High-performance graphene-based devices for terahertz and optical communications

Silva, José Patrocinio da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

2025-07-18

Transmissão em Terahertz

Plasmônica do Grafeno

Biossensor

A constante transformação no campo da tecnologia da informação impõe a necessidade de soluções cada vez mais inovadoras, eficientes e confiáveis para o processamento e a transferência de dados. Com o avanço exponencial da demanda por comunicação de alta velocidade e grande volume de informações, torna-se importante buscar alternativas tecnológicas capazes de operar em faixas de frequência mais elevadas. Essa transição para bandas de frequência superiores — como as faixas altas de gigahertz (GHz) e terahertz (THz) — abre espaço para o desenvolvimento de dispositivos com desempenho superior, capazes de suportar taxas de transmissão significativamente maiores e com menor latência. Nesse cenário desafiador, o grafeno tem se destacado como um dos materiais mais promissores para aplicações em alta frequência. Diferentemente dos metais nobres tradicionalmente empregados, o grafeno apresenta uma série de propriedades vantajosas: suas perdas são consideravelmente menores, sua estrutura atômica confere alta maleabilidade e resistência, e sua condutividade elétrica pode ser dinamicamente ajustada. Além disso, o material possui notável resistência à oxidação e à umidade, o que favorece sua aplicação em ambientes adversos. Essas características tornam o grafeno especialmente atraente para dispositivos que operam nas faixas de GHz a THz, onde a precisão e a eficiência são críticas. Neste estudo, são analisados dois dispositivos inovadores de alto desempenho baseados em grafeno, desenvolvidos para aplicações em sistemas de lasers de cascata quântica (QCL) operando na faixa de Terahertz. O primeiro é uma antena de microfita com geometria cardioide, projetada para maximizar a diretividade e eficiência na transmissão de sinais em THz, construída com uma estrutura multicamada de grafeno que potencializa a propagação de ondas eletromagnéticas. O segundo dispositivo é um guia de onda do tipo Rib, também utilizando grafeno, empregado como biossensor plasmônico. Este sensor apresenta alta sensibilidade a variações no índice de refração, sendo especialmente eficaz em detecções químicas e biológicas, devido à capacidade do grafeno de excitar plásmons de superfície com forte confinamento de campo. A condutividade dinâmica do grafeno foi obtida pelo formalismo de Kubo e, posteriormente, modelada com a aproximação Drude-like para definição dos parâmetros finais. A antena foi projetada com um elemento radiante em forma de cardioide sobre um substrato de sílica, utilizando o método da Onda Completa (FWM) para o dimensionamento inicial, seguido pela aplicação do Método dos Elementos Finitos (FEM) para análise paramétrica da altura do substrato. Para o sensor plasmônico, foi desenvolvido um guia de onda com substrato de pentóxido de tântalo (Ta2O5), com uma crista de pentóxido de nióbio (Nb2O5), sobre a qual foi depositada uma lâmina de multicamadas de grafeno. Essa es- trutura foi projetada para analisar variações de concentração de dimetilsulfóxido (DMSO) de 50% a 100%, em incrementos de 10%. O efeito de ressonância de plasmons de superfície localizada (LSPR) ocorre na interface entre o grafeno e o o analito, sendo induzido pelas oscilações dos elétrons livres no grafeno acopladas aos campos eletromagnéticos. Para detecção de concentrações de DMSO, a estrutura foi ajustada para operar no comprimento de onda de 0,6329 µm. Com base nos dados analisados, as publicações em tecnologia de Terahertz se concentram principalmente entre os anos de 2013 e 2025. O primeiro registro ocorre em 1991, marcando o início do período de análise. A partir de então, há um aumento modesto e contínuo no número de trabalhos, com presença notável nos anos de 2016, 2021 e 2024 — este último apresentando o maior número de publicações da série. Os anos intermediários, como 2018 e 2019, mostram atividade acadêmica regular, embora com menor intensidade. Esse comportamento sugere um interesse crescente e sustentado na área, com destaque para os anos mais recentes, indicando que a pesquisa em dispositivos e aplicações baseadas na faixa de Terahertz tem ganhado relevância e maturidade dentro da comunidade científica. No comprimento de onda de λ = 0.6329µm, verificou-se que a magnitude do campo elétrico aumenta proporcionalmente à concentração de DMSO, variando de 4,69 