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Waveguide Architecture and Components for Photonic Vector Network Analysers

Mukherjee, Amlan kusum (2023)
Waveguide Architecture and Components for Photonic Vector Network Analysers.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023364
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Waveguide Architecture and Components for Photonic Vector Network Analysers
Language: English
Referees: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Unterrainer, Prof. Dr. Karl
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 164 Seiten
Date of oral examination: 20 January 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023364

In the past few decades, the Terahertz range (0.1−10 THz) has gained interest for its many applications in astronomy, non-destructive testing, imaging, security and many other fields. With the current availability of non-cryogenic, table-top Terahertz (THz) sources and receivers, THz systems with peak dynamic ranges between 120 − 140 dB have become commonplace due to their broad frequency coverages over a few octaves. However, there is a severe lack of affordable, broadband characterisation tools, like vector network analysers. Electronic systems in a hollow metallic waveguide configuration yet offer the largest dynamic range, however, they are comparatively narrowband. At least five different waveguide rectangular (WR)-configurations (WR-1.5 to WR-0.65) are necessary for a frequency coverage between 0.5 − 1.5 THz, along with the corresponding frequency-extender modules, which become exponentially expensive with increasing operational frequency. A particularly costly component of an electronic system with on-chip measurement capability is the ground-signal-ground (G-S-G) probes that wear off and have to be regularly replaced. Therefore, free-space setups are implemented where possible. Traditionally employed optical components in free-space setups, such as lenses and parabolic mirrors, make THz systems bulky and create hurdles for miniaturisation and integration. For instance, a 10 × 10 μm2 large active device needs an antenna and a silicon lens to operate in free-space configuration, which enlarges it by at least 6 orders of magnitude. In order to circumvent both the limitations of a hollow metal waveguide and the unhandiness of a free-space setup, we propose in this thesis a dielectric waveguide architecture and an integrated photoconductive receiver topology to manufacture a (semi-) integrated, broadband, continuous-wave vector network analyser driven by standard 1550 nm telecom lasers. Enhanced by digital post-processing techniques, the photonic vector network analyser (PVNA) features an operational bandwidth between 0.5−1.5 THz without the need of exchanging any bands. The thesis first explores the applicability of free-space PVNAs in material characterisation and imaging at THz frequencies that will later serve as a benchmark for the integrated PVNA. For homogeneous, plane-parallel dielectric devices under test (DUTs), the measured scattering parameters (S-parameters) feature Fabry-Pérot oscillations. Fitting these oscillatory features allows the extraction of the physical thickness of the DUT with a precision of λ/15, 000 and proves such high precision by visualising a Siemens star as thin as 50 nm using a bandwidth between 0.6 − 0.8 THz. For characterising multilayered samples, where calculation of analytical Fabry-Pérot functions is cumbersome, we propose scattering transfer parameter (T-parameter)-based modelling and vectorial optimisation algorithms and apply them in estimating the thickness and refractive index of each layer of a 5-layered distributed Bragg reflector (DBR) structure with ∼ 0.6% error margin. The digital signal processing techniques demonstrably improve the operational bandwidth and dynamic range (DNR) of continuous-wave (CW) THz systems, such as the free-space PVNA, by ∼ 30% and 20 dB, respectively, without any significant increase in the measurement time. The waveguide architecture miniaturises the free-space PVNA by transforming the free-space THz beam to a guided one. The waveguides are highly-resistive float-zone silicon (HRFZ-Si)-based rectangular, dielectric structures with a 200 × 50 μm2 cross-section. High density polyethelene (HDPE) or crystalline quartz (Qz) substrates provide mechanical stability to the waveguide and ease their further integration with active devices, especially with Vivaldi antenna (VA)-coupled THz receivers manufactured in-house from erbium arsenide/indium (aluminium) galium arsenide (ErAs:In(Al)GaAs) photoconductors. The single-mode bandwidths of the waveguides are between 0.45 − 0.7 THz and 0.5 − 0.75 THz when supported by HDPE and Qz substrates, respectively. We operate the waveguides in the overmoded regime, but suppress the generation of undesired higher-order modes (HOMs) at bends by using ≳ 4 mm bend radii for circular bends or ≳ 2.3 mm for sine-squared bends. The tapered structures for free-space in-coupling and quasi near-field out-coupling using VA-coupled active devices further suppress the excitation of HOMs. The coupling efficiency to VA-coupled receivers is 5 − 14 dB higher than free-space coupling between 0.4 − 1.05 THz. The operational bandwidth of the waveguides in their fundamental mode with free-space in-coupling and direct out-coupling is between 0.45 − 1.5 THz, where the upper boundary is solely given by the decreasing dynamic range (DNR) with increasing frequency. The VA-coupled THz receivers are only 0.23 × 0.9 × 0.03 mm3 large and do not require silicon lenses to operate, easing integration to planar system-on-chip (SOC) architectures. Finally, the thesis presents a (semi-) integrated 1.5-port PVNA using the waveguide architecture and VA-coupled, ErAs:In(Al)GaAs-based receivers. A commercial P-I-N diode-based THz source is used in the free-space configuration due to the unavailability of appropriate materials to fabricate powerful VA-coupled THz sources. Despite of the 10−13 dB in-coupling losses, the operational bandwidth of the PVNA extends between 0.5−1.5 THz, demonstrated by a characterised whispering gallery mode (WGM) resonator, where the entire HRFZ-Si structure is fabricated together. We successfully characterise a THz fibre Bragg grating and two cavity resonators using the PVNA setup between 0.45 − 1.2 THz, where the measured S-parameters match excellently with simulated models in CST® microwave studio. Furthermore, we demonstrate a coupling mechanism to rectangular hollow metallic (RHM) waveguides that enable on-chip measurements of integrated electronic circuits using commercially available wafer probes in G-S-G configuration between 0.45 − 1.1 THz, without changing any setup components. In closing, the thesis briefly discusses the current pitfalls of the 1.5-port architectures and the modifications necessary to assemble a 2-port PVNA.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aufgrund zahlreicher Anwendungsfelder, beispielsweise in der Astronomie, der Bildgebung bei zerstörungsfreien Testverfahren oder Sicherheitsanwendungen, nahm das Interesse am Terahertzbereich (0, 1 − 10 THz) in den letzten Jahrzehnten stark zu. Mit der Verfügbarkeit von nicht-kryogenen kompakten Terahertz-(THz)-Quellen und -Empfängern sind THz-Systeme mit Spitzen-Dynamikbereichen zwischen 120 − 140 dB in vielen Laboren und ersten industriellen Umgebungen im Einsatz. Die Entwicklung der Terahertz-Technologie wird erschwert durch den Mangel an Breitband-Messgeräten, wie beispielsweise Netzwerkanalysatoren. Elektronischen Systeme verfügen derzeit über den größten Dynamikbereich. Diese Systeme sind allerdings vergleichsweise schmalbandig. Für eine Frequenzabdeckung zwischen 0, 5 − 1, 5 THz sind mindestens funf verschiedene WR-Wellenleiterkonfigurationen (WR-1,5 bis WR-0,65) und die entsprechenden Frequenz-Extender erforderlich, die mit steigender Betriebsfrequenz exponentiell teurer werden. Insbesondere die für On-Chip-Anwendungen notwendigen Erde-Signal-Erde Messspitzen sind verschleißanfällig und damit sehr kostenintensiv. Aus diesem Grund werden häufig Freistrahlaufbauten verwendet. Die dort üblicherweise in Freistrahlaufbauten verwendeten sperrigen optischen Komponenten, wie Linsen und Parabolspiegel, verhindern deren Miniaturisierung und Integration. So benötigt ein 10 μm ×10 μm großes aktives Bauteil eine Antenne und eine Siliziumlinse um in einer Freistrahlkonfiguration eingesetzt werden zu können. Im Vergleich zum aktiven Bauteil steigt der Platzbedarf um mindestens sechs Größenordnungen. Um die Schmalbandigkeit WR-gekoppelter elektronischer Systeme so wie die nachteilige Größe von Freiraumaufbauten zu umgehen, befasst sich diese Arbeit mit einer dielektrischen Wellenleiterarchitektur und einer integrierten photoleitenden Empfängertopologie. Auf deren Basis wird anschließend ein (halb-)integrierter breitbandiger Dauerstrich (CW)- Vektornetzwerkanalysator demostriert, der mit Standard-1550 nm- Telekommunikationslasern betrieben wird. Durch digitale Nachbearbeitungstechniken verbessert, weist der photonische Vektornetzwerkanalysator (PVNA) eine Betriebsbandbreite zwischen 0, 5 − 1, 5 THz auf.

