Dielectric THz Waveguides

Dans cette these nous avons explore une grande variete de guides d’onde dielectriques pour guider la lumiere THz (infrarouge lointain). Nous avons explore theoriquement et experimentalement un grand nombre de designs, bases sur plusieurs mecanismes de guidage differents, dans le but de reduire les pertes de propagation et les pertes par rayon de courbure elevees qui limitent les guides d’onde actuels. Les differents guides d’onde peuvent etre classes selon deux strategies fondamentalement differentes pour reduire les pertes de propagation : soit une fibre optique monomode dont le petit coeur guide un champ evanescent ou soit un tube creux multimode guidant la lumiere a l’interieur d’un trou d’air. Au dela du design et de la fabrication de nouveaux guides d’onde THz, les resultats presentes dans cette these sont bases sur une mesure adequate des spectres de transmission THz des guides. Un montage innovateur de spectoscopie THz dans le domaine temporel a du etre concu et realise afin de mesurer la propagation de la lumiere THz a travers les guides d’onde. Un montage ajustable de spectroscopie THz a ete implemente en fixant des miroirs sur des rails de translation, afin de pouvoir deplacer les miroirs pour accomoder des guides d’onde d’une longueur pouvant atteindre 50 cm. Avec ce montage, nous avons mesure avec succes des echantillons plans (" 3.25 mm)ainsi qu’une variete de guides d’onde THz, allant jusqu’a 40 cm de longueur. Nos efforts ont d’abord ete concentres sur la strategie de reduction de pertes de propagation qui repose sur le guidage d’un champ evanescent par une fibre optique dont la taille du coeur est plus petite que la taille de longueur d’onde (lambda) de la lumiere guidee. Cette fibre optique est dite de diametre infra-lambda. Suite a des travaux theoriques par notre groupe sur le potentiel de ces fibres, nous avons entrepris la fabrication et la mesure d’une variete particulaire de fibres de diametre infralambda dont le coeur est poreux afin de reduire davantage les pertes de propagation. La fabrication des fibres poreuses est un defi qui a necessite le developement de plusieurs nouvelles methodes d’etirage de fibre afin d’eviter l’effondrement des trous a l’interieur des fibres poreuses. La premiere methode consistait a emprisonner de l’air dans un assemblage de tubes de polymere en les scellant avec de la colle. La reduction de la taille des trous lors de l’etirage donne lieu a des fibres ayant une faible porosite ----------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