3D-Printed Terahertz Demultiplexers

La demande croissante en bande passante sans fil nécessite l’exploration de la bande de fréquence térahertz (THz) (0,1-10 THz) comme nouvelle frontière pour les technologies de communication. Le multiplexage par division de longueur d’onde (WDM) est une technologie clé pour augmenter la capacité des systèmes de communication THz, pour lesquels les démultiplexeurs intégrés (Demux) sont des composants essentiels. Cependant, la fabrication de tels dispositifs repose souvent sur des processus complexes et coûteux en photonique sur silicium, qui ne sont pas adaptés au prototypage rapide. Cette thèse présente une approche novatrice et rentable pour la conception et la fabrication de démultiplexeurs THz haute performance à l’aide de la fabrication additive (impression 3D). Dans cette approche, nous utilisons une imprimante Fused Deposition Modeling (FDM) à deux buses pour créer des circuits en polypropylène suspendus dans l’air, tirant parti du contraste élevé de l’indice de réfraction pour des dispositifs guidés compacts et à faibles pertes. Les composants clés sont les filtres à réseau de Bragg à guide d’onde couplé latéralement, qui ont été optimisés numériquement à l’aide de la modélisation par éléments finis pour fonctionner dans la bande de 120 à 165 GHz. Nous avons réussi à fabriquer trois filtres distincts avec des canaux de coupure centrés sur 138 GHz, 142 GHz et 146 GHz, chacun offrant une largeur de bande d’environ 5 GHz et un espacement inter-canaux d’environ 4 GHz. La caractérisation expérimentale a démontré la réussite du démultiplexage de trois canaux avec des débits de données allant jusqu’à 6 Gbps, tout en maintenant un taux d’erreur binaire (BER) inférieur à la limite de correction d’erreur avant. Les spectres mesurés ont montré une forte suppression des lobes secondaires et une largeur de bande des ports de coupure plus large ( 6 GHz) que celle simulée ( 4 GHz), bien que les amplitudes de transmission aient été légèrement plus faibles ( 0,5-0,6 contre 0,8 prévues) en raison des pertes de diffusion liées aux structures de support. De plus, nous avons démontré l’intégration de ces filtres dans des démultiplexeurs fonctionnels à quatre canaux utilisant à la fois des configurations planaires (horizontales) et plus compactes en dehors du plan (verticales), connectées via une technique de soudure à faibles pertes. Ce travail établit l’impression 3D comme une plateforme de fabrication viable et flexible pour les circuits intégrés THz complexes. La capacité de prototypage rapide démontrée, associée au potentiel d’intégration tridimensionnelle, ouvre la voie au développement de dispositifs de traitement de signal à faible coût et haute performance pour les futurs systèmes de communication térahertz.

Abstract

The growing demand for wireless bandwidth is pushing the exploration of the terahertz (THz) band (0.1-10 THz) as the next frontier for communications. Wavelength Division Multiplexing (WDM) is a key technology for increasing the capacity of THz systems, with integrated demultiplexers (Demux) serving as vital components. However, fabricating these devices often relies on complex, costly silicon photonics processes, hindering rapid prototyping. This thesis presents a novel, cost-effective approach to designing and fabricating high-performance THz demultiplexers using additive manufacturing (3D printing). This approach utilizes a two-nozzle Fused Deposition Modeling (FDM) printer to fabricate suspended polypropylene circuits. We leverage the high refractive-index contrast of this design to achieve compact, low-loss guided-wave devices. The core components are Side-Coupled Waveguide Bragg Grating Filters, which were numerically optimized via finiteelement modeling for the 120-165 GHz band. We successfully fabricated three distinct filters with drop channels centered at 138 GHz, 142 GHz, and 146 GHz, each exhibiting a 5 GHz bandwidth and 4 GHz inter-channel spacing. Experimental characterization confirmed the successful demultiplexing of three channels at data rates up to 6 Gbps, with a Bit Error Rate (BER) below the forward error correction limit. The measured spectra showed strong sidelobe suppression and a broader drop port bandwidth (6 GHz) than initially modeled (4 GHz). However, transmission amplitudes were slightly lower than predicted (0.5-0.6 vs. 0.8), which we attribute to scattering losses from support structures. Furthermore, we integrated these filters into functional four-channel demultiplexers using both in-plane (horizontal) and more compact out-of-plane (vertical) configurations, interconnected via low-loss splicing. This work establishes 3D printing as a viable and flexible platform for manufacturing complex THz integrated circuits. The demonstrated rapid prototyping capability, combined with the potential for three-dimensional integration, paves the way for the development of low-cost, high-performance signal-processing devices for future terahertz communication systems.