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Photonic Terahertz signal analyzers: fully ballistic Terahertz source for a photonic VNA and error analysis of Terahertz time domain spectroscopy of liquids

Méndez Aller, Mario (2022):
Photonic Terahertz signal analyzers: fully ballistic Terahertz source for a photonic VNA and error analysis of Terahertz time domain spectroscopy of liquids. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020253,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Photonic Terahertz signal analyzers: fully ballistic Terahertz source for a photonic VNA and error analysis of Terahertz time domain spectroscopy of liquids
Language: English
Abstract:

The technological gap in the terahertz (THz) range has reflected in the lack of cost efctive tools to characterize and develop the necessary technology, such as vector network analyzers (VNAs) and spectrum analyzers. This thesis presents on its first part a fully-ballistic (FB)-p-i-n diode THz source for a photonic vector network analyzer (PNVA). The source is designed towards a commercial implementation with efficient optical coupling, improved thermal conductivity and ease of commercial fabrication as compared to n-i-pn-i-p superlattice photomixers. Special emphasis is put in the refinement of some necessary processing steps that required some of the largest efforts within this thesis. The FB-p-i-n diode exhibits experimentally an improved effciency in terms of transport time roll-off at high frequencies (beyond 1 THz) compared to a n-i-pn-i-p superlattice diode, although it still features a lower absolute emitted power than the n-i-pn-i-p. Pathways to overcome these limitations in future implementations will be outlined.

The second part of the thesis presents analyses with THz-time domain spectroscopy (THz-TDS) of liquids. After a theoretical description of the THz-TDS technique and of the main systematic and random sources of error, motor oil with different grades of gasoline contamination and oxidation is used to analyze how the different sources of error arise during the experiment. A higher robustness of the phase measurements is demonstrated (i.e. samples distinguished using refractive index), not being affected by system noise and exhibiting an error close to the resolution limit. However, the more differentiated absorption coeffcient between the samples makes it still a better parameter to discern contamination and oxidation levels.

Chapter 6 presents a novel technique to identify biodiesel in petroleum-diesel blends using broadband information of the absorption coeffcient. This new approach demonstrates the adequacy of using a linear combination of two models, one for each of the two components, to identify the exact content, exhibiting a deviation from the nominal values of the biodiesel content of less than 3%. This opens the door to real-time analysis of the blend in the absence of narrow spectral features, just relying on the broadband, featureless absorption of each component. Relaying on broadband information also eliminates the uncertainty about the origin of the absorption coeffcient at individual frequencies, which could be affected by many other contaminants and systematic errors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die technologische Lücke im Terahertz(THz)-Band zeigt sich in einem Mangel an kosteneffizienten Geräten zur Charakterisierung von Bauteilen und Komponenten, wie z.B. Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) und Spektrumanalysatoren. Diese Arbeit präsentiert in ihrem ersten Teil eine voll ballistische (fully-ballistic, FB)-p-i-n-Diode als Quelle für einen photonischen VNA (PVNA). Die Quelle ist auf eine kommerzielle Implementierung mit effzienter optischer Kopplung, verbesserter Wärmeleitfähigkeit und einfacher kommerzieller Herstellung im Vergleich zu anderen Technologien wie n-i-pn-i-p-Übergitter-Fotomischern ausgelegt. Besonderes Augenmerk wird auf die Verfeinerung einiger notwendiger Prozessschritte gelegt, die einige der größten Anstrengungen innerhalb dieser Arbeit darstellten. Die hier vorgestellte FB-p-i-n-Diode zeigt experimentell eine verbesserte Effizienz hinsichtlich des Transportzeitabfalls bei hohen Frequenzen (über 1 THz) im Vergleich zu einer ni-pnip-Übergitterdiode, obwohl sie immer noch eine niedrigere absolute emittierte Leistung aufweist Verbesserungsmöglichkeiten für zukünftige Implementierungen werden aufgezeigt.

Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit Analysen mittels THz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-TDS) von Flüssigkeiten. Nach einer theoretischen Beschreibung der THz-TDS-Technik und den wichtigsten systematischen und stochastischen Fehlerquellen wird Motoröl mit unterschiedlichen Verschmutzungs- und Oxidationsgraden von Benzin verwendet, um zu analysieren, wie sich die verschiedenen Fehlerquellen auf das spektroskopische Ergebnis auswirken. Es wird eine höhere Robustheit der Phasenmessungen gezeigt (d. H. Proben, die anhand deren Brechungsindex unterschieden wurden), die nicht durch Systemrauschen beeinflusst werden und einen Fehler nahe der Auflösungsgrenze zeigen. Der differenziertere Absorptionskoeffizient zwischen den Proben macht es jedoch immer noch zu einem geeigneteren parameter, um den Oxidationsgrad bzw. den Kontaminationsgrad zu bestimmen.

Im letzten Kapitel wird eine neuartige Technik zur Identiffizierung von Biodiesel in Erdöl-Diesel-Gemischen anhand von breitbandigen Messungen des Absorptionskoeffizienten vorgestellt. Dieser neue Ansatz zeigt die Präzision der Bestimmung des Biodiesel-Gehalts anhand einer Linearkombination von zwei Modellen, eines für jede der beiden Komponenten wobei eine Abweichung von den Nennwerten des Biodieselgehalts von weniger als 3% gezeigt wird. Dies ermöglicht die Echtzeitanalyse der Mischung, ohne dass enge spektrale Merkmale erforderlich sind. Durch die Verwendung von Breitbandinformationen werden auch Fehler bei der Bestimmung des Biodieselgehalts vermieden, wenn andere Verunreinigungen und systematische Fehler die Absorption bei speziffischen Frequenzen beeinflussen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 143 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP) > Terahertz Devices and Systems
TU-Projects: EC/H2020|713780|Pho-T-Lyze
Date Deposited: 17 Jan 2022 08:31
Last Modified: 17 Jan 2022 08:31
DOI: 10.26083/tuprints-00020253
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202534
Referees: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Ong, Prof. Dr. Duu Sheng
Date of oral examination: 20 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20253
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