Zunächst wird die Anwendbarkeit der Freistrahl-PVNAs bei der Materialcharakterisierung und Bildgebung bei THz-Frequenzen untersucht, um Vergleichswerte der Performanzparameter für das integrierte System zu erhalten. Bei homogenen, planparallelen dielektrischen Messobjekten (DUTs) weisen die gemessenen Steuerparameter Fabry-Pérot-Oszillationen auf. Durch Fitten an Fabry-Pérot-Transmissionsund Reflexionsverläufen erhalten wir die physikalische Dicke des DUTs mit einer Genauigkeit von λ/15 000. Diese hohe Präzision verifizieren wir durch die Visualisierung eines „Siemens“-sterns von nur 50 nm Dicke unter Verwendung einer Bandbreite von 0, 6 − 0, 8 THz. Zur Charakterisierung mehrschichtiger Proben, bei denen die Berechnung analytischer Fabry-Pérot-Funktionen umständlich ist, stellen wir Transferparameter-basierte Modellierungs- und vektorielle Optimierungsalgorithmen vor und wenden sie anschließend bei der Schätzung der Dicke und des Brechungsindex der Schichten einer 5-schichtigen Bragg-Spiegel (DBR)-Struktur mit ∼ 0, 6% Fehlertoleranz an. Digitale Signalverarbeitungstechniken verbessern nachweislich die Betriebsbandbreite und den Dynamikbereich (DNR) von CW THz-Systemen, wie beispielsweise der Freistrahl-PVNA, um ∼ 30% bzw. 20 dB, ohne dass sich die Messzeit wesentlich verlängert.

