Fiber-based Terahertz Time-Domain Spectroscopy Systems Operated in the Telecom Band

Abstract

The aim of the doctoral thesis is the study of Terahertz time domain spectrometers relying on telecommunication fiber technology. Optical fiber offers low losses, high stability and compactness, features that ease the deployment of this kind of sensing instruments in industrial scenarios. The development of terahertz signal sources working at telecom wavelengths has enabled the employment of mature, telecom-related photonic components that allowed a transition within THz research from being mainly object of scientific interest to an application-oriented technology. In this thesis, fiber terahertz systems utilizing ultrafast photoconductors with integrated antenna structures have been investigated at different levels, including the control of the photoconductor structure, as well as at instrument and system levels. The carrier transport in InGaAs-InAlAs multilayer hetero-structures, present in the employed photoconductive antennas, has been investigated under the additional injection of a continuous optical wave. By varying the amplitude level of the respective optical signal injected into either the emitter or the receiver, it has been shown that the amplitude of the detected photocurrent could be controlled without affecting its bandwidth. Unlike increasing the optical power of the pulsed signal, raising the continuous optical power results in a reduction of the measured photocurrent. This lowering of the conductivity is related to changes in the instantaneous carrier momentum relaxation time in the photoactive material, rather than to variations of the free carrier density level. This behavior affects systems including continuous-wave optical components, as, for instance, optical amplifiers. The effect has been further exploited to modulate the operation conditions of photoconductive antennas, enabling an all-optical control of the THz amplitude. This represents a method to implement a signal modulation, necessary, for instance, for lock-in signal detection. Different industrial applications and THz imaging systems require fast data acquisition. Slow, stepwise working mechanical optical delay lines are about to be replaced by faster schemes. A fast THz-time-domain spectroscopy system using a coil-based rapid mechanic delay line has been set up and analyzed. A convenience of usage of optical fibers is the simplicity of signal multiplication and distribution. It can be exploited to allow centralized operation of a set of parallel terahertz sensing units. A centralized architecture with optical source sharing simplifies the implementation as well as the cost of nondestructive inspection platforms, where several sensing units would have to work in the same facility, for example at quality control in factories or security checkpoints. The cost of such a distribution system is evaluated, its feasibility experimentally demonstrated, and key features relevant to the system performance are discussed. The present document is formally structured in a brief introduction, Chapter 2, which review common terahertz technology as a whole, with the focus on optoelectronic schemes and respective technology in the telecom band. Chapter 3 includes work carried out dealing with the carrier dynamics under continuous optical wave irradiation of the photoconductive antenna modules and the application of the effect as modulation method. Chapter 4 deals with the implementation of the fast delay in the system and Chapter 5 describes and analyses architecture for parallel, remotely controlled sensing. Finally, Chapter 6 provides conclusion and future work perspectives.

El objetivo de la presente Tesis Doctoral es el estudio de espectroscopios temporales de Terahercios basados en tecnología de fibra óptica para telecomunicaciones. La fibra óptica ofrece bajas pérdidas de propagación, alta estabilidad y la capacidad de implementar sistemas robustos y compactos, características que facilitan el despliegue de este tipo de instrumentos de sensado en escenarios industriales. El desarrollo de fuentes de THz que operan en la banda infrarroja empleada en telecomunicaciones permite el uso de componentes maduros de la industria de las comunicaciones ópticas, lo que a su vez se ha traducido en una transición desde el uso de la banda de THz básicamente para intereses científicos al desarrollo de sistemas para aplicaciones industriales. En la presente tesis se investigan sistemas de THz basados en antenas fotoconductivas y fibra óptica a distintos niveles: control de la estructura fotoconductiva, instrumento y sistema. El transporte de portadores en heteroestructuras multicapa InGaAs-InAlAs, empleadas actualmente en antenas fotoconductivas, se ha investigado bajo la inyección de una onda óptica continua. Se ha observado que variando el nivel de amplitud de esta onda continua tanto en el emisor como en el receptor es posible controlar la fotocorriente detectada sin afectar a su ancho de banda. A diferencia de un incremento en la potencia óptica de la señal pulsada, elevar el nivel de continua resulta en una reducción de la fotocorriente medida. Esta reducción de la conductividad se relaciona con cambios en el tiempo de relajación del momento de los portadores en el material fotoactivo en lugar de variaciones de la densidad de portadores libres. Este comportamiento puede tener un efecto en sistemas que introduzcan componentes ópticos continuos como por ejemplo sistemas de sensado que empleen amplificadores ópticos. Este efecto puede ser usado para modular las condiciones de operación de las antenas fotoconductivas permitiendo el control todo-óptico del sistema. Este método permite modular la señal, lo que resulta necesario por ejemplo para realizar detección lock-in. Tanto diferentes aplicaciones industriales como los sistemas de imagen en THz requieren sistemas rápidos de captura. Para ello es necesario sustituir las líneas de retardo ópticas tradicionales basadas en motores paso-a-paso por otros sistemas de mayor velocidad. Se ha implementado y caracterizado un sistema THz-TDS usando una línea de retardo rápida basada en bobinas de voz. Una característica fundamental de la fibra óptica es su extraordinaria simplicidad para realizar la distribución de señales ópticas. Esta característica puede ser explotada para permitir la operación centralizada de un conjunto paralelo de sensores de THz. Una arquitectura centralizada en la que la fuente óptica se comparte entre muchos sensores simplifica la implementación y reduce el coste de sistemas de inspección no destructiva que requieran de múltiples sensores en paralelo, como, por ejemplo, en control de calidad industrial o en controles de seguridad. Se ha evaluado el coste de estos sistemas distribuidos, se ha validado experimentalmente su viabilidad y se han identificado y estudiado sus prestaciones. El documento de la tesis doctoral se estructura formalmente en una breve introducción, el capítulo 2, en el que se revisa la tecnología de THz en su conjunto, los esquemas optoelectrónicos y el uso de tecnologías ópticas basadas en la banda de las telecomunicaciones. El capítulo 3 incluye el estudio realizado sobre la dinámica de los portadores bajo la irradiación dela antena fotoconductiva con una onda óptica continua y su uso como técnica de modulación. El capítulo 4 trata con la implementación de un sistema THz-TDS rápido mientras que el capítulo 5 describe y analiza una arquitectura de sensado paralela para reducir costes. Finalmente el capítulo 6 recoge las conclusiones y futuras líneas de actuación.

