Practical Microstructured and Plasmonic Terahertz Waveguides

La bande térahertz, comprenant les fréquences entre 100 GHz et 10 THz, présente un fort potentiel pour diverses applications technologiques et scientifiques, telles que la détection, l'imagerie, le secteur des communications ainsi que la spectroscopie. La plupart des sources térahertz (THz) sont immobiles et, dans les systèmes THz existants, la propagation de l'onde se fait dans l'air libre, afin de minimiser les pertes de transmission. Le design efficace de guides d'onde THz est important pour des applications pratiques des techniques THz. Ces guides d'onde permettraient une meilleure intégration de plusieurs composants en un système THz unique: les sources, les détecteurs, les filtres etc. L'application la plus évidente des guides d'onde THz est la livraison de l'onde de la source au détecteur. Les composants optiques encombrants pourraient être remplacés et le tout pourrait être incorporé dans un système compact de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L'imagerie et la détection sont d'autres avenues prometteuses pour les guides d'onde THz. Il a déjà été démontré que les guides d'ondes THz peuvent opérer en régime sub-longueur d'onde, offrant ainsi un confinement du mode guidé plus petit que la limite de diffraction. Ainsi, la résolution spatiale de ces guides d'onde surpassent celle des systèmes THz conventionnels. Pour un design efficace des guides d'onde THz, il est important de minimiser les pertes et la dispersion. Une solution potentielle serait d'augmenter la fraction de la puissance modale qui se propage dans l'air. Dans cette thèse, nous abordons l'utilisation de guides d'onde air/diélectrique, planaires et poreux, ainsi que de guides d'onde hybrides fils métalliques/diélectriques. D'abord, nous présentons un nouveau design de guide d'onde planaire et poreux. Nous décrivons sa fabrication et nous le caractérisons pour une potentielle application comme guide d'onde et comme senseur dans le spectre THz. Le guide d'onde est formé de plusieurs minces films de polyéthylène (25 - 50 μm) séparés par des couches d'air d'épaisseurs comparables. Une grande portion du champ électrique est guidé dans l'air, permettant ainsi de réduire significativement les pertes par transmission. Également, nous constatons qu'un tel guide d'onde peut s'avérer utile pour des applications de détection biologique et chimique, en plaçant directement les échantillons dans la microstructure. Le guide d'onde planaire proposé possède l'avantage principal de permettre l'accès aisé au mode optique, puisque la majorité de la puissance THz introduite est confiné dans les couches d'air.

Abstract

The terahertz frequency range, with frequencies lying between 100 GHz and 10 THz, has strong potential for various technological and scientific applications such as sensing, imaging, communications, and spectroscopy. Most terahertz (THz) sources are immobile and THz systems use free-space propagation in dry air where losses are minimal. Designing efficient THz waveguides for flexible delivery of broadband THz radiation is an important step towards practical applications of terahertz techniques. THz waveguides can be very useful on the system integration level when used for connection of the diverse THz point devices, such as sources, filters, sensor cells, detectors, etc. The most straightforward application of waveguides is to deliver electromagnetic waves from the source to the point of detection. Cumbersome free-space optics can be replaced by waveguides operating in the THz range, which could lead to the development of compact THz time domain spectroscopy systems. Other promising applications of THz waveguides are in sensing and imaging. THz waveguides have also been shown to operate in subwavelength regimes, offering mode confinement in waveguide structures with a size smaller than the diffraction limit, and thus, surpassing the resolution of free-space THz imaging systems. In order to design efficient terahertz waveguides, the frequency dependent loss and dispersion of the waveguide must be minimized. A possible solution would be to increase the fraction of mode power propagating through air. In this thesis, the usage of planar porous air/dielectric waveguides and metal wire/dielectric hybrid terahertz fibers will be discussed. First, we present a novel design of a planar porous low-loss waveguide, describe its fabrication, and characterize it in view of its potential applications as a low-loss waveguide and sensor in the THz spectral range. The waveguide structure features a periodic sequence of layers of thin (25-50 μm) polyethylene film that are separated by low-loss air layers of comparable thickness. A large fraction of the modal fields in these waveguides is guided in the low-loss air region, thus effectively reducing the waveguide transmission losses. We consider that such waveguides can be useful not only for low-loss THz wave delivery, but also for sensing of biological and chemical specimens in the terahertz region, by placing the recognition elements directly into the waveguide microstructure.