Anschließend wird eine rechteckige, dielektrische Wellenleiter-struktur auf Basis von hochohmigem Silizium (HRFZ-Si) mit einem Querschnitt von 200×50 μm2 zur Miniaturisierung des Freistrahl-PVNAs entwickelt. Polyethylen hoher Dichte (HDPE)- oder Quarzkristall (Qz)-Substrate verleihen dem Wellenleiter mechanische Stabilität und erleichtern die weitere Integration mit aktiven Bauteilen, insbesondere mit Vivaldiantennen (VA)-gekoppelten THz-Empfängern, die aus ErAs:In(Al)GaAs-Photoleitern im Hause hergestellt werden. Die Single-Mode-Bandbreiten der Wellenleiter liegen zwischen 0, 45 − 0, 7 THz und 0, 5 − 0, 75 THz, wenn sie von HDPE- bzw. Qz-Substraten getragen werden. Wir betreiben dievWellenleiter in übermodiger Konfiguration, unterdrücken aber die Erzeugung der höheren Moden an Biegungen, indem wir ≳ 4 mm Biegeradien für kreisförmige Biegungen oder ≳ 2.3 mm für sinusförmige Biegungen verwenden. Die sich verjüngenden Strukturen für die Einkopplung in den freien Raum und die Quasi-Nahfeld-Auskopplung unter Verwendung von VA-gekoppelten aktiven Bauelementen unterdrücken die Anregung von höheren Wellentypen ebenfalls. Die Kopplungseffizienz zu VA-gekoppelten Empfängern ist im Frequenzbereich zwischen 0, 4 und 1, 05 THz 5−14 dB höher als die Ankopplung mit einem Freistrahl. Die Betriebsbandbreite der Wellenleiter in ihrem Grundmodus mit Freiraumeinkopplung und direkter Auskopplung liegt zwischen 0, 45−1, 5 THz. Die obere Betriebsfrequenz ist lediglich um mit der Frequenz sinkenden Dynamikbereich geschuldet. Die VA-gekoppelten THz-Empfänger sind nur 0, 23 × 0, 9 × 0, 03 mm3 groß und benötigen keine Siliziumlinsen, was die Integration in planare On-Chip-System (SOC)-Architekturen erleichtert.

Zum Schluss wird in dieser Arbeit ein (halb-)integrierter 1, 5-Port PVNA vorgestellt, der die Wellenleiterarchitektur und VA-gekoppelte, ErAs:In(Al)GaAs-basierte Empfänger nutzt. Eine handelsübliche P-I-N-Dioden-basierte THz-Quelle wird in der Freistrahlkonfiguration verwendet, da keine geeigneten Materialien zur Herstellung leistungsfähiger THz-Quellen mit einer Vivaldi-Antenne zur Verfügung tanden. Trotz der 10 − 13 dB Einkopplungsverluste liegt die Betriebsbandbreite des PVNA zwischen 0, 5 − 1, 5 THz, was durch die Charakterisierung eines Flüstergalleriemode (WGM)-Resonators, bei der die gesamte HRFZ-Si-Struktur in einem Schritt hergestellt wird, gezeigt wird. Wir haben ferner erfolgreich ein THz-Faser-Bragg-Gitter und zwei Hohlraumresonatoren unter Verwendung des modularen PVNA-Aufbaus zwischen 0, 45 − 1, 2 THz charakterisiert, wobei die gemessenen S-Parameter hervorragend mit simulierten Modellen in CST® microwave studio übereinstimmen. Darüber hinaus demonstrieren wir einen Kopplungsmechanismus mit metallischen rechteckigen Hohlleitern, der On-Chip-Messungen integrierter elektronischer Schaltungen mit handelsüblichen Wafer-Proben zwischen 0, 45 − 1, 1 THz ermöglicht, ohne dass eine Änderung der Setup-Komponenten erforderlich ist. Abschließend werden in dieser Arbeit kurz die derzeitigen Nachteile der 1, 5-Port-Architekturen sowie die notwendigen Modifikationen für den Aufbau eines 2-Port-PVNA diskutiert.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233645
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics (IMP)
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: 16 Mar 2023 13:06
Last Modified: 17 Mar 2023 07:51
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23364
PPN: 50608518X
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