TD 14_2019 Daimam Darlam Zimmer.pdf - PPGEE

Its operation is based on the orientation of a dipole state, which emerges in the magneto-optical resonator upon excitation in the resonant cavity by an electromagnetic signal entering through one of the device ports. An electromagnetic signal excites inside the resonator a quadrupole state to the amorphous state where transmission occurs, it is a dipole state in the crystalline state, causing the isolation state of the device.

História dos cristais fotônicos

Em 1990, o cálculo da estrutura de bandas de um cristal de rede cúbica de face centrada, que consistia em esferas dielétricas com alto índice de refração colocadas no ar, foi mostrado pela primeira vez [8]. O conceito de placas de cristal fotônico, que consistem em redes periódicas bidimensionais de comprimento finito, nas quais são introduzidos defeitos através dos quais a luz pode ser guiada com perdas mínimas, também foi apresentado em [10].

Introdução teórica aos cristais fotônicos

Desde então, as placas de cristal fotônico encontraram seu lugar na implementação de diversos dispositivos ópticos. O estudo da influência da permeabilidade magnética na estrutura de bandas deste tipo de cristal foi apresentado em [25].

Estrutura dos cristais fotônicos

O método utilizado para calcular a função de onda de uma partícula no estado sólido é semelhante ao utilizado para determinar as funções próprias em cristais fotônicos. Cada conjunto de autoestados corresponde a um valor específico do vetor de onda de radiação. Na Figura 5, o eixo horizontal corresponde ao vetor de onda de radiação e o eixo vertical representa as frequências de ressonância do meio.

O isolador é baseado em cristal fotônico, onde foi considerado um guia de onda reto passando pela estrutura. O vetor de onda~k pertence à rede recíproca e deve satisfazer a relação ei~k~r = 1, para todo ~r pertencente à rede real.

Métodos numéricos

Considerando a equação de Maxwell no domínio da frequência, para resolver a equação de autovalores para cristais fotônicos, utiliza-se a forma tensorial da equação de onda. Este software foi escolhido por possuir plataforma CAD (Computer Aided Design) que facilita a modelagem de estruturas, apresenta extensa documentação que auxilia simulações de cristais fotônicos, facilidade na especificação de materiais anisotrópicos e por gerar resultados consistentes com artigos da área. .

Dispositivos baseados em cristais fotônicos

• Cavidades
• Guias de onda fotônicos
• Chaves ópticas
• Memórias ópticas

A simulação numérica desempenha um papel muito importante no projeto e análise de dispositivos fotônicos, pois abre a possibilidade de conhecimento preliminar do comportamento destes dispositivos. Para que um sinal eletromagnético saia de um ponto e chegue a outro, deve haver um caminho através do qual o sinal possa se propagar. Chaves ópticas construídas a partir de cristais fotônicos magnéticos, ou seja, são dispositivos ópticos que alteram suas propriedades se um campo magnético externo H0 for aplicado sobre eles.

O controle do estado ligado ou desligado depende da aplicação do campo magnético externo H0 e da geometria do dispositivo. Em circuitos onde o sinal que transporta a informação é uma onda eletromagnética, esta informação pode ser armazenada em dispositivos baseados em um cristal fotônico bidimensional, onde o controle sobre o armazenamento da informação é possível pela aplicação de um campo externo à estrutura [35] ou pela combinação cavidades não lineares, surgindo de diferentes fontes com a mesma frequência, formam um modo que preserva as informações armazenadas na cavidade [36].

Descrição do cristal

Switches construídos para operar no regime sub-THz a partir de cristais fotônicos têm atraído muita atenção da comunidade científica na área de nanofotônica, devido à demanda por dispositivos em escala milimétrica que realizem comutação e filtragem de sinais. O dispositivo a ser discutido neste capítulo pode ser integrado em circuitos operando na faixa subterahertz para desempenhar a função de chave ou filtro. Este contém dois guias de ondas formando um ângulo de 90o, bem como uma cavidade ressonante composta por um cilindro de ferrite.

É projetado especificamente para o estudo de cristais fotônicos e dispositivos baseados neles, como guias de ondas e cavidades ressonantes. Os cilindros dielétricos que compõem o cristal de rede quadrada bidimensional têm um raio igual a 0,2a (a = 1,065 mm é a constante da rede cristalina, para a frequência central de operação de cerca de 0,1 THz), a ferrita tem um raio de 0,27a .

Propriedades físicas da chave

Conceitos da teoria de grupos magnéticos para cálculo de matrizes de

A faixa de frequências normalizadas correspondente ao band gap da estrutura é a faixa 0,2876< ωa/2πc <0,4228, sendo estes valores obtidos para o modo TM, com componentes Hx, Hy e Ez. Se um determinado sistema não sofre transformações ao longo do tempo, podemos dizer que este sistema é invariante sob as transformações no tempo, podemos dizer que apresenta simetria devido a essas transformações. Nos sistemas físicos, tais tipos de simetria (invariância devido a transformações nos espaços associados ao sistema) são de fundamental importância na descrição de sistemas físicos.

Para descrever a simetria da estrutura usaremos a notação Schoenflies [43], ou seja, para o estado não magnetizado observado na Figura 11. A aplicação do campo magnético H0 à estrutura faz com que o dipolo gire 45o, fazendo com que o dipolo A junção seja não alinhado corretamente com as portas do dispositivo, conforme mostrado na Figura 12.

Matriz espalhamento

A presença do contraplano de simetria T σ neste dispositivo de duas portas leva, portanto, à igualdade S22=S11, mas deixa a relação entre S21 e S12 indefinida.

