Design, optimization and analysis techniques of non-linear devices based on graphene or highly ordered pyrolytic graphite for terahertz system applications

Abstract

La presente Tesis Doctoral se ha dedicado a la investigación de técnicas de análisis y optimización de dispositivos no lineales, multiplicadores y mezcladores de frecuencia, basados en grafeno multicapa y monocapa y su integración en transmisores y receptores de señales de banda submilimétrica/ terahercios. El efecto de multiplicación y mezclado de frecuencia de los dispositivos se ha logrado mediante el uso de la respuesta no lineal del grafeno que ofrece una alternativa atractiva a las soluciones actuales basadas en semiconductores tradicionales. Por tanto, los dispositivos propuestos tienen por objetivo superar la barrera tecnológica existente en la generación de señales de onda submilimétrica/terahercios. La limitación tecnológica está restringiendo seriamente la viabilidad comercial de múltiples aplicaciones en la banda de submilimétricas/terahercios en sectores industriales tan diversos como diagnóstico médico, sistemas de seguridad o comunicaciones. La presente Tesis Doctoral está estructurada en cuatro capítulos. El Capítulo 1 contiene un análisis de la respuesta electromagnética del grafeno basada en su estructura de banda electrónica. Se analiza la respuesta lineal y no lineal de una capa de grafeno irradiada con un campo eléctrico externo y las expresiones de la conductividad del primer orden armónico y de armónicos de orden N, N= 3 a 7, que se estudian y se derivan de la densidad de corriente inducida. Además, se estudia la irradiación de una capa de grafeno con dos ondas polarizadas paralelamente a la superficie de la capa con el objetivo de verificar el efecto no lineal de mezclado de frecuencia. Los nuevos aportes científicos desarrollados comienzan con la derivación de una ecuación de densidad de corriente no lineal generalizada, que se produce al irradiar la capa de grafeno con campo eléctrico externo. La literatura proporciona información de hasta el tercer orden armónico generado en el grafeno. Por tanto, se han desarrollado varias ecuaciones considerando los dos efectos no lineales de multiplicación y mezclado de frecuencia con componente armónicos superiores, N>3, producidos en una capa de grafeno. El análisis teórico desarrollado en el Capítulo 1 tiene una aplicación directa en los diseños que se han estudiado en capítulos posteriores. En el Capítulo 2, se presenta una topología que es común para tres multiplicadores de frecuencia basados en Grafeno de orden armónico elevado y con la conversión de frecuencia realizada en una sola etapa de multiplicación. La dinámica no lineal de multiplicación de frecuencia de los dispositivos se obtiene mediante el uso de una estructura microstrip con una abertura cubierta por varias capas de grafeno. Los circuitos se han analizado en dos etapas, donde los subsistemas pasivos de entrada y salida han sido diseñados y optimizados individualmente para maximizar el ancho de banda operativo en las bandas de frecuencia correspondientes. La topología propuesta se ha validado experimentalmente mediante la fabricación y medición de los tres prototipos propuestos. Los resultados presentados en este capítulo representan la primera realización práctica de un multiplicador de frecuencia de orden armónico elevado, de N=5 a 17, en el cual, en una sola etapa de multiplicación realiza la conversión de frecuencia de señales de entrada en banda Ka, a señales de salida en la banda de 140-500 GHz mediante el uso del comportamiento electromagnético no lineal de unas películas de grafeno multicapa. En el Capítulo 3, se presenta una topología de un circuito mezclador de frecuencias. La topología ha sido realizada a partir de las consideraciones de diseño propuestas en el Capítulo 2. Por tanto, tres circuitos han sido diseñados y analizados como parte de un bloque principal para un sistema de transmisión y/o recepción de señales de onda submilimétrica/terahercios. Se ha estudiado la dinámica no lineal de estos circuitos, que realizan varias funciones, como la generación de la señal del oscilado local y la mezcla con armónicos de orden elevado. El comportamiento de los mezcladores subarmonicos de frecuencia basados en grafeno ha sido analizado mediante simulaciones electromagnéticas y posteriormente ha sido validado experimentalmente a través de la caracterización de la potencia de salida de los prototipos fabricados. El trabajo presentado en este capítulo representa la primera realización practica de mezcladores subarmonicos basados en una película de grafeno multicapa que operan como conversores superiores y conversores inferiores de frecuencia utilizando un orden armónico elevado, M=6 a 18, de la señal del oscilador local en banda Ka, una señal de IF de 400 MHz y una señal de RF en banda de 140-500 GHz. Finalmente, en el Capítulo 4 se propone un multiplicador de frecuencia de orden armónico siete basado en una cavidad resonante que integra una película de grafeno monocapa/multicapa. El enfoque de este capítulo se basa en el diseño de una novedosa topología, en la cual, se han colocado películas de grafeno en el interior de una cavidad resonante, para asegurar que estén expuestas a niveles del campo eléctrico altos. La generación eficiente de los componentes armónicos de orden elevado requiere un campo eléctrico incidente alto, por lo tanto, el enfoque propuesto representa una solución eficaz al aumentar la eficiencia de conversión del sistema. Partiendo del diseño de un bloque principal de guía de onda con