title: Filter Concepts for the Terahertz Frequency Band
title: Filterkonzepte für den terahertz-Frequenzbereich
Creators: name: Born, Norman
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Fabry-Pérot Resonator
Filter , Lithografie
angle sensitive filters
FIR
Naturwissenschaften
Sciences
Q-Factor
winkelabhängige Filter
Bandpass
Fabry-Pérot resonator
Metamaterial , Polarisator
Terahertzbereich
Laserablation
Gütefaktor
Spektroskopie

description: In dieser Arbeit werden Filter und
      Modulatoren für terahertz-Strahlung behandelt und Grundlagen,
      die zu neuen Eigenschaften oder neuen Bauelementen führen,
      studiert. Begonnen wird mit einer alternativen
      Herstellungsmethode für zweidimensionale Filteroberflächen,
      die im Vergleich zur Fotolithographie sehr flexibel ist und
      zusätzlich die Herstellung von freistehenden Filtern erlaubt.
      Diese Methode basiert auf der Laser-Ablation, durch welche
      gezielt verschiedene Materialien von einer Probe oder einer
      dünnen Folie abgetragen werden können. In dieser Arbeit
      werden mit Hilfe dieser Herstellungstechnik einige Beispiele
      wie Bandpass-Filter oder Polarisatoren demonstriert und
      charakterisiert, die aus der Literatur bereits bekannt sind.
      Hierauf folgt ein breiter Themenkomplex, in dem
      unterschiedliche Hohlraumresonatoren als Filter und
      Modulatoren für den terahertz-Bereich adaptiert, studiert und
      besprochen werden. Dabei werden unter anderem Filter mit sehr
      schmalen Transmissionsbändern diskutiert, die Gütefaktoren in
      einem Bereich von 500 aufweisen. Durch ihr relativ robustes
      und einfach zu handhabendes Design von schmalen Metallgittern
      auf den sehr parallelen Grenzflächen eines Halbleiterwafers
      können sie ohne weiteres in Freistrahlaufbauten eingesetzt
      werden. Zusätzlich ist eine Feinjustage möglich, indem der
      Filter temperiert oder gedreht wird. Weiterhin wird in einem
      Ausblick beispielhaft demonstriert, wie sich mit einem
      Hohlraumresonator die Sensitivität eines möglichen
      Dünnfilmdetektors verbessern ließe. Der darauffolgende
      Abschnitt erweitert das Konzept des Hohlraumfilters für die
      Anwendung als Modulator. Genutzt wird hierbei, dass in dem
      halbleitenden Trägersubstrat optisch freie Ladungsträger
      angeregt werden können, die innerhalb des Resonators zu einer
      effektiven Dämpfung der Transmission führen. Dabei erreichte
      das Musterbauteil eine Modulationstiefe von 90% bei einer
      maximalen Ausgangstransmission von ca. 80% an einer
      ausgesuchten Frequenz bei 942 GHz. Darüber hinaus werden in
      der Diskussion Effekte besprochen, welche die
      Modulationseigenschaften verschlechtern oder verbessern. Im
      Anschluss wird ein Dünnfilm in einem Hohlraumresonator
      genutzt, der reversibel seinen Phasenzustand über
      verschiedene Stimuli von einer isolierenden in eine leitende
      Phase ändern kann. Dieser Phasenübergang kann extrem schnell
      vonstattengehen, unterliegt aber einer Hysterese für die
      Rückrichtung. Das Musterbauteil schaltet scharfe
      Transmissionsbänder über eine Temperaturänderung und erreicht
      eine Finesse von ca. 6. Die Phasenänderung geschieht dabei in
      einem Temperaturbereich, der kleiner als 10°C ist und
      gestattet möglicherweise zukünftig das Herabsetzen der
      Schwellintensität für einen zweiten, schnelleren Stimulus,
      der sowohl optisch als auch elektrisch sein könnte.
      Schließlich beschäftigt sich diese Arbeit mit
      Filteroberflächen, die sich aus periodisch angeordneten,
      metallischen Resonatoren auf einem dielektrischen Substrat
      zusammensetzen und Resonanzen aufweisen, die vorwiegend durch
      die Geometrie der Resonatoren bestimmt werden. Dabei sind die
      Resonatoren deutlich kleiner als die Resonanzwellenlänge und
      es kommt unter bestimmten Umständen zu asymmetrischen
      Resonanzverläufen, die als Fano-artig bezeichnet werden.
