Integrated Guided-Wave Structures and Techniques for Millimeter-Wave and Terahertz Electronics and Photonics

Pour faire face à la demande croissante en bande passante, les prochaines générations des systèmes sans fil et filaires devront exploiter la large gamme spectrale 100 GHz-1 Térahertz (THz) et au-delà. Cependant, les éléments constitutifs intégrés qui définiront les architectures et les normes des systèmes à très haute fréquence ne sont pas claires et généralement pas du tout disponible. Cette thèse contribue à ce nouveau défi en explorant de nouveaux concepts et techniques de transmission d'onde pour le développement des circuits intégrés et les systèmes électroniques et photoniques en ondes millimétriques (MMW) et THz. Les lignes de transmission sont les éléments constitutifs de tous les circuits électroniques et photoniques intégrés. En dépit d'une expansion substantielle des applications électroniques et photoniques vers les THz, la structure de base des lignes de transmission standard, mis au point dans les années 1950, n'a pas évolué. L'un des problèmes fondamentaux dans le développement de systèmes électroniques et photoniques intégré THz est les limites intrinsèques de ces lignes de transmission classiques. Les dispositifs à ondes progressives électro-optiques et optoélectroniques ont été conçus sur la base de ces lignes de transmission, et sont donc limités en débit en raison de la limitation des performances au spectre RF. Plusieurs tentatives ont été faites pour améliorer ces lignes de transmission. Cependant, la configuration structurelle inhérente du métal est toujours l'obstacle dominant qui impose un mode de fonctionnement particulier qui est sujette à l'atténuation et la dispersion à une fréquence plus élevée. Pour faire face aux problèmes mentionnés et pour répondre à ces défis technologiques contraignants, trois orientations sont traités dans cette thèse: électro-optique, micro-ondes et optique. Pour la première orientation, la ligne SIW est utilisée en tant que structure à onde progressive alternative d'un Modulateur EO sur polymère. Dans ce cas, la fréquence porteuse est déterminée par la fréquence de fonctionnement de la ligne SIW. Dans ce travail, la conception est faite pour un modulateur EO atteignant plus de 22% de la bande passante optique avec la fréquence centrale de 160 GHz.

Abstract

In order to keep up with rising global demand for bandwidth, future generations of both wireless and wireline technology will need to exploit the spectral range over 100 GHz - 1 terahertz (THz) and beyond. However, the integrated building blocks that will well define such an ultra-high frequency system technology architecture and protocol are unclear and mostly unavailable. This dissertation set the stage in responding to this emerging challenge by exploring new guided wave structures, concepts and techniques for the development of millimeter-wave (mmW) and THz electronic and photonic integrated circuits and systems. Radiofrequency integrated circuits are the backbone of all modern computing and communication electronic and photonic networks and systems. Likewise, transmission lines are the most fundamental building blocks of all the electronic and photonics integrated circuits. In spite of a substantial expansion of electronic and photonic applications towards THz, the basic structure of traditional transmission lines, developed in the 1950s, has not been modified or evolved. One of the fundamental bottlenecks in the development of THz integrated electronic and photonic systems has been the inherent limitations of those conventional transmission lines. The traveling-wave electro-optic and opto-electronic devices have been made based on those transmission lines, and are therefore limited in speed because of the RF spectrum performance limitations. Several attempts have been made to improve those transmission lines. However, the inherent structural configuration is still the dominant obstacle that dictates a particular operating mode that is prone to attenuation and dispersion at higher frequencies. To tackle those mentioned problems and to respond to those constraining technological challenges, three research orientations are considered in this PhD thesis: electro-optic, microwave, and optics. For the first orientation, SIW (substrate integrated waveguide) is used as an alternative traveling-wave structure of a polymer EO modulator. In this case, the carrier frequency is determined by the SIW frequency of operation. The design in this work is completed for an EO modulator with the center frequency of 160 GHz achieving more than 22% optical bandwidth.