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Titel: Filterkonzepte für den terahertz-Frequenzbereich
Autor: Born, Norman
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr. rer. nat.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0055
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0055
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-00551
DDC: 500 Naturwissenschaften
Titel(trans.): Filter Concepts for the Terahertz Frequency Band

Dokument

Schlagwörter:
Spektroskopie, Filter, Lithografie, FIR, Terahertzbereich, Metamaterial, Polarisator, Laserablation, Bandpass, winkelabhängige Filter, Gütefaktor, Fabry-Pérot Resonator, angle sensitive filters, Q-Factor, Fabry-Pérot resonator

Zusammenfassung:
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.

Summary:
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.


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