Dielectric THz Waveguides

Dans cette thèse nous avons exploré une grande variété de guides d'onde diélectriques pour guider la lumière THz (infrarouge lointain). Nous avons exploré théoriquement et expérimentalement un grand nombre de designs, basés sur plusieurs mécanismes de guidage différents, dans le but de réduire les pertes de propagation et les pertes par rayon de courbure élevées qui limitent les guides d'onde actuels. Les différents guides d'onde peuvent être classés selon deux stratégies fondamentalement différentes pour réduire les pertes de propagation : soit une fibre optique monomode dont le petit coeur guide un champ évanescent ou soit un tube creux multimode guidant la lumière à l'intérieur d'un trou d'air. Au delà du design et de la fabrication de nouveaux guides d'onde THz, les résultats présentés dans cette thèse sont basés sur une mesure adéquate des spectres de transmission THz des guides. Un montage innovateur de spectoscopie THz dans le domaine temporel a dû être conçu et réalisé afin de mesurer la propagation de la lumière THz à travers les guides d'onde. Un montage ajustable de spectroscopie THz a été implémenté en fixant des miroirs sur des rails de translation, afin de pouvoir déplacer les miroirs pour accomoder des guides d'onde d'une longueur pouvant atteindre 50 cm. Avec ce montage, nous avons mesuré avec succès des échantillons plans (" 3.25 mm)ainsi qu'une variété de guides d'onde THz, allant jusqu'à 40 cm de longueur. Nos efforts ont d'abord été concentrés sur la stratégie de réduction de pertes de propagation qui repose sur le guidage d'un champ évanescent par une fibre optique dont la taille du coeur est plus petite que la taille de longueur d'onde (lambda) de la lumière guidée. Cette fibre optique est dite de diamètre infra-lambda. Suite à des travaux théoriques par notre groupe sur le potentiel de ces fibres, nous avons entrepris la fabrication et la mesure d'une variété particulaire de fibres de diamètre infralambda dont le coeur est poreux afin de réduire davantage les pertes de propagation. La fabrication des fibres poreuses est un défi qui a nécessité le dévelopement de plusieurs nouvelles méthodes d'étirage de fibre afin d'éviter l'effondrement des trous à l'intérieur des fibres poreuses. La première méthode consistait à emprisonner de l'air dans un assemblage de tubes de polymère en les scellant avec de la colle. La réduction de la taille des trous lors de l'étirage donne lieu à des fibres ayant une faible porosité

Abstract

In this thesis we have explored a wide variety of dielectric waveguides that rely on many different waveguiding mechanisms to guide THz (far-infrared) radiation. We have explored both theoretically and experimentally a large number of waveguide designs with the aim of reducing propagation and bending losses. The different waveguides can be classified into two fundamentally different strategies for reducing the propagation loss: small-core single-mode evanescent-field fibers or large hollow-core multi-mode tubes. Beyond the design and fabrication of new THz waveguides, the results of this thesis hinged on the proper measurement of waveguide transmission spectra. This required the development of a novel THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) setup specifically designed for measuring THz propagation through waveguides. By placing mirror assemblies on a translation rail we implemented a versatile THz-TDS setup with an easily adjustable path length capable of accommodating waveguides up to 50 cm in length. With this setup we successfully measured both thin planar samples (" 3.25 mm) as well as a variety of THz waveguides, some 40 cm in length. Our focus was first set on exploring the small-core evanescent-field fiber strategy for reducing propagation losses. Following initial theoretical work in our group, much effort was spent on the fabrication and measurement of evanescent porous subwavelength diameter plastic fibers, in an attempt to further reduce the propagation losses. The fabrication of such fibers is a challenge and many novel techniques were devised to enable fiber drawing without hole collapse. The first method sealed the holes of an assembly of polymer tubes and lead to fibers of relatively low porosity (#25% air within the core) due to reduction in hole size during fiber drawing. The second method was a novel sacrificial polymer technique whereby drawing a completely solid fiber prevented any hole collapse and the subsequent dissolution of the sacrificial polymer revealed the holes in the fiber. The third method was a combination of preform casting using glass molds and drawing with pressurized air within the holes. This led to fibers of record porosity (86% air). The measurement of these porous fibers began with a collaboration with a group from the university of Sherbrooke. At the time, the only available detector was a