WO2019136542A1

WO2019136542A1 - Circulador controlável de três portas de grafeno tipo-w na faixa de thz

Info

Publication number: WO2019136542A1
Application number: PCT/BR2019/050011
Authority: WO
Inventors: Victor DMITRIEV; Wagner ORMANES PALHETA CASTRO; Gianni MASAKI TANAKA PORTELA
Original assignee: Universidade Federal Do Pará; Universidade Federal Rural Da Amazônia
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2019-07-18
Also published as: BR102018000636A2

Abstract

A invenção em questão, consiste de um circulador de três portas com geometria em forma da letra W baseado em grafeno e operando na região de THz. Podendo o mesmo ser classificado como um componente passivo nãorecíproco, cuja a finalidade é transmitir o sinal eletromagnético injetado por uma determinada porta de entrada e conduzir este sinal a uma outra porta de saída após a aplicação de um campo magnético DC externo, isolando assim, uma terceira porta. Esta invenção pode ser empregada como um dispositivo na proteção de fontes eletromagnéticas contra reflexões indesejadas vinda da porta de saída, o qual será conduzida para a porta que foi isolada. Este dispositivo consiste de três guias de onda de grafeno entorno de um ressonador circular também de grafeno sob um substrato de SiO₂ e Si. O princípio de funcionamento deste dispositivo basear-se na propagação de ondas plasmônicas na interface grafeno-dielétrico na região de THz. Após incidirmos uma onda eletromagnética em uma das entradas do guia de onda, a estrutura apresenta um alto confinamento da onda guiada na fita de grafeno excitando assim ressonâncias plásmons poláritons de superfície (SPP) no ressonador também de grafeno, adquirindo assim o perfil de campo de dipolo, o qual, pode ser orientado de acordo com o sinal do campo magnético DC aplicado. A frequência central do dispositivo assim como suas características pode ser controlada variando o potencial químico do ressonador de grafeno.

Description

CIRCULADOR CONTROLÁVEL DE TRÊS PORTAS DE GRAFENO TIPO-W

NA FAIXA DE THz

[001 ] A presente invenção refere-se a um circulador de três portas em forma da letra W feito de grafeno e depositado sobre substrato dielétrico. Este dispositivo consiste de três guias de ondas de grafeno posicionado a uma distância d do ressonador circular também de grafeno.

[002] A função deste dispositivo é transmitir o sinal eletromagnético incidido em uma de suas portas para uma determinada porta de saída, fazendo com que uma terceira porta fique isolada. Como exemplo, a invenção em questão recebe o sinal eletromagnético na porta 1 e o conduz para a porta 3, isolando a porta 2, após a aplicação de um campo magnético DC externo.

Caso o sinal seja incidido na porta 2, este é transmitido para a porta 1 , isolando a porta 3. De maneira análoga se o sinal for incidido pela porta 3 ele é transmitido para a porta 2, isolando a porta 1.

[003] Em relação as aplicações deste dispositivo, pode-se citar a proteção de fontes eletromagnéticas contra reflexões indesejadas oriundas da porta de saída devido os outros elementos de circuito. Por exemplo, caso o sinal seja injetado na porta 1 , a reflexão oriunda da porta 3 irá ser transmitida para a porta 2 ao invés de voltar para a porta 1 , protegendo assim a fonte que alimenta o circuito ligado a este dispositivo.

[004] A região de operação do dispositivo em questão é a faixa de frequência do início de terahertz, entre 1 THz e 10 THz, região do qual oferece algumas vantagens em relação a faixa de frequência de GHz, como por exemplo apresentar uma maior taxa de transferência de dados em

transmissões de comunicações sem fio.

[005] Algumas invenções encontradas na literatura operam em várias faixas de frequência ou apresentam o mesmo princípio de funcionamento da invenção em questão. Pode-se citar como exemplo a patente US6873462B2, o qual consiste de um circulador de três portas operando na região óptica, podendo ser usado geralmente em sistemas de comunicação e medição óptica.

[006] Semelhante a invenção anterior, tem-se a patente US8693823B2, o qual consiste de um circulador de três portas a base de cristal fotônico, composto por material dielétrico e vários furos de ar que são dispostas simetricamente em forma de rede triangular. Compreendendo também uma cavidade magneto-óptica localizada no centro do cristal fotônico e três guias de ondas simetricamente distribuído ao redor da cavidade e operando na faixa de frequência de GHz.