V/m, em solução com 50%, até 7,96 V/m no DMSO puro. Esse comportamento sugere maior confinamento de campo e intensificação da resposta plasmônica em concentrações elevadas. A perda por confinamento (CL) também apresenta crescimento com o aumento da concentração, oscilando entre 21,62 dB/cm e 22,80 dB/cm nas mesmas condições. A sensibilidade espectral total foi consistente entre as amostras, com valor médio de aproximadamente 2222 nm/RIU. O maior valor foi registrado para a amostra com DMSO puro (2224,37 nm/RIU) e o menor para a solução com 50% de DMSO (2221,07 nm/RIU). A sensibilidade média apresentou crescimento contínuo, iniciando em 20.283,740 nm/RIU (50%) e atingindo 20.314,470 nm/RIU (100%). De modo semelhante, a sensibilidade local variou de 22.039,610 a 22.071,460 nm/RIU conforme a concentração aumentava. O fator de mérito (FOM) manteve-se elevado ao longo das concentrações analisadas, com média de 2050 RIU¹, destacando-se o valor de 2478 RIU¹ obtido na amostra com 50% de DMSO, o que reforça a eficiência do sensor. A altura do substrato demonstrou impacto direto na frequência ressonante do dispositivo. Com 25,0 µm de espessura, a antena ressoou em 3,73 THz, com largura de banda de 73 GHz e coeficiente de reflexão de -18,30 dB. Para 30 µm, a frequência foi de 1,653 THz, com -30,11 dB e 133 GHz de largura de banda. No substrato de 37,5 µm — espessura padronizada mais fina disponível comercialmente —, obteve-se ressonância em 2,385 THz, com 21 GHz de largura de banda e -43,00 dB. A 40 m, a frequência ressonante foi de 2,287 THz, com largura de banda de 9 GHz e pico de reflexão de -15,12 dB. A estrutura permite variações de espessura em intervalos regulares de 5 µm, oferecendo flexibilidade no ajuste da resposta espectral. Na frequência de 2,385 THz, a antena apresentou ganho de 1,967 dB, potência irradiada de 970 mW e relação frente-costas de 1,970. O padrão de radiação revelou a formação de um lóbulo principal ao longo do eixo z, condizente com antenas do tipo slot ou Vivaldi. No entanto, o comportamento do feixe em altas frequências requer investigação adicional, devido à sua natureza não linear e difícil de prever com precisão. A antena baseada em multicamadas de grafeno demonstrou capacidade de operação eficiente na faixa do infravermelho distante (FIR), conforme indicado pelos parâmetros obtidos nas simulações eletromagnéticas. Entre os principais indicadores de desempenho, destaca-se o coeficiente de reflexão (S11), que apresentou valores inferiores a −10dB na frequência de ressonância desejada, confirmando uma boa adaptação de impedância e mínima reflexão de sinal. Além disso, os resultados de ganho e potência irradiada evidenciaram um comportamento direcional adequado, essencial para aplicações em sistemas de comunicação óptica de alta frequência. A distribuição espacial do campo elétrico na região do patch também indicou um modo ressonante bem definido, característico de estruturas eficientes em acoplamento de energia. No que se refere ao guia de onda fotônico, a operação na mesma faixa espectral foi confirmada por meio da análise dos modos plasmônicos obtidos via simulação por Elementos Finitos. O confinamento do campo elétrico ao longo da interface grafenodielétrico demonstrou forte localização do modo, com perdas de confinamento (CL) dentro de limites aceitáveis para operação prática. Além disso, a análise do índice efetivo dos modos permitiu verificar a viabilidade de propagação em diferentes concentrações de DMSO, reforçando a capacidade do guia de onda de operar em regime sensível a variações do meio ao redor. Essa característica é essencial para biossensores ópticos e compatível com fontes de emissão baseadas em antenas de grafeno. A compatibilidade entre antena e guia de onda foi avaliada com base na correspondência espectral e espacial entre os modos ressonantes e os modos guiados, respectivamente. A possibilidade de ajuste dinâmico do potencial químico do grafeno, via gating eletrostático ou dopagem química, permitiu alinhar os picos de emissão da antena com os modos suportados pelo guia de onda. Essa capacidade de sintonização dinâmica foi decisiva para garantir o acoplamento eficiente entre os dispositivos, minimizando perdas de inserção e favorecendo a integração em sistemas fotônicos baseados em circuitos QCL. Assim, os resultados confirmam não apenas a operação independente de cada componente, mas também a sua integração funcional em soluções compactas e reconfiguráveis para aplicações no infravermelho.