Princípio de funcionamento

Os círculos brancos representam os cilindros dielétricos e o círculo salmão central representa o cilindro de ferrite. DC magnético normal para PhC. Um sinal eletromagnético, aplicado a um dos dois guias de onda, é enviado ao outro guia de acordo com o valor do campo magnético DC H0 aplicado ao cilindro de ferrite. Na Figura 17b calculamos o diagrama para o ressonador de ferrite com raio r/a= 0,27, onde é possível observar que quanto maior o valor do parâmetro κ/μ, maior será a separação entre as frequências ressonantes ω+ e ω − .

Na região I, o modo de rotação ω+ se forma no ressonador de ferrite, permitindo a transmissão da porta de entrada para a porta de saída. Na região III, o modo rotacional ω− se forma no ressonador de ferrite, promovendo a transmissão da porta de entrada para a porta de saída.

Resultados obtidos por cálculos numéricos

O dispositivo apresenta uma perda de inserção de -1,095 dB (coeficiente de transmissão no estado ligado) e um isolamento de -64,47 dB (coeficiente de transmissão no estado desligado) na frequência central de operação do dispositivo ωa/2πc igual a 0,3514. Para obter a maior largura de banda possível do dispositivo, foi realizado um processo de otimização paramétrica que consistiu em alterar a posição e o diâmetro dos cilindros que estão numerados na figura 21. A configuração com melhor desempenho, obtida após a realização do processo de otimização paramétrica, é apresentada na tabela 1.

A tabela mostra a posição relativa ao eixo de coordenadas posicionado no centro de um cilindro que não foi alterado e o raio dos cilindros após o término do processo de otimização. Dispositivos que operam na banda sub-THz, como isoladores e diodos, são dispositivos importantes no projeto de sistemas de comunicação.

Isolador

Diodos e isoladores são dispositivos não recíprocos que permitem que o sinal viaje em apenas uma direção. Isoladores são dispositivos comumente usados ​​para proteger fontes de sinal contra reflexões de elementos de circuito incompatíveis. Portanto, o RFM é criado quando um campo magnético DCH0 é aplicado a um material ferromagnético. O campo constante atua sobre os spins, fazendo com que eles se alinhem e adquiram frequência de ressonância.

O campo magnético da radiação eletromagnética incidente é perpendicular ao campo magnético DC aplicado, portanto tende a desequilibrar os spins e desviá-los da posição de equilíbrio. Quando a frequência da radiação incidente está próxima da frequência do modo de precessão do spin e a direção de propagação da onda incidente é a mesma do spin, o campo da onda incidente é absorvido pelo material ferromagnético, caso contrário o sinal será será transmitido [54].

Descrição do cristal e propriedades físicas

O cilindro de ferrite está localizado na área onde os dois guias de ondas unem os plugs, a cavidade possui acoplamento indireto, foram inseridos cilindros de óxido de alumínio para ajustar o coeficiente de reflexão, a configuração do dispositivo pode ser vista na Figura 24. Diagrama do fotônico cristal band gap, no qual destacamos os dispositivos de faixa de operação, você pode ver na Figura 25. Segundo a teoria dos dispositivos de ferrite, quando a magnetização é transversal, ou seja, quando o vetor de onda é perpendicular ao campo magnético aplicado H0, dois .

É possível observar, na figura 26, o comportamento das partes real e imaginária dos parâmetros κ/µ e µef f em função da frequência de um campo magnético externo aplicado H0 = 2700 kA/m. Para que o dispositivo apresente a função característica de um isolador, ele deve ter um máximo de perdas na faixa de frequência de operação, sendo essas perdas representadas pelas partes imaginárias dos termos κ/µ eµef f, que são os termos responsáveis ​​por as perdas no RFM [54], como podemos ver na figura 26.

Resultados obtidos por meio de cálculos numéricos

Dentro do cilindro de ferrite, a distribuição do campo assume a forma de um vórtice eletromagnético na faixa de frequência de operação, tanto no sentido direto quanto reverso, o que caracteriza um resultado inédito para esta faixa e estrutura de frequência. Um vórtice eletromagnético possui uma distribuição de campo correspondente a uma singularidade onde a intensidade é zero e a fase é indefinida [67]. O comportamento da componente de campo Ez ao longo da estrutura do isolador é mostrado na Figura 31, onde pode ser observado tanto na situação em que.

Vale ressaltar que embora o dispositivo apresente um alto valor de campo magnético aplicado, isso pode ser justificado pela utilização de novos compostos à base de hexaferritas, materiais com alta anisotropia magnética interna [68,69] (correspondendo a campos internos efetivos no faixa de 1000-2000 kA/m e até mais), o isolador pode ser projetado para uso com um campo magnético CC externo reduzido H0, e também pode operar em bandas de frequência mais altas através do uso de hexaferritas. Para fazer isso, uma alta concentração de campo eletromagnético deve ser mantida dentro do cilindro de ferrite.

Divisor

Nesta seção é apresentado um divisor em forma de T, com a diferença de apresentar um ressonador de calcogeneto GST, que realiza a transição de fase entre os estados amorfo e cristalino alterando o índice de refração quando submetido à influência do laser.

Características e resultados obtidos por meio de cálculos numéricos 56

T., "Broadband compact 2D photonic crystal switch based on 90o bent square lattice ferrite resonator," Microwave and Optical Technology Letters, vol. A., "Ultrafast All-Fiber Switching in 2-D InP-Based Nanocavity Photonic Crystal", IEEE Photonics Journal, v. T., "2D Broadband Compact Photonic Crystal Switch Based on Ferrite Resonator in square grating with 90o bend", Microwave and Optical Technology Letters, v.

Danaie M., Mohammadi S.,"All optical photonic crystal memory cells based on cavities with a double argument hysteresis function" Optics Communications, v. Available from: http://www.intechopen.com/books/advances- in -photonic-crystals/photonic-crystal-ring-resonator-based-optical-filters Quote on page 32.