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Additive Manufacturing of Terahertz Waveguide Components for THz Sensing and Communications

Yang Cao

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

The terahertz band ranging from 0.1-10 THz occupies the last relatively underutilized part of the electromagnetic spectrum. Placed in the switching region between electronics and photonics, the “THz gap” has garnered attention for potential applications in sensing, communications, imaging, and spectroscopy during the past decades. To transform the THz technology from theory to practice, the efficient THz waveguide component for THz beam steering and manipulating is one of the missing pieces of the puzzle. However, due to the unavailability of conventional electronics and photonics solutions such as metal transmission lines and silica fibers in the THz range, the lack of universal design standards and fabrication routes has trapped THz waveguide components in the development stage. Considering that the waveguide scale is typically comparable to the wavelength of light, spanning from 3 mm to 30 μm for THz radiation, additive manufacturing techniques incorporating continuously improving resolution have gradually become a promising solution to reproduce THz waveguides with complicated 3D structures and subwavelength features. This has led to the possible realization of new advances in the design and fabrication of THz waveguide components. In this study, we focused on 3D printed THz dielectric fibers and plasmonic waveguides. Among the primary objectives was the development of a real-time fluidic sensor based on a THz photonic bandgap Bragg dielectric fiber. While another was the development of THz optical components and circuits based on two-wire plasmonic waveguides for THz communication. We begin this thesis with a scientific literature review on subjects of the involvement of THz waveguide components in THz sensing and communications, as well as applications of 3D printing in THz waveguides. First, four types of commonly used THz waveguides, that is, polymer fibers, plasmonic waveguides, rectangular waveguides, and waveguides on planar silicon substrates, are briefly discussed along with their guiding mechanisms and applicable manufacturing techniques. Subsequently, we shift the focus to applications of THz waveguide components in the field of THz sensing and communications. In terms of sensing, several THz waveguide-based sensor designs, as well as the development and potential application of photonic bandgap Bragg waveguides have been discussed.

Résumé

Les ondes térahertz allant de 0.1 à 10 THz occupent la dernière portion relativement sous-utilisée du spectre électromagnétique. Située à la transition entre les régions de l'électronique et de la photonique, le « trou des THz » (THz gap) a retenu beaucoup d'attention pour ses potentielles applications en détection, communication, imagerie et spectroscopie au cours des dernières décennies. Afin de faire passer ces technologies THz de la théorie à la pratique, les guides d'onde THz efficaces pour diriger et manipuler les faisceaux est une des pièces manquantes du casse-tête. Cependant, en raison de l'impossibilité d'utiliser des solutions électroniques et photoniques conventionnelles telles que des lignes de transmission métalliques ou fibres en silice dans le régime THz, un manque de normes universelles pour la conception et fabrication de ces composants maintient les guides d'onde THz au stade du développement. En considérant que l'échelle d'un guide d'onde est typiquement comparable à la longueur d'onde de l'onde guidée, soit de 3 mm à 30 um dans le cas du rayonnement THz, les techniques de fabrication additive (additive manufacturing (AM)), dont la résolution est en constante amélioration, sont devenues graduellement une solution prometteuse pour fabriquer des guides d'ondes THz avec une structure 3D compliquée ainsi que des détails sous-longueur-d'onde. Ceci a rendu possible de nouvelles avancées en conception et fabrication de guides d'ondes THz. Dans cette étude, nous nous concentrons sur les fibres diélectrique THz et guides d'ondes plasmoniques imprimés en 3D. Le premier objectif primaire est le développement d'un capteur fluidique en temps réel conçu avec une fibre diélectrique de Bragg à bande interdite photonique (photonic bandgap (PBG)) en THz. Un second objectif est le développement de composants optiques THz et de circuits basés sur les guides d'ondes plasmoniques à deux fils pour la communication THz. Cette thèse débute avec une revue de la littérature scientifique sur les sujets touchés par les guides d'ondes THz en détection et communication, ainsi que sur l'application d'imprimantes 3D à la fabrication de guides d'onde THz. D'abord, quatre types de guides d'onde THz utilisés couramment, soit les fibres polymères, les guides d'onde plasmoniques, les guides d'onde rectangulaires et les guide d'onde planaires en silicium, sont brièvement discutés selon leurs mécanismes de guidage et les techniques de fabrication applicables.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9956/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 14 Apr 2022 13:58
Last Modified: 17 Nov 2022 06:21
Cite in APA 7: Cao, Y. (2021). Additive Manufacturing of Terahertz Waveguide Components for THz Sensing and Communications [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9956/

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