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Implementation of signal-processing functionalities in the terahertz frequency domain.

Balistreri, Giacomo (2020). Implementation of signal-processing functionalities in the terahertz frequency domain. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 216 p.

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Résumé

L’objectif principal de ce travail de thèse est la mise en œuvre de dispositifs intégrés dans des guides d’ondes qui sont capable d’accomplir des opérations de traitement du signal dans le domaine de la radiation Térahertz (THz). Le rayonnement Térahertz possède des fréquences qui se situent dans la région du spectre électromagnétique entre les régions des micro-ondes et de l’infrarouge lointain, c’est-à-dire entre 0.1 et 10 THz. Cette région est connue depuis longtemps sous le nom de « Térahertz gap », principalement en raison de l’absence de tout dispositif fiable fonctionnant dans cette gamme de fréquences spécifique. Toutefois, les efforts considérables déployés pour le développement de la technologie Térahertz au cours des dernières décennies ont permis de réduire considérablement, voire de combler presque entièrement, cette lacune technologique. Parmi les nombreuses applications intéressantes de la technologie Térahertz, on trouve les technologies de l’information et de la communication. En fait, au cours des dernières décennies, nous avons observé une forte augmentation de la demande de largeurs de bande et de taux de transfert de données plus élevées dans les systèmes de communication sans fil. Deux des principaux problématiques des systèmes de communication actuels sont l’absorption atmosphérique du signal infrarouge, ainsi que les turbulences atmosphériques, qui entraînent toutes deux un mauvais alignement du faisceau infrarouge sur l’émetteur-récepteur. Les liaisons de communication utilisant la technologie Térahertz présenteraient plusieurs avantages par rapport aux ondes millimétriques ou aux infrarouges. Plus précisément, par rapport aux ondes millimétriques, les liaisons de communication en Térahertz conduiraient à une plus grande largeur de bande utilisable, par rapport à la fréquence porteuse plus élevée. D’autre part, ils entraîneraient une moindre susceptibilité aux effets de scintillation, si on le compare aux liaisons infrarouges. Afin d’accommoder les capacités de transfert de données à haut débit, qui sont fortement requises pour la conception et la construction de nouveaux réseaux de communication, il est crucial de concevoir et de mettre en œuvre des fonctionnalités de traitement du signal intégrées dans une structure de guidage pour le rayonnement Térahertz, en raison des nombreux avantages potentiels d’une telle approche, par rapport aux schémas en espace libre, tels qu’une performance plus efficace du dispositif, ainsi qu’une plus grande compacité du dispositif expérimental. Après une brève introduction sur le rayonnement Térahertz, ses propriétés et l’état de l’art de la technologie Térahertz, nous passerons en revue les principaux guides d’ondes, à base de matériaux diélectriques ou métalliques, proposés et démontrés jusqu’à présent, ainsi que les approches adoptées jusqu’à présent dans le domaine Térahertz pour la conception et la réalisation d’opérations de traitement du signal. En outre, nous donnerons un bref aperçu des dispositifs pour le traitement du signal développé jusqu’à présent, en exploitant soit l’espace libre, soit les approches intégrées aux guides d’ondes. Par la suite, nous montrerons qu’il est possible d’induire des résonances dans la partie basse fréquence du spectre Térahertz, en exploitant la fabrication de tranchées sur un côté d’un guide d’ondes à plaques parallèles, qui provoque la génération de polaritons plasmonique de surface à l’interface entre un métal et un matériau diélectrique. Plus précisément, nous rendrons compte des résultats obtenus à partir des investigations numériques effectuées sur les tranchées ainsi construites sur l’un des fils d’un guide d’ondes bifilaire dans le but de récupérer un ensemble optimal de paramètres qui aboutissent à l’apparition d’une seule résonance dans l’ensemble du spectre Térahertz. De plus, nous discuterons du processus de fabrication des échantillons, ainsi que des résultats obtenus lors de leur caractérisation expérimentale, qui a été réalisée par une installation typique de spectroscopie dans le domaine temporel pour le rayonnement Térahertz. Enfin, nous expliquerons comment une configuration effilée d’un guide d’ondes bifilaire, qui présente une valeur de sous-longueur d’onde de l’espacement entre les fils, c’est à-dire l’entrefer entre les deux fils, entraîne une forte augmentation du champ Térahertz couplé à son entrée. Plus précisément, la tendance de l’amélioration du champ obtenue à la sortie du guide d’ondes ressemble beaucoup au comportement idéal d’un intégrateur temporel du premier ordre. En outre, nous démontrerons qu’une condition nécessaire qui doit-être remplie pour obtenir une telle amélioration, implique les valeurs des paramètres géométriques du guide d’ondes, c’est-à-dire le rayon et l’espacement des fils. Après une explication détaillée des aspects théoriques de ce phénomène, nous montrerons et discuterons d’abord les résultats obtenus par les études numériques de telle structure, puis les résultats expérimentaux obtenus par la caractérisation de la structure conçue avec un dispositif de spectroscopie dans le domaine du temps pour le rayonnement Térahertz.

