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Infinity Additive Manufacturing of Microstructured Fibers for THz Communications

Guofu Xu

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

The Terahertz (THz) spectral range (0.1-10 THz), located between microwave and infrared spectral ranges, has attracted widespread attention over the past two decades owing to the advances in both generation and detection technologies of THz radiation, as well as the unique properties of THz waves, such as the non-ionizing nature, large bandwidth, strong absorption by water molecules, high directivity, etc. In particular, the THz frequency band is expected to provide solutions for next-generation high-speed communications. In this scenario, wireless links are undoubtedly a particularly convenient modality for mobile end users while transmitting large data volumes. However, there are still major obstacles hindering the practical application of free space wireless THz communication systems. Nevertheless, the seamless integration of THz wireless links and fiber-assisted links can provide better reliability and diversity for next-generation communication systems. To achieve this, high-performance advanced THz fiber/waveguide is an indispensable and important component. The main objective of this thesis is to develop advanced microstructured THz fibers for practical applications in THz communications, and to explore novel additive manufacturing techniques for the continuous fabrication of advanced THz fibers featuring complex transverse geometries, thus pushing the field of THz communications one step closer to reality. The thesis starts with a comprehensive review of the scientific literature on the subject of wired THz communications. This review presents most of the progress in the field of wired THz communications in the past two decades, covering communication links ranging from a few centimeters to more than ten meters. A variety of fibers/waveguides and functional devices for THz communication applications are introduced, including photonic crystal waveguides, topological valley photonic crystal waveguides, effective-medium-cladded waveguides, dielectric interconnects, all-dielectric and hybrid dielectric/metal hollow-core fibers, subwavelength rod-in-air fibers, graded-index porous fibers, two-wire waveguides, directional couplers, splitters, dispersion compensators, frequency/polarization-division multiplexers, etc. Subsequently, a comprehensive literature review on the application of additive manufacturing (3D printing) techniques in THz fiber/waveguide fabrication is presented.

Résumé

La gamme spectrale térahertz (THz) (0,1-10 THz), située entre les gammes spectrales micro-ondes et infrarouge, a attiré une large attention au cours des deux dernières décennies en raison des progrès des technologies de génération et de détection du rayonnement THz, ainsi que du propriétés des ondes THz, telles que le caractère non ionisant, la large bande passante, la forte absorption par les molécules d'eau, la directivité élevée, etc. En particulier, la bande de fréquence THz devrait apporter des solutions pour les communications à haut débit de nouvelle génération. Dans ce scénario, les liaisons sans fil sont sans aucun doute une modalité particulièrement pratique pour les utilisateurs finaux mobiles tout en transmettant de gros volumes de données. Cependant, il existe encore des obstacles majeurs qui entravent l'application pratique des systèmes de communication THz sans fil en espace libre. Néanmoins, l'intégration transparente des liaisons sans fil THz et des liaisons assistées par fibre peut offrir une meilleure fiabilité et diversité pour les systèmes de communication de nouvelle génération. Pour y parvenir, la fibre/guide d'ondes THz avancée hautes performances est un composant indispensable et important. L'objectif principal de cette thèse est de développer des fibres THz microstructurées avancées pour des applications pratiques dans les communications THz, et d'explorer de nouvelles techniques de fabrication additive pour la fabrication continue de fibres THz avancées présentant des géométries transversales complexes, poussant ainsi le domaine des communications THz un peu plus près. à la réalité. Nous commençons cette thèse par une revue exhaustive de la littérature scientifique sur le sujet des communications filaires THz. Cette revue présente l'essentiel des avancées dans le domaine des communications filaires THz au cours des deux dernières décennies, couvrant des liaisons de communication allant de quelques centimètres à plus de dix mètres. Une variété de fibres/guides d'ondes et de dispositifs fonctionnels pour les applications de communication THz sont introduits, y compris les guides d'ondes à cristaux photoniques, les guides d'ondes à cristaux photoniques à vallée topologique, les guides d'ondes à gaine moyenne efficace, les interconnexions diélectriques, les fibres à noyau creux diélectrique/métallique entièrement diélectriques et hybrides, fibres sous-longueur d'onde tige dans l'air, fibres poreuses à gradient d'indice, guides d'ondes à deux fils, coupleurs directionnels, séparateurs, compensateurs de dispersion, multiplexeurs de fréquence/polarisation, etc.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53366/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 13:52
Last Modified: 09 Apr 2024 16:52
Cite in APA 7: Xu, G. (2023). Infinity Additive Manufacturing of Microstructured Fibers for THz Communications [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53366/

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