características resonantes, se han implementado varios componentes de grafeno monocapa y multicapa que se introducen en el interior de la cavidad resonante. El comportamiento de los circuitos se analiza empleando simulaciones electromagnéticas en las cuales se investiga la respuesta resonante del circuito y la radiación de la señal del armónico de orden 7 hacia la salida del circuito. Finalmente, los circuitos se caracterizan experimentalmente mediante la fabricación y medición de los prototipos The Doctoral Thesis has been devoted to the development of innovative concepts for the implementation of passive devices with non-linear harmonic content. These devices are based on frequency multiplication and frequency mixing on mono- and multi-layer graphene films which are used for the generation and/or detection of submillimeter wave/ low THz band signals. The desired frequency multiplication and mixing performance of the proposed structures is obtained by taking advantage of the non-linear electromagnetic response of graphene which offers an attractive alternative to current solutions based on traditional semiconductors. In this context, the developed structures are set out to address the existing technological bottleneck in the cost-effective generation of submillimeter wave/ THz band signals. The technological limitation is seriously restricting the commercial viability of a wide variety of applications, in industrial sectors as diverse as medical diagnostics, security, non-destructive testing or communications. The document is organized in four chapters. Chapter 1 contains an analysis of the graphene electromagnetic behavior based on its electronic band structure. The linear and non-linear response of a graphene layer irradiated with an external uniform, parallel to the layer surface, electric field is discussed and the expression of the first order conductivity and Nth order conductivity, N=3 to 7, are studied and derived from the induced current density. Furthermore, the irradiation of a graphene layer with two parallel polarized waves in the attempt of testing its frequency mixing capability is also studied. The novel scientific contributions developed by the author start with the derivation of a generalized non-linear current density equation, produced by irradiating the graphene layer with an external electric field. The literature provides information of up to 3rd harmonic generation in graphene. Therefore, several equations have been developed considering both the multiplication effect and the mixing effect with high harmonic orders, N>3, produced in a graphene layer. The theoretical analysis developed in Chapter 1 has a direct application on the designs that are developed in the later chapters. In Chapter 2, a topology which is common for three Single Stage High Order Submillimeter Wave/ THz band Graphene based Frequency Multipliers is presented. The frequency multiplication performance of the devices is obtained using a non-linear component consisting of a microstrip line gap covered by several graphene layers. The operation of these circuits is established through a two step analysis in which the input and output passive sub-systems used are individually analyzed and optimized in terms of broad operational bandwidth in the corresponding frequency bands. The simulations are validated by experimental results obtained through the fabrication and measurement of the prototypes. The results presented in this chapter represent the first realization of a Single Stage High Order, N=5 to 17, Frequency Multiplier in which the output signal in the 140-500 GHz has been generated throughout frequency multiplication due to the non-linear electromagnetic behavior of a multi-layer graphene film. Furthermore, in Chapter 3 a mixing topology has been developed starting from the design considerations proposed in Chapter 2. In this way, three circuits are intended as part of a front-end block for a submillimeter wave/ THz band transmission and/or reception system. The non-linear dynamics of these circuits that perform several functions, such as the generation of the local oscillator signal and the high order harmonic mixing are studied. Thus, the behavior of the considered High Order Subharmonic Graphene based Mixers is analyzed through electromagnetic simulations and further validated through the experimental characterization of the prototypes. The work presented in this chapter represents the first realization of Single Stage Subharmonic Mixers, based on a multi-layer graphene film, which are experimentally characterized in both up- and downconversion for the high harmonic orders between 6 and 18. Finally, in Chapter 4 a 7th Order Frequency Multiplier based on a Resonant Cavity which integrates a mono-/ multi-layer graphene film is proposed. The approach is based on a novel single stage topology in which graphene sheets are placed inside a resonant cavity, to ensure that they are exposed to high electric field levels. The efficient excitation of high order harmonic components requires exciting the graphene sheet with relatively high electric field levels which makes the proposed approach an effective solution for increasing the efficiency of the whole system. Therefore, starting from the design of a main waveguide block structure with resonant features, several mono- and multi-layer graphene components are implemented and one at a time arranged inside it. The behavior of the circuits is analyzed through electromagnetic simulations and experimentally characterized through the fabrication and measurement of the prototypes.