ULTRA-BROADBAND COHERENT DETECTION OF TERAHERTZ PULSES VIA CMOS-COMPATIBLE SOLID-STATE DEVICES

In this dissertation, we develop and demonstrate an innovative and fully integrated technique aimed at the coherent detection of terahertz (THz) radiation, i.e., electromagnetic waves whose frequency content conventionally falls in the spectral window ranging between 0.1-10x1012 Hz. We named such a detection technique solid-state biased coherent detection (SSBCD), since it is based on a solid-state medium and allows simultaneously recording both the amplitude and phase information of ultrashort THz pulses, i.e. featuring ultra-broadband spectra (> 10 THz). As such, our technique can be successfully used in those systems where THz pulses are employed as either diagnostic tool or signal carriers, such as in the areas of time-resolved spectroscopy and imaging or signal processing. SSBCD is based on platform fully compatible with the CMOS process, i.e. a microfabrication technology commonly employed for the realization of miniaturized electronics circuits (chips), thus being cost-effective and particularly reliable for the production of a great number of devices. Hence, its affordability makes it attractive for both a broad scientific and industrial audience. Indeed, the fundamental advantage of the technique here presented is the unlimited operating bandwidth in the whole THz range (allowed via interaction with ultrashort pulse durations), thus potentially addressing many of the issues and constraints of those THz solutions where the detection scheme represents a bottleneck in terms of the frequency response of the entire system. Hereinafter, following a brief introduction regarding state-of-the-art of the THz technology and its different spectral regimes of operation, we will mainly review those detection techniques, which have been lately demonstrated to achieve the exact reconstruction of ultrashort THz transients. In particular, we will focus on those methods, which allow the detection of THz radiation whose spectra cover the entire THz domain or even beyond (namely, the ultra-broadband regime). We will see that such particular techniques are essentially gas-based and rely on a similar concept, since the so far available solid-state methods, representing the state-of-the-art in the THz detection area, are not suitable in the ultra-broadband regime, since they suffer a limited frequency response. Then, we will pass to the detailed description of mainly three different approaches, highlighting both advantages and drawbacks or limitations, eventually focusing the attention on the air-biased coherent detection (ABCD) technique. Indeed, we will show that our novel approach essentially overcomes some of the crucial issues of the ABCD method, by adopting particular, yet very common solid-state media (glasses) and plain integrated structures. ABCD exploits the nonlinearity of air and therefore operates at optical probe energies in the order of microjoule and bias voltage as high as several kilovolts. This restricts its application to expensive, bulky amplified ultrafast laser systems, and slow, high voltage amplifiers, which limit the noise performance and imply health hazard (electrical shocks). On the contrary, we show how the employment of CMOS-compatible dielectrics as a nonlinear medium, allows dramatically decreasing not only the requirement of optical energy to the level of nanojoules but also to greatly shrink down the size of the interaction region between the THz and optical pulses, with respect to the case of air. This results in the possibility to perform the THz detection in a compact structure, by using orders of magnitudes lower bias voltage, comparable to those regularly employed for photoconductive antennas. Such results pave the way to the realization of a unique and portable device that can be potentially driven by laser oscillators (featuring very good beam stability) and low-voltage amplifier, operating at much higher repetition rates and modulation frequencies, which will result in the significant increase of both dynamic range and signal-to-noise ratios.