[007] Já a patente US20130270188A1 faz referência a um filtro baseado em grafeno composto de uma ou mais camada de óxido de grafeno ou grafeno ligado a um substrato poroso. Como o grafeno é um material impermeável, atomicamente fino, este pode atuar como uma membrana altamente permeável e seletiva.

[008] De acordo com as invenções apresentadas acima, seja circuladores a base de cristal fotônico ou dispositivos a base de grafeno, pode-se observar que nenhuma das patentes apresenta um circulador a base de grafeno, capaz de comportar a propagação de ondas plasmônicas conhecidas como surface plasmon polaritons - SPP, além de ser possível seu controle através do campo elétrico aplicado. Características essas apresentadas na invenção proposta.

[009] A invenção em questão, consiste de um circulador de três portas com geometria em forma de W baseado em grafeno depositado sobre substrato dielétrico e operando na região de THz. Este dispositivo é baseado na propagação de plasmon-polaritons de superfície na interface entre o metal (grafeno) e os dielétricos (S1O2) e ar, fazendo com que 0 sinal eletromagnético seja guiado e altamente confinado na interface entre metal e dielétrico.

[010] A geometria do dispositivo é composta de uma cavidade circular ressonante de grafeno com três guias de ondas também de grafeno distribuída ao seu redor, formando um ângulo de 60^Q entre si. Protegendo a fonte eletromagnética do circuito contras reflexões nocivas indesejadas.

[01 1 ] De acordo com 0 princípio da escalabilidade do eletromagnetismo através das equações de Maxwell, as características do dispositivo como frequência de operação e campo magnético DC externo podem ser alteradas, dependendo exclusivamente das dimensões físicas do circulador, como diâmetro do ressonador central, assim como largura e comprimento dos guias de ondas.

[012] A seguir apresenta-se uma das possíveis configurações em que 0 dispositivo em questão pode operar.

[013] Para que 0 dispositivo opere na frequência central de 7.51 THz, devemos ter as dimensões abaixo: a) Uma cavidade circular ressonante de grafeno com raio de 320 nm.

b) Três nano-fitas de grafeno de 900 nm de comprimento e 120 nm de largura, colocadas a uma distância de 5 nm do ressonador.

c) Duas camadas de dielétrico atuando como substrato. Uma de silício com permissividade elétrica de 1 1.9 e espessura de 200 nm e outra de sílica de permissividade elétrica de 2.09 e espessura de 600 mn.

[014] Foi utilizado o tensor condutividade elétrica do grafeno para fazer a modelagem do dispositivo, dado por:

a) so = e²/(4 h) é a condutividade mínima do grafeno (em Siemens); b) ío_c é a velocidade de cíclotron (em um por segundo), dada por: eBv

<*>c = ~r^L.

sendo que:

c) e é a carga do elétron (em Coulomb);

d) B é o campo magnético (em Tesla);

e) VF é a velocidade de Fermi (metros por segundo);

f) 7G é igual a 3.14;

g) h é a constante de Planck (em Joule vezes segundo);

h) w é a frequência angular do sinal incidente (em radiano por segundo);

ί)t é o tempo de relaxação do grafeno (em Hertz);

j )€F é o potencial químico aplicado a folha de grafeno (em eletronvoltz);

I) i ê a unidade imaginária.

[015] Para mostrar como o dispositivo opera, em seguida será apresentado as figuras que ilustram o seu funcionamento.

[016] Na figura 1 tem-se a representação esquemática do circulador de três portas com geometria W. [017] A figura 2 demonstra a operação de circulação do circulador com e sem campo magnético aplicado para diferentes portas.

[018] A figura 3 apresenta a resposta em frequência das curvas de transmissão e isolamento do dispositivo com o sinal sendo injetado pela porta 1 , 2 e 3, respectivamente.

[019] As figuras 4a e 4b mostra o decaimento do módulo do campo magnético AC da onda eletromagnética em função da coordenada

perpendicular a estrutura, assim como a distribuição de campo elétrico, na interface entre o grafeno, o substrato de sílica e o ar, respectivamente.

[020] A figura 5 mostra como a frequência de operação do dispositivo, sua largura de banda e as perdas de inserção variam com a energia de Fermi do grafeno.

[021] Como a presente invenção funciona, será mostrada a seguir.

