada de cilindros dielétricos imersos em ar. Neste cristal, são inseridos dois tipos de defeitos, a saber:
[017] a) Remoção de fileiras de cilindros (defeitos lineares), que dão origem aos guias de ondas;
[018] b) Alteração do raio, da posição e do índice de refração de cilindros dielétricos localizados no centro do dispositivo (defeitos locais), que originam a cavidade ressonante do mesmo.
[019] De maneira mais específica, o dispositivo possui as seguintes características:
[020] a) Para a frequência central de operação de 100 GHz, a constante de rede do cristal (a) é igual a 1 ,065 milímetros;
[021 ] b) O raio dos cilindros pertencentes à rede cristalina é igual a 0,2a;
[022] c) Os três guias de ondas são inseridos através da criação de três defeitos lineares;
[023] d) A cavidade ressonante é formada por um cilindro central de ferrite e por dois cilindros dielétricos próximos a este com diâmetros aumentados. O cilindro central é feito a partir de uma ferrite à base de níquel-zinco e foi inserido em uma posição deslocada em relação ao eixo dos guias de onda horizontais.
[024] e) A ferrite é um material girotrópico, sendo descrita pelas seguintes expressões para a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética: [025] f) ε = 12,5ε0;
Figure imgf000006_0001
[026] Onde:
[027] a) ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro);
[028] b) ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro);
[029] c) [μ] é o tensor permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro);
[030] d) μ0 é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);
[031 ] e) i é a unidade imaginária;
[032] f) μ é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:
[033] g) μ = 1 + m \ ' J 2 ;
(ωι + j jua) - ω
[034] h) k é um parâmetro que pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:
[035] i) k = 2 ;
(ωι + j jua) - ω
[036] j) Os parâmetros m e ω são definidos pelas fórmulas a seguir:
Figure imgf000006_0002
[038] I) M0 é a magnetização de saturação (398 quiloampère por metro), y é a razão giromagnética (2,33 x 1 05 radianos por segundo/Ampère por metro), α é o fator de amortecimento (0,031 75), ω é a frequência angular (em radianos por segundo) e H0 é a intensidade do campo magnético externo DC aplicado (em quiloampère por metro);
[039] m) O valor da relação k/μ é igual a 0,1 7. [040] A figura 1 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 101 .
[041 ] A figura 2 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 102.
[042] A figura 3 mostra a componente Ez do campo eletromagnético no dispositivo quando o sinal de entrada é aplicado no guia de ondas 103.
[043] A figura 4 apresenta, de forma esquemática, detalhes da geometria da cavidade ressonante que faz parte do dispositivo.
[044] A figura 5 apresenta a resposta em frequência do dispositivo.
[045] Quando a excitação é aplicada na porta 1 (associada ao guia de ondas
101 ), há transmissão do sinal desta porta para a porta 3 (associada ao guia de ondas 103), com isolação da porta 2 (associada ao guia de ondas 102) devido ao alinhamento especial do modo dipolo, conforme pode ser observado na figura 1 ; de modo semelhante, quando o sinal de entrada é aplicado nas portas
2 (figura 2) e 3 (figura 3), este é transferido para as portas 1 (com isolação da porta 3) e 2 (com isolação da porta 1 ), respectivamente. Este caso corresponde à propagação no sentido anti-horário. Caso o sinal do campo magnético externo DC H0 seja invertido, a propagação de sinais ocorrerá no sentido horário (1 2, 2 ^ 3 e 3 ^ 1 ).
[046] Nos casos ilustrados nas figuras 1 e 2, pode-se observar que o modo dipolo estacionário excitado na cavidade ressonante é rotacionado por um ângulo de 45 °, o que proporciona o isolamento das portas 2 e 3, respectivamente. Por outro lado, no caso ilustrado na figura 3, é mostrado que o modo dipolo estacionário não sofre rotação, fazendo com que o sinal de entrada aplicado na porta 3 seja transferido para a porta 2, com isolamento da porta 1 .
[047] Com o objetivo de obter uma maior largura de banda foram realizados ajustes na estrutura central do dispositivo, que podem ser observados na figura 4. O raio do cilindro 401 foi aumentado em 0,10562a e o deslocamento deste em relação ao eixo dos guias de ondas 102 e 103 (Δν-ι) é de 0.69086a. O cilindro 402 teve o raio reduzido em 0,01249a e foi deslocado verticalmente em relação ao eixo dos cilindros superiores (Δν2) em 0.2563a. Os raios dos cilindros 403 e 404 foram aumentados em 0,07439a.
[048] A resposta em frequência do dispositivo é apresentada na figura 5. Na frequência central normalizada íoa/2nc = 0,3499, as perdas de inserção são menores que -0,05 dB, onde: ω é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo). Na faixa de frequências localizadas em torno de 100 GHz, a largura de banda (definida no nível de -15 dB das curvas de isolamento) é igual a 620MHz para excitação na porta 1 , 680MHz para excitação na porta 2 e 730MHz para excitação na porta 3.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 . Circulador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, caracterizado por ter como base um cristal fotônico bidimensional no qual são inseridos três guias de ondas e uma cavidade ressonante e por realizar a transmissão de sinais eletromagnéticos em um determinado sentido (horário ou anti-horário), com o sentido sendo determinado pelo sinal de um campo magnético externo DC aplicado sobre o dispositivo.
2. Circulador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por apresentar uma cavidade ressonante com estrutura simplificada, formada por um cilindro de ferrite e por dois cilindros dielétricos próximos ao de ferrite, com diâmetros ampliados (quando comparados aos demais cilindros que compõem o cristal fotônico).
3. Circulador T baseado em um cristal fotônico bidimensional com rede quadrada, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que, na frequência central normalizada ωει/2πο = 0,3499, as perdas de inserção são menores que -0,05 dB, enquanto que a largura de banda, definida para a faixa de frequências de 100 GHz, é igual a 620MHz para excitação na porta 1 , 680MHz para excitação na porta 2 e 730MHz para excitação na porta 3, no nível de -15 dB das curvas de isolamento.
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