Exploiting the Terahertz Spectrum with Silicon Micromachining : Waveguide Components, Systems and Metrology

• The terahertz spectrum (300 GHz - 3 THz) represents the final frontier for modern electronic and optical systems, wherein few low-cost, volume-manufacturable solutions exist. THz frequencies are of great scientific and commercial interest, with applications as diverse as radio astronomy, sensing and imaging and wireless communications. Current THz technology is restricted by its expense, form-factor and performance limitations. Future exploitation of this spectrum requires the development of new technologies which support its use in high-volume applications. Any such technology must offer excellent mechanical and electrical performance and be compatible with industrial grade tools and processes. In response to this, this thesis presents the development of silicon micromachined waveguide components and systems for THz and sub-THz frequencies. Silicon micromachining offers a unique combination of small feature sizes and low surface roughness and manufacturing tolerances in a scalable process.At the core of this work lies a new silicon-on-insulator (SOI) waveguide technology which minimises surface roughness to provide low insertion loss. Waveguide filters and diplexers between 100–500 GHz are implemented using this technology, each with state-of-the-art performance. A new platform for waveguide systems is developed to enable fully micromachined systems to be realised. In contrast to previous solutions, this platform integrates of all DC, intermediate and radio frequency signals in a single medium. Two unique non-galvanic transitions provide interfaces to active components and metallic waveguides. Semi-automated industrial tools perform system assembly with high accuracy and are used to implement complete transceivers for wireless communication at 110–170 GHz. Commercial-grade silicon germanium integrated circuits are used for all active components. This represents the first step in the adoption of this new technology in an industrial scenario.Large-scale use of the THz spectrum necessitates a shift from discrete components to complete integrated systems, in a similar matter to that seen in digital electronics and will require accurate, high-throughput characterisation and verification infrastructures. To support this, two transitions from co-planar waveguide probes to rectangular waveguide are proposed to allow for device characterisation in an on-wafer environment from 220–500 GHz. The accuracy and precision of the SOI micromachining process, coupled with the mechanical properties of silicon, make it highly suited to the creation of precision metrology standards. By harnessing these properties, a new class of micromachined waveguide calibration standards is developed, the peformance of which exceeds current solutions. Traceability of the standards is documented through detailed mechanical, electrical and statistcal analysis of fabricated samples.This work presented in thesis enables the development of THz components and systems, and methods to test them, in an established, high-volume technology, enabling their use in a wide range of applications.

• Terahertz spannet (300 GHz - 3 THz) representerar framtiden för den moderna elektroniken där det för närvarande finns få kostnadseffektiva lösningar. THz frekvenser är av stort intresse inom den vetenskapliga och akademiska sektorn, där de kan användas i ett flertal olika applikationer som radioastronomi, radar och trådlös kommunikation. Dagens THz komponenter lindras av deras höga kostnader, stora format och låg prestanda. För att vi ska kunna nytta THz frekvenser krävs nya lösningar som möjliggör användning av THz teknik i storskaliga applikationer. Teknologin måste erbjuda ypperlig mekanisk och elektrisk prestanda samt vara kompatibel med de industriella instrumenten och dess processer. Denna avhandling presenterar utvecklandet av kiselmikrobearbetade vågledarkomponenter till THz frekvenser. Kisel mikrobearbetning erbjuder en unik kombination av hög precision, låg förlust och låga toleranser i en storskalig process.Basen i detta arbete fokuserar på en ny kisel-på-isolator (SOI) vågledarteknik som är kompatibel med dagens mikromekaniska infrastruktur. Denna teknologi används för att implementera flera vågledarfilters mellan 100-500GHz, var och en med högprestanda. Vi presenterar en sammansatt plattform för integreringen av integrerade kretsar (IC) i ett helt kiselbaserat mikromekaniskt system. Till skillnad från detidigare lösningar möjliggör denna lösning ett sammansatt samspel av alla signaler i ett och samma material. Integrering uppnås genom två unika icke galvaniska övergångar mellan vågledare och kretsar och vågledare-vågledare. Halvautomatiska industriella verktyg skapar system med hög exakthet och används för att skapa entrådlös länk vid D-band (110-170 GHz). Dessa resultat speglar de första stegen i övergången till denna nya teknologin i den industriella framtiden.För att denna förändring ska vara genomförbar föreslås en övergång från CPW-sond till rektangulära vågledare för att möjliggöra karakterisering på skiva vid 220 - 500GHz. Detta tar bort behovet av att paketera varje enhet separat, en stor flaskhals idagens industri. Noggrannheten och precisionen i mikrobearbetning, i kombinationmed de mekaniska egenskaper som kisel har, gör det mycket lämpligt för att skapa vågledare kalibreringsstandarder. En ny design av kalibrerings standarder som förbättrar dagens teknik introduceras. Standardens spårbarhet är dokumenterad genom detaljerad mekanisk, elektronisk och statistisk analys av tillverkade prover.Denna avhandling möjliggör utvecklandet av THz komponenter och system samtmetoder för att testa dessa i en etablerad teknologi som möjliggör deras användningi en mångfald olika applikationer.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Annan elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Terahertz

Silicon Micromachining

Waveguide

Waveguide System

Metrology

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)