Terahertz nonreciprocal effects using hexagonal ferrites

par Tomáš Horák

Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes

Sous la direction de Jean-François Lampin et de Mathias Vanwolleghem.

  • Titre traduit

    Effets non-réciproques aux fréquences térahertz dans les ferrites hexagonales


  • Résumé

    Des sources et des détecteurs ont été développés récemment pour les fréquences térahertz (THz) mais de nombreux composants passifs sont encore manquants. C’est le cas des composants non-réciproques (NR) qui sont indispensables pour la protection et la stabilisation des sources cohérentes. Dans cette thèse on étudie un nouveau concept d’isolateur THz, basé sur la combinaison d'une résonance plasmonique de surface (SP) avec un matériau à forte gyrotropie dans la gamme THz. Nous utilisons un matériau ferrite de type magnétoplumbite hexagonale, sa gyrotropie résulte d'effets gyromagnétiques dus à la précession de ses moments magnétiques à la fréquence de Larmor autour du champ magnétique interne. Il en résulte une perméabilité tensorielle dont les éléments non-diagonaux opposés induisent une réponse NR. Le fort champ interne d'une hexaferrite mène à une fréquence Larmor proche de la gamme millimétrique. Les permittivités et perméabilités diagonales ont été déterminées par analyseur de réseau vectoriel (VNA) avec un fenêtrage temporel. La gyrotropie et l’anisotropie THz ont été mesurées par spectroscopie dans le domaine temporel (TDS). Les mesures confirment les fortes valeurs attendues, un isolateur de Faraday THz a été conçu et mesuré. D’autre part, un miroir magnéto-plasmonique NR a été conçu, il est basé sur la combinaison du gyromagnétisme THz de l’hexaferrite avec les résonances SP à la surface d’un réseau métallique sub-longueur d'onde. Ces résonnances ont été démontrées expérimentalement et sont en accord avec les simulations. A proximité des résonances SP le dispositif se comporte comme un miroir unidirectionnel.


  • Résumé

    A key element to protect coherent sources and achieve desired power stability and spectral purity is an isolator, which in THz range has no effective solution. In this thesis, a novel design of THz isolating device based on a one-way reflecting surface is proposed. It combines gyrotropy with surface plasmon (SP) resonance phenomena and requires thus a sufficiently strong THz gyrotropic material. In the last decades a ferrite material with a hexagonal magnetoplumbite structure was created. Gyrotropy in this material is a result of gyromagnetic effects occurring when magnetic dipole moments precess nonreciprocally (NR) at Larmor frequency around an internal magnetic field. Permeability acquires a tensorial form and its unequal off-diagonal elements are responsible for NR behavior. The strong internal field in hexaferrites results in a Larmor frequency close to the mm-wave range. Foremost the diagonal permittivity and permeability elements have been characterized by time-windowed Vector Network Analyzer (VNA). Their strong gyrotropic and anisotropic properties in THz range are then investigated by a magneto-optical Time-domain spectrometry. The obtained strong gyrotropic spectra prove their unique potential for THz NR applications, as shown by an original Faraday isolation measurement using a VNA, and by first designs of a NR magnetoplasmonic mirror using the fitted material parameters. It combines strong hexaferrites gyrotropy with SPs resonances formed due to a metal grating present at the ferrite surface. The SPs excitation in THz is demonstrated numerically and experimentally with a strong agreement. Close to SPs resonance frequencies the device acts as a one-way mirror.


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