Practical Terahertz Waveguides for Advanced Light Management

Avec la demande croissante de bandes passantes plus larges et de taux de transfert de données plus élevés, l'utilisation des térahertz (THz) pour les communications sans fil a connu un regain d'attention ces récentes années. En raison de ses faibles absorption et dispersion, le gaz est souvent vus comme les meilleurs médium pour transmettre la radiation THz. Aujourd'hui, de nombreux systèmes de communication THz se basant sur propagation à l'air libre ont été développés et étudiés, démontrant des taux de 100 Gbit/s pour des fréquences de porteuses sous 0.6 THz. Cependant, l'application de ces systèmes sont encore limités en raison des défis inhérents posés par une propagation en espace libre, tels qu'une forte dépendance aux conditions atmosphériques, une divergence rapide du faisceau THz (spécialement à basses fréquences) et le besoin de matériel optique distinct et d'alignement parfait. De plus, en raison de la forte directionalité des faisceaux THz, l'accès aux zones partiellement bloquées peut être compliqué et requiert des solutions additionnelles de manipulation des THz pour une communication fiable. D'un autre côté, les guides d'ondes diélectriques offrent des solutions aux limitations d'une propagation à l'air libre. En particulier, la propagation dans les fibres THz scellés permet d'éviter les problèmes de communication liés à l'influence des conditions atmosphériques. De plus, ces fibres sont flexibles et permettent ainsi d'accéder à des zones physiquement obstruées. Finalement, la taille de ces fibres est comparable à la longueur d'onde, permettant des liens de communication compacts. Cependant, aucun système de communication basés sur les fibres n'existe actuellement. Les principales raisons sont les fortes absorptions et la dispersion dans ces guides d'onde. Au cours de la dernière décennie, plusieurs fibres THz ont été proposées pour réduire les pertes. On peut donc considérer que ce problème est résolu. Cependant, la gestion de la dispersion est encore très peu étudiée dans la littérature. Dans cette thèse, j'explore différents types de guides d'onde diélectriques pour réduire à la fois les pertes et la dispersion dans le spectre des THz. Premièrement, je présente un guide d'onde THz à coeur creux à bande interdite qui utilise des réflecteurs positionnés suivant une distribution hyperuniforme. La motivation première de ce guide d'onde est d'explorer la possibilité d'utiliser le design à coeur creux qui possède des larges bandes interdites potentiellement plus grandes que celle atteignables avec des structures simplement périodiques.

Abstract

With the demand of wider bandwidths and higher bit rates, the use of terahertz frequencies for wireless communications has experienced a surge of attention in recent years. Due to its low absorption and low dispersion, dry gas has been proven to be the best medium to deliver terahertz radiation. To date, various THz communication systems with carrier frequencies smaller than 0.6THz and data transmission rates of 100Gbit/s have been developed and investigated based on free-space propagation (FSP). However, applications of these THz communication systems are still limited due to inherent challenges posed by the free space propagation modality, such as strong dependence on atmospheric conditions, rapid divergence of the THz beams especially at lower frequencies, and demand of professional alignment and optic hardwares. Additionally, due to strong directionality of the THz beams, wireless communications access to partially blocked areas can be problematic, thus, requiring additional THz steering solutions for reliable communications. On the other hand, dielectric fibers and waveguides offer solutions to the limitations caused by free-space propagation. Particularly, light propagates through sealed THz fibers, thus, influence of the atmospheric conditions on the communication link quality is minimized. Additionally, THz fibers are flexible, hence, allowing access to even physically obstructed areas. Finally, THz fiber size is typically comparable to the wavelength of light, thus enabling highly compact communication links with small footprint. However, no such waveguide-assisted THz communication system currently exists. The main culprits are high absorption and dispersion of THz waveguides. In the past decade, various THz fibers have been proposed for low loss guidance, and hence the loss reduction in THz fibers can be considered as a solved problem. However, dispersion management in THz fibers has been rarely studied and remains unsolved. In this thesis, I will explore several types of dielectric waveguides for both loss and dispersion reduction in terahertz frequency range. First, I present a novel hollow-core terahertz PBG waveguide that uses hyperuniform disordered reflectors. The main motivation of the proposed waveguide is to explore the possibility of designing hollow-core waveguides that feature spectrally broad bandgaps which are potentially superior to those attainable with purely periodic structures.