[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出了一种可调谐的三端口太赫兹环形器，基于多层三角形石墨烯结构，并通过磁偏置石墨烯诱导各向异性。利用 COMSOL 仿真，该器件在 5 THz 时实现了 -40 dB 的隔离度和 -3.5 dB 的传输损耗，-15 dB 隔离度下的带宽为 7.25%，并通过调节化学势和直流磁偏置实现了可调谐性。

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.

研究动机与目标

• 设计一种紧凑、可调谐的三端口太赫兹频段环形器。
• 通过利用石墨烯可调谐的光电特性，克服传统环形器的局限性。
• 在三角形柱结构中利用磁偏置石墨烯实现非互易光传播。
• 通过外部调节化学势和直流磁偏置，实现对散射参数的动态控制。
• 在太赫兹频段内实现宽带运行，具备高隔离度和低插入损耗。

提出的方法

• 设计具有 120° 对称金属波导的三端口系统，耦合至中心的多层三角形石墨烯柱。
• 在 z 方向施加直流磁偏置，以在石墨烯柱中诱导磁等离子体各向异性。
• 利用磁化三角形石墨烯结构支持的混合 TM-TE 等离子体模式，实现非互易传输。
• 使用 COMSOL Multiphysics 结合有限元法（FEM）进行全波电磁分析，仿真器件响应。
• 分析散射参数（S 参数），评估在不同石墨烯化学势和磁偏置条件下的隔离度、插入损耗和带宽。
• 优化几何与材料参数，以在 5 THz 时实现高隔离度和低损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基三角形柱结构是否可通过磁致各向异性实现可调谐的非互易太赫兹环流？
• RQ2 在优化设计条件下，所提出的环形器在 5 THz 时可实现的隔离度和插入损耗是多少？
• RQ3 环形器的带宽如何随隔离性能变化，特别是在 -15 dB 时？
• RQ4 通过调节化学势和直流磁偏置，散射响应可实现多大程度的动态调控？
• RQ5 所提出的结构是否能在太赫兹频段内保持有意义的相对带宽下的高性能？

主要发现

• 所提出的环形器在中心频率 5 THz 处实现了 -40 dB 的隔离度，表明具有强烈的非互易行为。
• 在 5 THz 时传输损耗最小化至 -3.5 dB，表明在目标频段内具有低传播损耗。
• 该器件在 -15 dB 隔离度下表现出 7.25% 的相对带宽，表明在宽频率范围内具有稳健性能。
• 通过调节石墨烯的化学势和直流磁偏置，散射参数（S 参数）可实现动态可调，从而实现可重构性。
• 磁化三角形石墨烯柱支持混合 TM-TE 等离子体模式，这是产生所需各向异性的关键。
• 仿真结果证实了该器件作为可调谐、紧凑且宽带太赫兹环形器的可行性，适用于未来等离子体电路的集成。