85 research outputs found
Nanoskaalan sensoriverkot: THz-taajuusalue tiedonsiirtokanavana
No full textAbstractThis thesis focuses on THz band channel modeling and characterization. This vast frequency band spans from 100 GHz to 10 THz. The approximately 10,000 GHz bandwidth together with advances in THz capable electronics have made this band highly potential for many future applications, e.g., imaging and nanodevice-to-nanodevice communications. The latter is the reference application of this thesis and it focuses on the communication among very small and simple devices. The main focus of the thesis is on the THz channel characterization. Therefore, the channel models presented herein are also suitable for communications at macroscopic scale.The THz band offers opportunities, but has many problems as well. One of these is molecular absorption, which causes frequency selective fading to signals. The fading is caused by the signals’ energy absorption in the resonance frequencies of the molecules in the communication medium. Based on the conservation of energy, the absorption is understood to cause a new type of noise in the THz links: transmission induced noise. This noise component is analyzed from multiple physical viewpoints. The THz signals have short enough wavelengths to theoretically allow scattering on aerosols in the atmosphere. Scattering causes frequency dependent loss of the signals, but also a signal spread in time over multiple scattering events. It is shown here that in some specific atmospheric conditions the scattering causes signal loss and time spread. In addition to the theoretical channel models, measurements on a variety of propagation phenomena are conducted and analyzed. These include penetration losses, rough surface reflections and scattering, and diffraction. Through the measurements, it can be shown that the THz band communications is feasible in non-line-of-sight (NLOS) conditions in spite of the above phenomena.In the last part of this thesis, stochastic geometry is applied to the THz band in order to estimate the mean interference power and outage probabilities in dense networks formed from nanodevices. Because of the large losses in the channel, large interference levels require large numbers of devices. Stochastic geometry offers perfect tools to estimate the mean interference, and also in the case of directional antennas, which are most likely implemented in all the THz band devices due to large power losses in the channel.TiivistelmäTämä väitöskirja paneutuu THz-taajuisien kanavien mallintamiseen. Tämä valtavan laaja kaista ulottuu sadasta gigahertsistä aina kymmeneen terahertsiin asti. Noin 10000 GHz:n kaistanleveys, yhdistettynä THz-taajuudet mahdollistavien elektroniikan komponenttien kehitykseen, tekee tästä kaistasta erittäin houkuttelevan vaihtoehdon moniin tulevaisuuden sovelluksiin. Näitä ovat mm. kuvantaminen ja nanolaitteiden välinen tietoliikenne. Viimeisin on tämän väitöskirjan viitekehys ja keskittyy hyvin pienien ja yksinkertaisien laitteiden väliseen viestintään. Työn keskittyy pääosin THz-kanavamallinnukseen, joten esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää myös nanoskaalaa suuremmissa verkoissa.THz-taajuudet avaavat mahdollisuuksia, mutta tuovat myös ongelmia. Yksi näistä on molekulaariabsorptio, joka aiheuttaa taajuusselektiivistä häipymää signaaleihin. Tämä ilmiö johtuu sähkömagneetisen energian absorbotumisesta ilman molekyylien resonanssitaajuuksilla. Sen on myös arveltu johtavan uudenlaisen kohinan syntyyn, lähetysten indusoimaan kohinaan, perustuen energian säilymislakiin. Lähetysten indusoimaa kohinaa tutkitaan tässä työssä erilaisista fysikaalisista näkökulmista. THz-taajuisen säteilyn aallonpituus on riittävän lyhyt mahdollistamaan sironta ilmassa olevista aerosoleista. Sironta aerosoleista johtaa taajusriippuvaan signaalitehon häviöön, mutta myös signaalitehon leviämiseen ajassa monisironnan kautta. Työssä todennetaan, että sopivissa olosuhteissa sironta lisää häviöitä ja viivehajetta kanavassa. Teoreettisten kanavamallien lisäksi analysoidaan mittauksin alemmilta taajuusalueilta tuttuja etenemisilmiöitä, kuten signaalin läpäisyä, heijastuksia ja sirontaa pinnoilta, sekä diffraktioita. Mittausten kautta voidaan näyttää, että THz-taajuinen tiedonsiirtolinkki voidaan luoda myös ilman näköyhteyttä yllä mainittujen ilmiöiden kautta.Työn viimeisessä osassa sovelletaan stokastista geometriaa THz-taajuuksille keskimääräisen häiriötehon ja toimintakyvyttömyystodennäköisyyden selvittämiseksi tiheissä nanolaitteiden muodostamissa verkoissa. Isojen kanavahäviöiden takia suuri häiriötaso vaatii suuren määrän laitteita. Stokastinen geometria antaa täydelliset työkalut häiriötason estimointiin. Tätä voidaan myös hyödyntää suuntaavien antennien tapauksessa, joita tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään kaikissa THz-laitteissa johtuen suurista signaalihäviöistä kanavassa.Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium IT116, Linnanmaa, on 3 March 2017, at 12 noonAbstract
This thesis focuses on THz band channel modeling and characterization. This vast frequency band spans from 100 GHz to 10 THz. The approximately 10,000 GHz bandwidth together with advances in THz capable electronics have made this band highly potential for many future applications, e.g., imaging and nanodevice-to-nanodevice communications. The latter is the reference application of this thesis and it focuses on the communication among very small and simple devices. The main focus of the thesis is on the THz channel characterization. Therefore, the channel models presented herein are also suitable for communications at macroscopic scale.