      Zunächst wird dabei ein Konzept vorgestellt und studiert, in
      dem sich multiple, scharfe und Fano-artige Resonanzen anregen
      lassen. Einige dieser Resonanzen können beispielsweise über
      asymmetrische Resonatoren erzeugt werden. Darüber hinaus wird
      gezeigt, dass auch ein leicht verändertes Gitter in einer
      Schachbrettgeometrie zu einem ähnlichen Resonanzverlauf
      führt. Werden beide Konzepte gleichzeitig auf eine
      Filteroberfläche angewandt, so lassen sich mehrere, scharfe
      Resonanzen auf einmal anregen. Die Demonstration gelingt
      anhand von zwei unterschiedlichen Beispielen, bei denen
      Geometrieparameter sowie ihr Einfluss auf die
      Transmissionseigenschaften und die Stromverteilungen
      untersucht werden. Zukünftig könnten derartige Oberflächen
      als Filter für verschiedene Bänder eingesetzt werden oder die
      Plattform für eine neue Generation von Dünnfilm-Sensoren
      bilden. Abschließend widmet sich diese Arbeit den
      winkelabhängigen Eigenschaften der zuvor besprochenen Filter
      und studiert einen Effekt, der zu einer erhöhten Sensitivität
      auf den Einfallswinkel führt. Dieser Effekt, der sich auf die
      Periodizität der metallischen Resonatoren zurückführen lässt,
      wird ausgenutzt, um eine besonders hohe Sensitivität einer
      einzelnen Resonanz innerhalb eines Filters mit multiplen
      scharfen Resonanzen zu erzeugen. Dabei zeigt sich, dass sich
      der Bereich der höchsten Sensitivität für den Einfallswinkel
      einstellen lässt und dass nicht jeder Resonatortyp bzw. nicht
      jede Resonanzart gleich empfindlich für dieses Phänomen
      ist.
description: This work addresses filters and
      modulators for the terahertz regime and studies the
      fundamentals that lead to new characteristics or new devices.
      The discussion of the results starts with an alternative
      approach to fabricate two dimensional filter surfaces. The
      method is, in comparison to photolithographic techniques,
      very flexible and additionally allows for the fabrication of
      freestanding filters. It is based on laser ablation and can
      remove certain materials from a sample substrate or foil.
      This work demonstrates the proposed technique and
      characterizes some well-known devices like band pass filters
      or polarizers that are fabricated with this technique. In the
      following sections, different cavities are adapted, utilized
      and characterized as filters and modulators for the terahertz
      regime. In particular, Fabry Pérot based filters with very
      sharp transmission bands and Q-Factors in the region of 500
      are discussed. Due to their robust and simple to handle
      design they can be used very easily. They consist of two
      metal wire gratings on both surfaces of a semiconductor wafer
      with very parallel edges. In the setup, they can be tuned in
      a small frequency region by temperature control or by
      rotating the sample. Furthermore, at the end of this section,
      there is given a small outlook that discusses the possibility
      of using such cavities to enhance sensitivity for probing
      very thin samples. The following section widens the concept
      from a filter to a modulator. For this purpose, the optical
      excitation of free carriers inside the semiconductor
      substrate is used to achieve an efficient damping of the
      transmission. The fabricated sample reaches a modulation
      depth of 90% and a transmission maximum of about 80% at a
      selected frequency of 942 GHz. Additionally, the discussion
      includes statements about effects that could improve or
      deteriorate the modulation characteristics. After that, a
      thin film is used inside the cavity that can change its phase
      state from an insulating to a conducting phase via different
      stimuli. This phase transition can be triggered very fast,
      but is restricted by a hysteresis in reverse. In testing, the
      device switches sharp transmission bands by a temperature
      change and reaches a finesse of about 6. The transition
      happens in a temperature region smaller than 10°C and
      possibly allows for future applications to reduce the
      threshold intensity for a second, yet faster stimulus, which
      could be optical or electrical. Finally, this work
      concentrates on filter surfaces which consist of periodically
      arranged metallic resonators on a dielectric substrate. These
      unit cells exhibit resonances that are mainly given by the
      geometry of the resonator. The resonance wavelengths are
      distinctly smaller than the size of the unit cell and in
      certain circumstances, the shape of the resonance is
      asymmetric and therefore often referred to as Fano-like.
      Initially, a concept is proposed and studied that allows for
      multiple sharp Fano-like resonances at a time. Individual
      Fano-like resonances can be excited in some asymmetric
      resonators. Beyond this, this work shows that slightly
      changed lattices in chess board geometry can lead to similar
      resonance characteristics. If both concepts are applied at
      the same time, it is possible to excite several sharp
      resonances. For demonstration, two different examples are
      used in which parameter sweeps and their influence on
      transmission characteristics and current distributions are
      investigated. In the future, such frequency-selective
      surfaces could be used to filter different frequency bands or
      to build the platform for a novel generation of thin film
      sensors. Moreover, this work addresses the angular dependent
      characteristics of the previously proposed filters and
      investigates an effect which leads to an enhanced sensitivity
      to the incidence angle. This effect, which is connected to
      the periodicity of the resonators, is used to achieve a
      pronounced sensitivity within a selected resonance of a multi
      band filter. By studying the underlying relationships it is
      found that there is a region of highest sensitivity to the
      angle of incidence that can be tuned. Furthermore, it is
      observed that not all resonator types and not each resonance
      type is similarly sensitive.