The continuous evolution of information technology demands increasingly innovative, efficient, and reliable solutions for data processing and transmission. With the exponential growth in high-speed communication requirements and large-scale data transfer, it becomes essential to explore technological alternatives capable of operating at higher frequency bands. The transition to elevated frequency ranges—such as the upper gigahertz (GHz) and terahertz (THz) bands—enables the development of high-performance devices capable of supporting significantly higher data rates with reduced latency. In this context, graphene has emerged as one of the most promising materials for high-frequency applications. Unlike conventional noble metals, graphene offers several advantageous properties: it exhibits substantially lower losses, its atomic structure provides high mechanical flexibility and robustness, and its electrical conductivity can be dynamically tuned. Furthermore, graphene possesses remarkable resistance to oxidation and moisture, making it suitable for operation in harsh environments. These attributes make it particularly attractive for devices operating in the GHz–THz range, where precision and efficiency are critical. This work investigates two innovative high-performance graphene-based devices developed for quantum cascade laser (QCL) systems operating in the terahertz range. The first is a cardioid-shaped microstrip antenna designed to maximize directivity and transmission efficiency at THz frequencies, employing a multilayer graphene structure to enhance electromagnetic wave propagation. The second is a graphene-based rib waveguide, designed as a plasmonic biosensor with high sensitivity to refractive index variations, making it particularly effective for chemical and biological detection through the excitation of strongly confined surface plasmons. Graphene’s dynamic conductivity was obtained using the Kubo formalism and subsequently modeled with a Drude-like approximation to define final parameters. The antenna employed a cardioid-shaped radiating element on a silica substrate, designed using the Full-Wave Method (FWM) for initial sizing, followed by Finite Element Method (FEM) simulations to analyze substrate height effects. The plasmonic sensor consisted of a rib waveguide with a tantalum pentoxide (Ta2O5) substrate and a niobium pentoxide (Nb2O5) ridge, overlaid with multilayer graphene. This structure was designed to detect dimethyl sulfoxide (DMSO) concentrations from 50% to 100% in 10% increments. Localized surface plasmon resonance (LSPR) occurred at the graphene–analyte interface, induced by free-electron oscillations in graphene coupled to electromagnetic fields. For DMSO detection, the sensor was tuned to operate at a wavelength of 0.6329 µm. Publication data analysis shows that research in terahertz technology is concentrated between 2013 and 2025, with the earliest record in 1991 marking the beginning of the dataset. Steady growth is observed, with notable peaks in 2016, 2021, and 2024—the latter recording the highest number of publications. The intermediate years, such as 2018 and 2019, maintained regular research activity, reflecting sustained interest and maturity in THz device applications. At λ = 0.6329 µm, the electric field magnitude increased with DMSO concentration, from 4.69 V/m (50%) to 7.96 V/m (pure DMSO), indicating enhanced field confinement and plasmonic response at higher concentrations. Confinement loss (CL) also rose with concentration, ranging from 21.62 dB/cm to 22.80 dB/cm. Total spectral sensitivity remained consistent at approximately 2222 nm/RIU, with maximum and minimum values of 2224.37 nm/RIU (pure DMSO) and 2221.07 nm/RIU (50%), respectively. Average spectral sensitivity increased from 20283.740 nm/RIU (50%) to 20314.470 nm/RIU (100%), while local sensitivity ranged from 22039.610 to 22071.460 nm/RIU. The figure of merit (FOM) remained high, averaging 2050 RIU−1, with the highest value of 2478 RIU−1 observed for 50% DMSO. Substrate thickness strongly influenced antenna resonant frequency. At 25.0 µm, the resonance was 3.73 THz with 73 GHz bandwidth and −18.30 dB reflection. For 30 µm, it was 1.653 THz with 133 GHz bandwidth and −30.11 dB reflection. At 37.5 µm (thinnest standard commercially available), resonance occurred at 2.385 THz with 21 GHz bandwidth and −43.00 dB reflection. At 40 µm, resonance was 2.287 THz with 9 GHz bandwidth and −15.12 dB reflection. The structure allowed thickness adjustments in 5 µm increments, enabling spectral response tuning. At 2.385 THz, the antenna exhibited 1.967 dB gain, 970 mW radiated power, and a 1.970 front-to-back ratio. The radiation pattern displayed a main lobe along the z-axis, characteristic of slot or Vivaldi antennas, though high-frequency beam behavior warrants further investigation due to its nonlinear nature. The multilayer graphene antenna demonstrated efficient operation in the far-infrared (FIR) range, as indicated by simulation-derived performance parameters. The reflection coefficient (S11) remained below −10 dB at the target frequency, confirming good impedance matching and minimal signal reflection. Gain and radiated power results indicated suitable directivity, crucial for high-frequency optical communication systems. The electric field distribution on the patch revealed a well-defined resonant mode, characteristic of efficient energy-coupling structures. For the photonic waveguide, operation in the same spectral range was confirmed by FEM analysis of plasmonic modes. The electric field was strongly confined at the graphene–dielectric interface, with confinement losses within acceptable limits for practical operation. Effective refractive index analysis confirmed propagation feasibility for different DMSO concentrations, reinforcing the device’s suitability for optical biosensing and compatibility with graphene-based emission sources. Antenna–waveguide compatibility was assessed through spectral and spatial mode matching. Dynamic tuning of graphene’s chemical potential via electrostatic gating or chemical doping enabled alignment of antenna emission peaks with supported waveguide modes. This tunability ensured efficient coupling, minimized insertion losses, and facilitated integration into QCL-based photonic circuits. The results confirm both independent device performance and their functional integration into compact, reconfigurable infrared systems.