L'objectiu de la present Tesi Doctoral és l'estudi d'espectroscopis temporals de terahertzs basats en tecnologia de fibra òptica per a telecomunicacions. La fibra òptica ofereix baixes pèrdues de propagació, alta estabilitat i la capacitat d'implementar sistemes robustos i compactes, característiques que faciliten el desplegament d'aquest tipus d'instruments de sensat en escenaris industrials. El desenvolupament de fonts de THz que operen a la banda infraroja emprada en telecomunicacions permet l'ús de components madurs de la indústria de les comunicacions òptiques, el que al seu torn s'ha traduït en una transició des de l'ús de la banda de THz bàsicament per interessos científics al desenvolupament de sistemes per a aplicacions industrials. En la present tesi s'investiguen sistemes de THz basats en antenes fotoconductivas i fibra òptica a diferents nivells: control de l'estructura fotoconductiva, instrument i sistema. El transport de portadors en heteroestructures multicapa InGaAs-InAlAs, emprades actualment en antenes fotoconductivas, s'ha investigat sota la injecció d'una ona òptica contínua. S'ha observat que variant el nivell d'amplitud d'aquesta ona contínua tant en l'emissor com en el receptor és possible controlar la fotocorriente detectada sense afectar el seu ample de banda. A diferència d'un increment en la potència òptica del senyal polsada, elevar el nivell de contínua resulta en una reducció de la fotocorrent mesurada. Aquesta reducció de la conductivitat es relaciona amb canvis en el temps de relaxació del moment dels portadors en el material fotoactiu en lloc de variacions de la densitat de portadors lliures. Aquest comportament pot tenir un efecte en sistemes que introdueixin components òptics continus com ara sistemes de sensat que utilitzen amplificadors òptics. Aquest efecte pot ser usat per modular les condicions d'operació de les antenes fotoconductivas permetent el control tot-òptic del sistema. Aquest mètode permet modular el senyal, el que resulta necessari per exemple per realitzar detecció lock-in. Tant diferents aplicacions industrials com els sistemes d'imatge en THz requereixen sistemes ràpids de captura. Per a això és necessari substituir les línies de retard òptiques tradicionals basades en motors pas-a-pas per altres sistemes de major velocitat. S'ha implementat i caracteritzat un sistema THz-TDS usant una línia de retard ràpida basada en bobines de veu. Una característica fonamental de la fibra òptica és la seua extraordinària simplicitat per realitzar la distribució de senyals òptiques. Aquesta característica pot ser explotada per a permetre l'operació centralitzada d'un conjunt paral·lel de sensors de THz. Una arquitectura centralitzada en la qual la font òptica es comparteix entre molts sensors simplifica la implementació i redueix el cost de sistemes d'inspecció no destructiva que requereixin de múltiples sensors en paral·lel, com, per exemple, en control de qualitat industrial o en controls de seguretat . S'ha avaluat el cost d'aquests sistemes distribuïts, s'ha validat experimentalment la seua viabilitat i s'han identificat i estudiat les seues prestacions. El document de la tesi doctoral s'estructura formalment en una breu introducció, capítol 2, en el qual es revisa la tecnologia de THz en el seu conjunt, els esquemes optoelectrònics i l'ús de tecnologies òptiques basades en la banda de les telecomunicacions. El capítol 4 inclou l'estudi realitzat sobre la dinàmica dels portadors sota la irradiació de la antena fotoconductiva amb una ona òptica contínua i el seu ús com a tècnica de modulació. El capítol 5 tracta la implementació d'un sistema THz-TDS ràpid mentre que el capítol 6 descriu i analitza una arquitectura de sensat paral·lela per reduir costos. Finalment, el capítol 7 recull les conclusions i futures línies d'actuació.