Modelització Multifísica de Dispositius Plasmònics basats en grafè per a la Comunicació en Banda de Terahertzs

The Terahertz Band (0.1-10 THz) is envisioned as a key a wireless technology that will enable Terabit-per-second data rate, which is expected to become a reality within the next five years. One of the main problems of this technology is the lack of compact high-power signal sources in order to overcome the very high path loss. Novel plasmonic devices based on nanomaterials such as graphene are a new promising alternative capable to efficiently operate at THz frequencies. In this thesis, the performance of a graphene-based plasmonic device for on-chip direct generation, modulation, and detection of THz signals is proposed, modeled and simulated using a finite-difference-based multi-physics simulation platform, which can handle both hydrodynamic model equations and Maxwell's equations. The device is based on a gated High Electron Mobility Transistor (HEMT) with graphene as the 2DEG channel, where a THz plasmonic signal is generated by implementing an asymmetric boundary condition at the source and drain. Moreover, this setup offers the possibility to modulate the generated signal by changing the applied current density.La banda de Terahercios (0.1-10 THz) está prevista ser una tecnología inalámbrica clave que permitirá la velocidad de datos de Terabit por segundo, que se espera que sea una realidad en los próximos cinco años. Uno de los principales problemas de esta tecnología es la falta de fuentes de señal compactas de alta potencia para superar la muy alta pérdida de propagación. Los nuevos dispositivos plasmónicos basados en nanomateriales como el grafeno son una nueva alternativa prometedora capaz de operar eficientemente a frecuencias de THz. En esta tesis, se propone, modela y simula el rendimiento de un dispositivo plasmónico basado en grafeno para la generación directa en chip, la modulación y la detección de señales THz utilizando una plataforma de simulación multifísica basada en diferencias finitas, que puede manejar ambas ecuaciones del modelo hidrodinámico y las ecuaciones de Maxwell. El dispositivo se basa en un Transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) con grafeno como el canal 2DEG, donde se genera una señal plasmónica de THz mediante la implementación de una condición de frontera asimétrica en la fuente y el drenaje. Además, esta configuración ofrece la posibilidad de modular la señal generada cambiando la densidad de corriente aplicada.La banda de Terahertzs (0.1-10 THz) està prevista ser una tecnologia sense fils clau que permetrà la velocitat de dades de Terabit per segon, que s'espera que sigui una realitat en els pròxims cinc anys. Un dels principals problemes d'aquesta tecnologia és la manca de fonts de senyal compactes d'alta potència per superar la molt alta pèrdua de propagació. Els nous dispositius plasmònics basats en nanomaterials com el grafè són una nova alternativa prometedora capaç d'operar eficientment a freqüències de THz. En aquesta tesi, es proposa, modela i simula el rendiment d'un dispositiu plasmònic basat en grafè per a la generació directa en xip, la modulació i la detecció de senyals THz utilitzant una plataforma de simulació multifísica basada en diferències finites, que pot gestionar les equacions del model hidrodinàmic i les equacions de Maxwell alhora. El dispositiu es basa en un Transistor d'alta mobilitat d'electrons (HEMT) amb grafè com el canal 2DEG, on es genera un senyal plasmònica de THz mitjançant la implementació d'una condició de frontera asimètrica a la font i el drenatge. A més, aquesta configuració ofereix la possibilitat de modular el senyal generat canviant la densitat de corrent aplicat