[論文レビュー] A Novel Graphene-Based Circulator with Multi-layer Triangular Post for THz Region

Mohammad Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 50被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、磁場バイアスをかけたグラフェンを用いて異方性を誘導する多層三角形グラフェンポストを備えた、チューナブルな3ポートTHzサーキュレータを提案する。COMSOLシミュレーションを用い、5 THzで-40 dBの隔離度と-3.5 dBの透過損失を達成し、-15 dB隔離度における帯域幅は7.25%であり、化学ポテンシャルおよびDC磁場バイアスによるチューナビリティを示している。

ABSTRACT

This article proposes a novel three-port circulator with a triangular graphene-based post for the THz region. This new circulator is formed by three 120 symmetrical metal-based waveguides with a multi-layer triangular graphene-based post. The anisotropic feature for circulation is provided by magnetically-biased graphene in the triangular post. The DC magnetic bias is applied in the z-direction. The magnetized, triangular graphene sheet supports hybrid TM-TE plasmons. To realize the proposed circulator, the structure has been simulated in COMSOL software. In our simulation results, isolation of -40 dB with a transmission loss of -3.5 dB is obtained at the central frequency of 5 THz for a specific design. The bandwidth of the simulated circulator is reported 7.25% with respect to the isolation level of -15 dB. It has been shown that the scattering parameters of the proposed circulator can be changed by altering the chemical potential of the graphene and DC magnetic bias, which makes this circulator a tunable device to be utilized in various plasmonic systems.

研究の動機と目的

• テラヘルツ（THz）帯域におけるコンactなチューナブル3ポートサーキュレータの設計を目的とする。
• グラフェンのチューナブルな光学・電気的特性を活用することで、従来のサーキュレータの限界を克服することを目的とする。
• 磁場バイアスをかけたグラフェンを用いた三角形ポスト構造により、非再帰的光伝搬を実現することを目的とする。
• 外部からの化学ポテンシャルおよびDC磁場バイアスによるチューニングにより、散乱パラメータの動的制御を可能とすることを目的とする。
• THz帯域において、高隔離度および低挿入損失を実現する広帯域動作を示すこと

提案手法

• 120°対称の金属波導と中心に配置された多層三角形グラフェンポストを結合させた3ポート構造の設計。
• z方向へのDC磁場バイアスを適用し、グラフェンポストに磁気プラズモン異方性を誘導する。
• 磁場をかけた三角形グラフェン構造が支持するハイブリッドTM-TEプラズモンモードを活用し、非再帰的透過を実現する。
• 有限要素法（FEM）を用いたフルウェーブ電磁界解析により、COMSOL Multiphysicsを用いてデバイス応答をシミュレーションする。
• 変化するグラフェンの化学ポテンシャルおよび磁場バイアス下での散乱パラメータ（Sパラメータ）の分析により、隔離度、挿入損失、帯域幅を評価する。
• 5 THzにおける高隔離度および低損失を達成するための幾何学的・材料的パラメータの最適化

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場誘導異方性により、グラフェンベースの三角形ポスト構造がチューナブルな非再帰的THzサーキュレーションを実現できるか？
• RQ2 最適設計条件下で、提案サーキュレータが5 THzで達成可能な隔離度と挿入損失はどの程度か？
• RQ3 特に-15 dBにおける隔離度で、サーキュレータの帯域幅はどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 化学ポテンシャルおよびDC磁場バイアスによる散乱応答の動的チューニングは、どの程度可能か？
• RQ5 提案構造は、THz帯域において意味のある分数帯域幅にわたり、高い性能を維持できるか？

主な発見

• 提案サーキュレータは、中心周波数5 THzで-40 dBの隔離度を達成し、強い非再帰的動作を示している。
• 5 THzにおける透過損失は-3.5 dBにまで最小化され、望ましい周波数帯域における低伝搬損失を示している。
• -15 dB隔離度における装置の分数帯域幅は7.25%であり、広帯域にわたり高い性能を示している。
• グラフェンの化学ポテンシャルおよびDC磁場バイアスの調整により、散乱パラメータ（Sパラメータ）が動的にチューニング可能であり、再構成性が実現されている。
• 磁場をかけた三角形グラフェンポストは、必要な異方性を生成するために不可欠なハイブリッドTM-TEプラズモンモードを支持している。
• シミュレーション結果により、将来的なプラズモン回路への統合に適したチューナブルでコンactかつ広帯域なTHzサーキュレータとしての実現可能性が確認された。