Análise teórica de novos circuladores de 3-portas em cristais fotônicos bidimensionais

Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre novos circuladores compactos com 3-portas tipos W e Y, baseados em cristais fotônicos bidimensionais. No circulador tipo Y, os guias de onda que o compõem formam ângulos de 120° entre si (com formato assemelhado ao da letra Y). O circulador tipo W é uma modificação do tipo Y, obtido a partir do reposicionamento de uma das portas entre as outras duas com um ângulo de 60° entre os guias de onda (com formato assemelhado ao da letra W). Os parâmetros geométricos dos cristais foram obtidos dos diagramas de bandas proibidas. O circulador de três portas tipo Y, projetado para operar em frequências de micro-ondas, foi investigado com o objetivo de gerar um protótipo inédito, enquanto que o tipo W, para frequências ópticas, foi investigado para demonstrar a possibilidade de desenvolver um circulador mais compacto em comparação com o tipo Y conhecido. O tipo W pode ser também uma alternativa geométrica mais adequada no design de circuitos integrados. Os modelos são bons no sentido em que possuem elevada isolação (maior que -20 dB em ambos os circuladores) e baixa perda de inserção (maior que -0,5 dB no caso do circulador tipo Y). O circulador tipo W apresenta uma largura de banda de operação em torno de 100 GHz para um nível de -20 dB de isolação, centrado no comprimento de onda de 1,5um. As simulações foram feitas utilizando-se o software comercial COMSOL Multiphysics, o qual se baseia no método dos elementos finitos.

ABSTRACT: This work presents a theoretical study on new compact 3-ports circulators of W- and Y-types, based on two-dimensional photonic crystals. In the Y-type circulator, the waveguides that composes it form angles of 120° between each other (having the shape of a Y). The W-type circulator is a modification of the Y-type, obtained by repositioning one of the ports between the other two with an angle of 60° between them (having the shape of a W). The geometric parameters of crystals were obtained from band-gap diagrams. The three-port circulator of Y-type, designed to operate at microwave frequencies, was investigated with the aim of generating a innovative prototype, while the W-type, for optical frequencies, was investigated to demonstrate the feasibility of developing a more compact circulator compared to the known Y-type. The W-type can also be a more adequate alternative geometry for the design of integrated circuits. The models are reasonable in the sense that they present high isolation (higher than 20 dB in both circulators) and low insertion loss (less than -0.5 dB in the case of Y-type circulator). The W-type circulator has about 100 GHz of operation bandwidth, centered at the wavelength of 1.5 um. The simulations were performed using the commercial software COMSOL Multiphsics, which is based on the finite element method.