Terahertz radiation owns frequencies falling in the region of the electromagnetic spectrum between the microwave and far-infrared regions, i.e. between 0.1 and 10 THz. This region has been known for a long time as the “Terahertz gap”, mostly because of the lack of any reliable device operating in this specific frequency range. However, the tremendous efforts made towards the development of Terahertz technology in the past decades, has resulted in a significant decrease, if not almost a closure, of this technological gap. Among the many interesting applications of Terahertz technology, we can find Information and Communication Technologies. As a matter of fact, in the past decades, we have observed a steep increase in the demand for higher bandwidths and data-transfer rates in wireless communications. Two of the most significant bottlenecks in current wireless communication systems are the atmospheric absorbance of the infrared signal, as well as the atmospheric turbulence, both ultimately leading to a misalignment of the infrared beam on the transceiver. Communication links employing Terahertz technology would exhibit several advantages over either the millimeter-wave or the infrared ones. More specifically, compared to the millimeter waves, Terahertz communication links would lead to a larger utilizable bandwidth, relative to the higher carrier frequency. On the other hand, they would result in a less susceptibility to scintillation effects, with respect to the infrared links. In order to accommodate the capacities for high data-rate transfers, which are strongly required for the design and building of new communication networks, it is crucial to design and implement signal-processing functionalities embedded in a Terahertz guiding structure, due to the many potential advantages of such an approach over free-space schemes, such as a more efficient performance of the designed component, as well as a larger compactness of the experimental set-up. Following a brief introduction on Terahertz radiation, its properties and the state-of-the art of the related technology, we will review the main waveguides, both dielectric- and metal based, proposed and demonstrated so far, as well as the approaches adopted so far in the Terahertz domain for the design and realization of signal-processing operations. Additionally, we will briefly review the signal-processing components developed so far, by exploiting either free-space or waveguide-embedded approaches. Subsequently, we will show that it is possible to induce resonances across the low-frequency portion of the Terahertz spectrum, by exploiting the fabrication of trenches on one side of a parallel-plate waveguide, which causes the generation of Spoof Surface Plasmon Polaritons at the interface between a metal and a dielectric material. More specifically, we will report on the results obtained from the numerical investigations performed on the so-fabricated trenches on one of the wires of a two-wire waveguide with the goal of retrieving an optimal set of parameters that results in the occurrence of a single resonance in the whole Terahertz spectrum. Additionally, we will discuss the fabrication process of the samples, as well as the results obtained from their experimental characterization, which was performed via a typical Terahertz Time-Domain Spectroscopy setup. Finally, we will report on how a tapered configuration of a two-wire waveguide, which exhibits a subwavelength value of the wire interspacing, i.e. the air gap between the two wires, results in a strong field enhancement of the Terahertz field coupled at its input. In more detail, the trend of the field enhancement obtained at the waveguide output closely resembles the ideal behavior of a first-order temporal integrator. We will also demonstrate that, a necessary condition that has to be satisfied in order to achieve such an enhancement, involves the values of the waveguide geometrical parameters (the wire radius and interspacing). After a detailed explanation of the theoretical aspects beneath this phenomenon, we will first show and discuss the results obtained from the numerical investigation of a similar structure, and then the experimental ones obtained from the characterization of the designed structure with a Terahertz Time-Domain Spectroscopy setup.

