Non-reciprocal graphene-based devices in the THz region

Four new types of nonreciprocal graphene-based devices operating in the Terahertz region are suggested and theoretically analyzed in this work. They are two three-port circulators with Y and W geometries and two power dividers with different geometries. The cross section of the components has a three-layer structure, composed of graphene, silica and silicon. The planes of the figures of these components consist of a circular resonator of graphene and waveguides connected to it. The graphene resonator is magnetized normally of its plane by an external DC magnetic field, and the physical principle of operation of the devices is based on the dipole resonance of the magnetized graphene resonator. Using the Magnetic Group Theory, we analyze the scattering matrices of the symmetrical components of the devices. In addition, for the analysis of the circulators, the Analytical Temporal Coupled Mode Theory was also used. Numerical simulations were performed by a full wave computational program and the calculations demonstrate isolation levels better than -15 dB for both the circulators and the dividers. The Y-circulator has insertion losses around - 2.6 dB, bandwidth of 7.4% at the center frequency of 5.38 THz, whereas the circulator W showed insertion losses of - 2 dB, bandwidth of 4.5% at the center frequency of 7.5 THz. The DC bending magnetic field in the two cases was 0.45 T and 0.56 T, respectively. The power dividers have shown to posses the division of the signal between the two output ports of -4.4 dB with in the frequency band of 4.5% and 3.4% with magnetic filed of 0,8 T. The influence of geometric and physical parameters on the characteristics of the circulators is discussed. The frequency bands of the devices can be controlled dynamically by changing bias voltage applied between the graphene layer and the substrate.Quatro novos tipos de dispositivos não-recíprocos baseados em grafeno operando na região de Terahertz (THz) são sugeridos e analisados teoricamente neste trabalho, sendo dois circuladores de três portas com geometrias tipo Y e tipo W, e dois divisores de potência de quatro portas com diferentes geometrias. A seção transversal dos componentes apresenta uma estrutura com três camadas, compostas de grafeno, sílica (SiO2) e silício (Si), os planos das figuras desses componentes consistem de um ressonador circular de grafeno e guias de ondas conectados a ele. O ressonador de grafeno é magnetizado normalmente em seu plano por um campo magnético DC externo, e o princípio físico de funcionamento dos dispositivos é baseado na ressonância dipolar do ressonador. Utilizando a Teoria de Grupos Magnéticos, analisamos as matrizes de espalhamento dos componentes simétricos dos dispositivos. Além disso, para análise dos circuladores, a Teoria de Modos Acoplados Temporal também foi usada. Simulações numéricas foram realizadas por um programa computacional de onda completa e os cálculos demonstram níveis de isolamentos melhores que – 15 dB, tanto para os circuladores, como para os divisores de potência. O circulador tipo Y apresentou perdas de inserção em torno de - 2,6 dB, largura de banda de 7,4% na frequência central de 5,38 THz, enquanto que o circulador tipo W demostrou perdas de inserção de – 2 dB, largura de banda de 4,25% na frequência central de 7,5 THz; os campos magnéticos DC de polarização nos dois casos foram de 0,45 T e 0,56 T, respectivamente. Os divisores de potência demostraram que a divisão do sinal entre as duas portas de saída é de – 4,4 dB com banda de frequência de 4,5% e 3,4% e polarização magnética de 0,8 T. A influência de parâmetros geométricos e físicos sobre as características dos circuladores é discutida. As bandas de frequência dos dispositivos podem ser controladas dinamicamente alterando a tensão de polarização aplicada entre a camada de grafeno e o substrato