[022] As portas 101 , 102 e 103 posicionadas na entrada dos guias de ondas de grafeno 104 na Fig. 1 a, recebe o sinal eletromagnético, o qual é transmitido através desses guias de onda, após ondas plasmônicas conhecida como (surface plasmon polariton - SPP) serem excitadas na interface entre o grafeno e o substrato de sílica 106 que está sob outro substrato de silício 107, descrito na Fig. 1 b, produzindo assim ressonância plasmônica de modo dipolo no ressonador circular de grafeno 105. Dentro da estrutura é possível verificar o decaimento exponencial tanto no grafeno como no dielétrico, como descrito na Fig. 4a, o que é característico de ondas plasmônicas.

[023] Em relação ao caso descrito na Fig. 2a, em que a estrutura não está magnetizada, o sinal eletromagnético injetado na porta 201 é dividido para as portas 202 e 203.

[024] Já para o caso descrito na Fig. 2b, em que um campo magnético DC de 0.56 T é aplicado na cavidade ressonante de grafeno, fazendo com que a orientação do ângulo do dipolo seja alterada em 30^Q, alinhando-se e isolando a porta 202. Deste modo o sinal que foi injetado pela porta 201 é transmitido para porta 203.

[025] De maneira análoga, mantendo o mesmo valor de campo magnético aplicado e injetando o sinal pela porta 202, o mesmo é transmitido para a porta 201 , ficando a porta 203 isolada já que está alinhada com o modo dipolo (Fig. 2c). Caso o sinal seja injetado pela porta 203 será transmitido para a porta 202 isolando a porta 201 , como descrito na Fig. 2d.

[026] Ainda para o caso mostrado na Fig. 2b, o dispositivo apresenta para uma energia de Fermi de 0.15 eV, uma transmissão de - 2 dB e isolamento de

- 43 dB na frequência central de 7.51 TFIz. Além de apresentar uma largura de banda de

5.26 % no nível de -2.5 dB e 9.1 % no nível de -15 dB de acordo com a Fig. 3.

[027] Já para o caso mostrado na Fig. 2c, mantendo a mesma energia de Fermi temos uma transmissão de - 2.2 dB e isolamento de - 24.3 dB na frequência central de 7.49 TFIz. Sendo a largura de banda de 4.22 % no nível de -2.5 dB e 4.31 % no nível de -15 dB.

[028] De maneira similar, para o caso mostrado na Fig. 2d tem-se uma transmissão de - 2 dB e isolamento de - 24.3 dB para frequência central de 7.48 TFIz e largura de banda de 5.23 % no nível de -2 dB e 4.23 % no nível de

- 15 dB.

[029] Na Fig. 3 é apresentado uma comparação entre as curvas tanto de transmissão como de isolamento para os casos mostrados nas Fig. 2b, 2c e 2d respectivamente, em que as curvas de transmissão IS23I = IS311 e isolamento IS13I = IS32I .

[030] Nas Fig. 4a e 4b é mostrado 0 decaimento exponencial do módulo do campo magnético AC em relação a coordenada z, assim como a distribuição de campo elétrico na interface ar-grafeno-Si02.

[031 ] A frequência central do dispositivo pode ser controlada através da energia de Fermi do grafeno. Variando a energia de Fermi de 0.13 eV a 0.20 eV a frequência central do dispositivo sofre uma variação de 7 TFIz a 8.64 TFIz, como mostrado na Fig. 5.

[032] Além disso é mostrado na Fig. 5 os valores de transmissão para cada energia de Fermi, assim como os valores das larguras de bandada e das perdas de inserção em porcentagem para respectiva frequência central.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Circulador Controlável de três portas de Grafeno tipo-W na faixa de THz, caracterizado por ser unicamente de grafeno depositado em substrato dielétrico.

2. Circulador de três portas tipo-W controlável por grafeno na região de THz, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por apresentar 3 nano-fitas de grafeno posicionadas ao redor de uma cavidade circular ressonante, também de grafeno.

3. Circulador de três portas tipo-W controlável por grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por possuir 3 portas na entrada de cada nano-fita de grafeno, sendo o ângulo entre as nano- fitas de 60^Q em formato da letra w. O sinal eletromagnético seja transmitido ao longo do guia de onda de grafeno através de qualquer uma das portas, devido a aplicação de um campo magnético DC externo.

4. Circulador de três portas tipo-W controlável por grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por operar na faixa de frequência de THz.

5. Circulador de três portas tipo-W controlável por grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado por ter como princípio básico de funcionamento as propagações de ondas plasmônicas na interface grafeno-dielétrico na região de THz.

6. Circulador de três portas tipo-W controlável por grafeno na região de THz, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado por ser possível deslocar a frequência central de operação do dispositivo através da mudança do potencial químico do grafeno.