Il presente lavoro di tesi presenta e dimostra una tecnica innovativa e completamente integrata dedita alla rilevazione coerente di radiazioni a frequenze Terahertz (THz), cioè di onde elettromagnetiche il cui contenuto frequenziale cade convenzionalmente nella finestra spettrale compresa tra 0.1-10x1012 Hz. Tale tecnica è stata battezzata col nome di solid-state-biased coherent detection (SSBCD), dal momento che essa sfrutta le proprietà di un mezzo a stato solido e consente di ricostruire simultaneamente l’informazione sulla fase e sull’ampiezza degli impulsi THz, anche nel caso in cui quest’ultimi siano dotati di spettri a banda cosiddetta “ultra larga” (> 10 THz). Tale metodo di rivelazione può essere utilizzato con successo in quei sistemi in cui gli impulsi THz vengono comunemente impiegati come strumento diagnostico o come portanti di segnali a banda stretta, per esempio nelle aree della spettroscopia nel dominio tempo e nell’elaborazione di immagini o segnali, rispettivamente. La tecnica SSBCD si basa su una piattaforma completamente compatibile con il ben noto processo CMOS, cioè una tecnologia di micro fabbricazione comunemente impiegata per la realizzazione di circuiti elettronici miniaturizzati (chips), risultando quindi economicamente conveniente e particolarmente affidabile per la produzione di un gran numero di dispositivi per singolo processo produttivo. Queste caratteristiche rendono il metodo SSBCD particolarmente attraente per un ampio pubblico sia strettamente accademico sia industriale. Infatti, il suo principale vantaggio è rappresentato da una risposta spettrale estremamente larga, così da coprire l’intera gamma del dominio THz (qualora la durata temporale dell’impulso ottico lo consenta), permettendo potenzialmente di risolvere gran parte dei problemi e le limiti che caratterizzano le attuali tecniche di rivelazioni, le quali rappresentano invece il collo di bottiglia di molti sistemi che operano a frequenze THz. Di seguito, dopo una breve panoramica sulla tecnologia THz ed i diversi regimi spettrali di funzionamento, esamineremo le principali tecniche di rilevazione, che sono state recentemente dimostrate per ricostruire nel modo più fedele possibile impulsi THz ultra corti. In particolare, ci concentreremo su quei metodi che consentono di ricostruire la forma di impulsi i cui spettri coprono l'intero dominio THz e anche oltre (vale a dire, il regime ultra-broadband). Vedremo che tutte queste tecniche sono essenzialmente basate sull’impiego di gas, sfruttando sostanzialmente lo stesso fenomeno fisico, dal momento che le configurazioni basate sui materiali a stato solido e che rappresentano lo stato dell'arte nell'area della rivelazione THz, non sono adatte per operare nel regime ultra-broadband, essendo caratterizzate da una limitata risposta in frequenza. Pertanto, passeremo alla descrizione in dettaglio di tre approcci diversi, evidenziandone vantaggi e inconvenienti, concentrando infine l’attenzione su un metodo di rivelazione detto air-biased coherent detection (ABCD). In effetti, mostreremo che il nostro nuovo approccio supera essenzialmente alcune problematiche cruciali della tecnica ABCD, grazie all’utilizzo di materiali alquanto usuali (essenzialmente dei vetri) e un’unica semplice struttura integrata. Infatti, il meccanismo intrinseco nell’ABCD sfrutta la non linearità dell’aria, richiedendo perciò energie ottiche dell'ordine dei microjoule e tensioni di polarizzazione pari a diversi kilovolt. Ciò restringe la sua applicazione da un lato a sistemi laser amplificati, che sono costosi e voluminosi, e dall’altro ad amplificatori ad alta tensione, che funzionano a basse frequenze di modulazione (onde quadre), limitando le prestazioni in termini di rumore, nonché comportando rischi per la sicurezza dell’operatore. Al contrario, mostreremo come il metodo SSBCD consente di ridurre drasticamente non solo il fabbisogno di potenza ottica al livello dei nanojoule, ma anche le dimensioni fisiche della regione di interazione fra impulsi THz ed ottici, rispetto al caso dell’ABCD, permettendo così l’utilizzo di livelli di tensione di polarizzazione paragonabili a quelli utilizzati regolarmente per le antenne fotoconduttrici. Tali risultati spianano la strada alla realizzazione di un dispositivo unico e portatile che può essere potenzialmente pilotato da oscillatori laser (che generano fasci laser di migliore stabilità ma a ben più basse energie) e amplificatori a bassa tensione, operanti a frequenze di modulazione molto più elevate, portando così ad un significativo aumento della dinamica dei segnali rivelati e dei loro rapporti segnale-rumore.