Design of nanoscale metal dielectric coupler at Terahertz frequencies

Terahertz (THz) frequencies (0.1-10THz) are at the heart of several enabling multidisciplinary technologies, including security, telecommunications, medical diagnostics and imaging. However, most current THz components are large, bulky and impractical. On the other hand, the miniaturisation is extremely challenging due to the diffraction limit for such long wavelength radiation, that we cannot avoid using conventional photonic components based on dielectrics. In this work we will search for a new configuration of a waveguide structure that can be operated in the Terahertz range, combining dielectric and metallic (i.e. plasmonic) materials. These bring together two important advantages: the reliability and wideness of use of THz pulses and the superlocalization of plasmonic metal waveguides. The study of the propagation of hybrid modes in such couplers is the core of the thesis. This is done by using a finite element method (FEM) software for the electromagnetic modelling (COMSOL Multiphysics) and MATLAB for the post processing. The realisation of the chip is done using the resources in the Sydney Nanoscience Hub and the experimental studies will be carried out in the Terahertz Laboratory of the School of Physics of The University of Sydney. This technology aims to facilitate the study of several otherwise inaccessible biophysical processes, for example intermolecular dynamics inside nanometer scale volumes at its finest.

Le frequenze nel range Terahertz (THz) sono al centro di diversi campi di ricerca multidis- ciplinari tra cui la sicurezza, le telecomunicazioni e la diagnostica e spettroscopia medica. Tuttavia, la maggior parte degli attuali componenti nel THz sono grandi, ingombranti e poco pratii. D’altro canto la miniaturizzazione è limitata dal limite di diffrazione di lunghezze d’onda cosi lunghe, che è inevitabile usando convenzionali componenti fotonici basati sui dielettrici. In questo lavoro cercheremo una nuova configurazione per una struttura a guida d’onda che può operare nelle frequenze a Terahertz, combinando materiali dielettrici e metallici (plasmonici). Essa unirà due importanti vantaggi: l’affidabilità e la vasta gamma di possibilità di utilizzo degli impulsi a THz e la superlocalizzazione delle guide d’onda plasmoniche. Lo studio della propagazione dei modi ibridi in tali accoppiatori è il fulcro del lavoro di questa tesi. Questo viene fatto utilizzando un software che implementa il metodo degli elementi finiti (FEM) per la parte di computazione elettromagnetica (COMSOL Multi- physics) e MATLAB per il post processing. La realizzazione del nano-chip avviene utilizzando le risorse del Sydney Nanoscience Hub e gli studi sperimentali saranno effettuati nel Laboratorio Terahertz della School of Physics della University of Sydney. Questa tecnologia mira a facilitare lo studio di diversi processi biofisici altrimenti inaccessibili, ad esempio dinamiche intermolecolari all’interno di volumi in scala nanometrica al massimo delle possibilità di risoluzione.