The THz band offers opportunities, but has many problems as well. One of these is molecular absorption, which causes frequency selective fading to signals. The fading is caused by the signals’ energy absorption in the resonance frequencies of the molecules in the communication medium. Based on the conservation of energy, the absorption is understood to cause a new type of noise in the THz links: transmission induced noise. This noise component is analyzed from multiple physical viewpoints. The THz signals have short enough wavelengths to theoretically allow scattering on aerosols in the atmosphere. Scattering causes frequency dependent loss of the signals, but also a signal spread in time over multiple scattering events. It is shown here that in some specific atmospheric conditions the scattering causes signal loss and time spread. In addition to the theoretical channel models, measurements on a variety of propagation phenomena are conducted and analyzed. These include penetration losses, rough surface reflections and scattering, and diffraction. Through the measurements, it can be shown that the THz band communications is feasible in non-line-of-sight (NLOS) conditions in spite of the above phenomena.
In the last part of this thesis, stochastic geometry is applied to the THz band in order to estimate the mean interference power and outage probabilities in dense networks formed from nanodevices. Because of the large losses in the channel, large interference levels require large numbers of devices. Stochastic geometry offers perfect tools to estimate the mean interference, and also in the case of directional antennas, which are most likely implemented in all the THz band devices due to large power losses in the channel.Tiivistelmä
Tämä väitöskirja paneutuu THz-taajuisien kanavien mallintamiseen. Tämä valtavan laaja kaista ulottuu sadasta gigahertsistä aina kymmeneen terahertsiin asti. Noin 10000 GHz:n kaistanleveys, yhdistettynä THz-taajuudet mahdollistavien elektroniikan komponenttien kehitykseen, tekee tästä kaistasta erittäin houkuttelevan vaihtoehdon moniin tulevaisuuden sovelluksiin. Näitä ovat mm. kuvantaminen ja nanolaitteiden välinen tietoliikenne. Viimeisin on tämän väitöskirjan viitekehys ja keskittyy hyvin pienien ja yksinkertaisien laitteiden väliseen viestintään. Työn keskittyy pääosin THz-kanavamallinnukseen, joten esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää myös nanoskaalaa suuremmissa verkoissa.
THz-taajuudet avaavat mahdollisuuksia, mutta tuovat myös ongelmia. Yksi näistä on molekulaariabsorptio, joka aiheuttaa taajuusselektiivistä häipymää signaaleihin. Tämä ilmiö johtuu sähkömagneetisen energian absorbotumisesta ilman molekyylien resonanssitaajuuksilla. Sen on myös arveltu johtavan uudenlaisen kohinan syntyyn, lähetysten indusoimaan kohinaan, perustuen energian säilymislakiin. Lähetysten indusoimaa kohinaa tutkitaan tässä työssä erilaisista fysikaalisista näkökulmista. THz-taajuisen säteilyn aallonpituus on riittävän lyhyt mahdollistamaan sironta ilmassa olevista aerosoleista. Sironta aerosoleista johtaa taajusriippuvaan signaalitehon häviöön, mutta myös signaalitehon leviämiseen ajassa monisironnan kautta. Työssä todennetaan, että sopivissa olosuhteissa sironta lisää häviöitä ja viivehajetta kanavassa. Teoreettisten kanavamallien lisäksi analysoidaan mittauksin alemmilta taajuusalueilta tuttuja etenemisilmiöitä, kuten signaalin läpäisyä, heijastuksia ja sirontaa pinnoilta, sekä diffraktioita. Mittausten kautta voidaan näyttää, että THz-taajuinen tiedonsiirtolinkki voidaan luoda myös ilman näköyhteyttä yllä mainittujen ilmiöiden kautta.
