Riassunto analitico
Lo scopo di questa tesi è la modellizazione e la realizzazione di una fibra ottica flessibile, a basse perdite e a larga banda per applicazioni nella gamma dei terahertz (0.1THz-10THz). Negli ultimi anni la tecnologia impiegata per la generazione/ricezione di radiazioni THz ha conosciuto un notevole sviluppo, creando i presupposti per numerose applicazioni. La mancanza di una guida a basse perdite, tuttavia, rappresenta una delle principali cause che ne limitano l'utilizzo. A causa della limitata conduttività dei metalli e l'alto assorbimento dei materiali dielettrici nella gamma THz, le guide classiche non possono essere utilizzate. Poichè l'aria rimane uno dei materiali più trasparenti per la radiazione THz, questo ha spinto alla ricerca di nuove guide d'onda con design innovativi al fine di massimizzare la percentuale di campo propagante in aria a discapito di quella nel dielettrico. In tal senso le guide a nucleo cavo offrono un'interessante soluzione concentrando la maggior parte della potenza nella parte centrale della fibra che è fatta d'aria.
La fibra proposta in questa tesi presenta un cladding costituito da un reticolo di tubi dielettrici mentre il core è cavo. Dato che un singolo giro di tubi attorno al core è sufficiente per garantire un buon cofinamento della radiazione, la struttura proposta è al contempo compatta, flessibile e di facile realizzazione.
La prima parte della tesi si concentra sullo studio teorico delle caratteristiche transissive delle fibra al fine di migliorarne le capacità di confinamento e la larghezza di banda. A tal fine viene proposto un modello teorico che è in grado di descrivere le proprietà dell'intera struttura partendo da quelle del singolo tubo del cladding. Il notevole vantaggio risiede nel fatto che il singolo tubo può essere studiato analiticamente: in questo modo si riesce a stabilire quali siano gli effetti delle dimensioni fisiche e geometriche del cladding sulle prestazioni della fibra, definendo così le principali linee guida per il design.
Successivamente vengono analizzati anche gli effetti delle perturbazioni della struttura ideale sulle performance. Siccome i tubi del cladding sono spesso ottenuti attraverso processi di filatura, in primo luogo si studia l'impatto della loro forma sul meccanismo di confinamento. Si dimostra che la fibra è piuttosto sensibile a questo tipo di alterazioni e solo tubi sufficientemente circolari sono in grado di garantire basse perdite e larga banda. Gli altri tipi di perturbazione che vengono considerati riguardano l'ellitticità del core e la curvatura della fibra, poichè entrambi impattano direttamente sull'utilizzo della fibra hollow core in sistemi THz. Grazie ad un'accurata analisi numerica, si dimostra che la fibra proposta è in realtà fortemente robusta contro questi tipi di alterazioni.
Infine si mostrano anche le tecniche di assemblaggio e caratterizzazione per due diversi modelli di fibre hollow core: il primo basato su tubi di polimetilmetacrilato, mentre il secondo su tubi di Zeonex. In entrambi i casi le fibre vengono assemblate a mano dimostrando come, essendo strutture autosostenute, non siano necessarie ulteriori fasi di filatura o incollatura. Come jacket delle fibre viene poi utilizzato un tubo di termorestringente al fine di preservarne la flessibilità. I dati sperimentali confermano la notevole capacità di queste fibre di ridurre le perdite di propagazione ben al di sotto dell'assorbimento causato dal materiale del cladding. Per la fibra di PMMA, per esempio, si ottengono riduzioni di 31 e 272 volte rispettivamente a 0.375 e 0.828 THz, con perdite dell'ordine degli 0.3 dB/cm e 0.16 dB/cm. I test sulla curvatura, inoltre, confermano che la fibra proposta può essere effettivamente utilizzata per la realizzazione di sistemi THz flessibili dato che anche curvature di poche decine di centrimetri producono solo effetti marginali sulle caratteristiche trasmissive della fibra.
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Abstract
This thesis concerns with the development of a low loss, broadband and flexible waveguide for terahertz (0.1THz-10THz) applications. In recent years THz sources and detectors have undergone a great development thus suggesting an increasing number of possible applications. However, the lack of a broadband low-loss waveguide preclude real implementations. Classical metal or solid core waveguides can not be used for this purpose, owing to the limited conductivity of metals and the prohibitively high absorption of dielectrics in the THz range. Since air is one of the most transparent dielectrics for the THz radiation, many innovative fibers designs have been proposed in the literature with the goal to maximize the amount of field that propagates in air at the expense of that in the dielectric. In this sense hollow core waveguides offer an interesting solution because a high percentage of the THz radiation is confined in an airy core.
The fiber proposed in this thesis is an hollow core fiber whose cladding is based on a lattice of dielectric tubes. Since only one turns of tubes around the core is enough to give reasonably low leakage loss, the whole structure is also very compact, flexible and easy to assemble: no stack and draw process is required and the whole waveguide can be assembled manually starting from the stand alone cladding tubes.
In order to improve the fibers performances in terms of low propagation loss and wide transmission bandwidths, a theoretical analysis of the confinement is given first. A new theoretical model able to predict fiber's transmission properties is proposed. It is based on the observation that the spectral properties of the microstructured fiber can be derived from those of the cladding tubes. Since tube waveguides can be described analytically, this model allows to determine how the geometrical and physical features of the microstructured cladding affect the spectral behavior of the whole waveguide. General guidelines for the design of this kind of fibers are then given.
Perturbations to the ideal structure are then investigated in order to evaluate their effect on the performance of the fiber. Since very often cladding tubes are obtained from a previous drawing process, shape alterations are considered first. It is shown that the circular case allows to obtain wider transmission bandwidths and lower losses, suggesting that the drawing process of the tubes must be carefully controlled. Other perturbations, such as elliptical core shapes or bending are also taken into account. The former is of key importance for most of the proposed THz applications since they are based on the propagation of pulses with unknown polarizations. Core's ellipticity may cause undesired echoes in the system thus compromising performances. Also bending loss plays a central role in most of the THz setups since flexible waveguides are required. Through a detailed numerical analysis it is shown that the proposed fiber is actually strongly robust against both of these kind of perturbations.
Finally, manufacturing and characterization of two different kind of microstructured waveguides is shown, starting from polymethylmethacrylate and Zeonex tubes, respectively. The whole structure is assembled manually and, thanks to the its self sustain feature, no gluing or further drawing steps are required. An heat-shrink tube is used for the jacket in order to preserve the flexibility of the fiber. Experimental data for the straight case confirm that propagation loss is strongly reduced with respect to the absorption of the bulk material used in the cladding. For example, a 31 and 272 times reduction at 0.375 and 0.828 THz respectively is shown for the PMMA case, giving propagation loss of 0.3 dB/cm and 0.16 dB/cm. Bending characterization confirms that this waveguide can be used in a real flexible THz setup with bending radii down to few tenth of centimeters without any visible reduction of the transmission spectrum.
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