La radiazione Terahertz contiene quelle frequenze che ricadono nella porzione dello spettro elettromagnetico che si trova tra le microonde ed il lontano infrarosso, ovvero nell’intervallo di frequenze compreso tra 0.1 e 10 THz. Per lungo tempo, nel campo scientifico, ci si è riferiti alla radiazione Terahertz come “Terahertz gap”, a causa della mancanza di dispositivi efficienti funzionanti in questa regione. Da allora, l’intenso lavoro svolto da molti gruppi di ricerca ha portato ad un notevole sviluppo in questo campo, avendo come risultato l’implementazione di diverse sorgenti e rivelatori. Questo, a sua volta, ha portato ad un significativo restringimento, se non una quasi totale chiusura, di questo gap tecnologico. Tra le tante ed interessanti applicazioni di questa particolare radiazione, sono sicuramente da annoverare quelle volte allo sviluppo del campo delle telecomunicazioni. Infatti, negli ultimi decenni, abbiamo potuto notare un rapido aumento nelle richieste per comunicazioni a banda sempre maggiore e per velocità di trasferimento dati più elevate. Allo stato attuale, i sistemi di comunicazione wireless mostrano due grandi problematiche, ovvero l’assorbimento atmosferico del segnale e la sensibilità all’umidità dell’ambiente, che risultano in un disallineamento del fascio infrarosso sul ricevitore. Lo sviluppo di un nuovo sistema di comunicazione basato sulla tecnologia Terahertz mostra diversi vantaggi su quelli già esistenti. Ad esempio, uno dei vantaggi rispetto ai sistemi basati sulle onde millimetriche riguarda la larghezza di banda utilizzabile, legata alla frequenza portante più elevata. Dall’altro lato, rispetto alle comunicazioni basate sulla radiazione infrarossa, le onde Terahertz sarebbero meno suscettibili agli effetti di scintillazione. Uno degli obiettivi principali da raggiungere per aumentare le velocità di trasferimento dati in un sistema di comunicazione basato sulla tecnologia Terahertz è la progettazione, nonchè l’implementazione di dispositivi integrati in strutture guidanti, che siano capaci di effettuare delle operazioni di signal-processing su un impulso Terahertz arbitrario al suo ingresso. Nel contesto di questo progetto di ricerca, inizieremo la dissertazione fornendo una breve introduzione sulla radiazione Terahertz, sulle sue proprietà e sullo stato dell’arte della tecnologia in questo range spettrale. In seguito, introdurremo le principali guide d’onda, basate sia su materiali dielettrici e metallici, sviluppate finora in questo range spettrale, forniremo un’esaustiva panoramica sugli approcci adottati finora per la progettazione e la realizzazione di funzionalità di signal-processing nel campo Terahertz. In particolare, noteremo come uno degli approcci più efficaci sia l’integrazione di tali dispositivi in una struttura guidante, considerati i notevoli vantaggi che questa soluzione offre rispetto ad un approccio in free-space, come ad esempio una prestazione più efficace del dispositivo così implementato, e una maggiore compattezza. Vedremo inoltre come la tecnica principale impiegata finora per la realizzazione di filtri elimina-banda consista nella fabbricazione di solchi periodici sulla superficie di una guida metallica. Nel corpo di questa dissertazione mostreremo come, seguendo un simile approccio suna guida bifilare, sia possibile innescare delle risonanze nella parte inferiore dello spettro Terahertz, causate dall’eccitazione di plasmoni di superficie all’interfaccia tra un materiale metallico ed uno dielettrico. In particolare, mostreremo dapprima i risultati ottenuti dall’investigazione teorica di tale fenomeno, eseguita col fine di valutare l’effetto dei parametri geometrici dei solchi fabbricati sulla risposta spettrale del dispositivo. In seguito discuteremo il processo di fabbricazione di questi solchi, nonchè i risultati ottenuti dalla caratterizzazione sperimentale dei campioni fabbricati, eseguita impiegando un tipico sistema di spettroscopia Terahertz. Infine, dimostreremo che, confinando il campo Terahertz in una particolare configurazione della struttura bifilare, detta “a tromba”, inneschi un arricchimento del campo elettromagnetico alla sua uscita, il cui andamento somiglia notevolmente a quello ideale di un integratore temporale del primo ordine. Più in dettaglio, dimostreremo che, una condizione necessaria al fine di ottenere un arricchimento del campo con un simile andamento coinvolge i parametri geometrici della guida, ad esempo il raggio del filo e la distanza tra i due fili. Dapprima introdurremo i risultati ottenuti dall’investigazione teorica di una tale struttura, ed infine quelli ottenuti dalla sua caratterizazzione sperimentale.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Morandotti, Roberto; Stivala, Salvatore
Co-directeurs de mémoire/thèse: Azaña, José
Mots-clés libres: énergie; matériaux
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 10 juin 2021 15:25
Dernière modification: 29 sept. 2021 17:45
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/11773

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