Työn viimeisessä osassa sovelletaan stokastista geometriaa THz-taajuuksille keskimääräisen häiriötehon ja toimintakyvyttömyystodennäköisyyden selvittämiseksi tiheissä nanolaitteiden muodostamissa verkoissa. Isojen kanavahäviöiden takia suuri häiriötaso vaatii suuren määrän laitteita. Stokastinen geometria antaa täydelliset työkalut häiriötason estimointiin. Tätä voidaan myös hyödyntää suuntaavien antennien tapauksessa, joita tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään kaikissa THz-laitteissa johtuen suurista signaalihäviöistä kanavassa
Study of the slow-wave interaction in a three valley semiconductor in high electric fields
No full textThe interaction of a slow-wave in a corrugated dielectric waveguide with drifting electron gas in a semiconductor with the multi-valleys conduction band is studied in the linear model. Contribution of each valley into the net loss/amplification is investigated. Substantial amplification is possible in large fields due to slow-wave interaction with carriers in satellite valleys.</p
Wavelength-dependent photoconductivity of single-walled carbon nanotube layers
No full textA number of electronic devices such as phase shifters, polarizers, modulators, and power splitters are based on tunable materials. These materials often do not meet all the requirements namely low losses, fast response time, and technological compatibility. Novel nanomaterials, such as single-walled carbon nanotubes, are therefore widely studied to fill this technological gap. Here we show how the dielectric constant of single-walled carbon nanotube layers can be substantially modified by illuminating them due to unique light–matter interactions. We relate the optical excitation of the nanotube layers to the illumination wavelength and intensity, by resistance and capacitance measurements. The dielectric constant is modified under laser illumination due to the change of material polarization and free carrier generation, and is shown to not be temperature-related. The findings indicate that SWCNT layers are a prospective tunable optoelectronic material for both high and low frequency applications.QC 20190515</p
Simulations of a semiconductor/metal-grating slow-wave amplifier for sub-THz range
No full textIn this work, the concept of a solid-state amplifier based on the slow-wave interaction with drifting electron flow in a metal periodic structure is proposed for application in the low THz frequency range. Results of calculations at 330 GHz show the linear gain up to 50 dB/cm, including ohmic losses in the metal.</p
Single-walled carbon nanotube layers for millimeter-wave beam steering
No full textThe ability to efficiently transmit and manipulate high-frequency signals poses major challenges resulting in a lack of active and reconfigurable millimeter-wave and terahertz devices that are needed to enable beyond-5G broadband communication systems. Here, thin single-walled carbon nanotube (SWCNT) layers are introduced as a tunable impedance surface for millimeter-waves. Carbon nanotube layers are integrated with dielectric rod waveguides. Their surface impedance, tuned by light, is shown to modify the wave propagation inside the waveguide. A direct application of the effect is a phase shifter, demonstrated experimentally and by numerical simulations. Additionally, an antenna array of two dielectric waveguides, one covered in SWCNTs, is designed and fabricated. The proof-of-concept illustrates optically-controlled beam steering enabled by carbon nanotubes, and directions for further device optimizations are provided. These findings demonstrate thin SWCNT layers as an optically-reconfigurable element, suitable for broadband millimeter-wave communications.QC 20190729</p
Semiconductor-Metal-Grating Slow Wave Amplifier for Sub-THz Frequency Range
No full textThe concept of semiconductor slow wave amplifier aimed at sub-terahetz frequencies is studied numerically. The scheme of the transversal amplifier with metal grating is proposed. The requirements on semiconductor parameters that provide positive net amplification are given and discussed, and the choice of GaN is explained. For the proposed device, different regimes are studied, and the dependence of the net amplification on device parameters is given. One regime has high linear gain, more than 50 dB/mm. The proof-of-principle structure for the excitation of the device in this regime is proposed and simulated.</p
300 GHz directional coupler enabled by effective-media
No full textIn this paper, we present a THz 3-dB evanescent wave directional coupler, operating at 300 GHz based on the silicon micromachining waveguides surrounded by effective-medium with subwavelength perforations. This technique offers very low losses due to the absence of metals, allows fabrication in a single etching step and provides a method for engineering the permittivity of the cladding, thus allowing wave manipulation in all-dielectric platforms, extending the concepts of photonics to the THz region.</p
- …
