The aim of dissertation was to develop and explore the semiconductor material terahertz (THz) pulse emitters, for Terahertz time–domain spectroscopy (THz–TDS) systems using a 1 μm wavelength femtosecond laser radiation. THz pulse generation and detection using optoelectronic semiconductor components in THz–TDS excited by femtosecond laser pulses become these days a powerful experimental technique. Traditionally, mode-locked Ti:sapphire lasers emitting at the wavelengths ~800 nm are used. However Ti:sapphire lasers require many-stage optical pumping arrangement, the system is quite bulky and complicated. The solution could be the lasers emitting in 1 – 1.55 µm, which can be directly pumped by diode laser bars. Recently, several compact, efficient and cost-effective solid-state and fiber laser systems that generate femtosecond pulses at near-infrared wavelengths have been developed and employed for activating THz–TDS systems. The main obstacle of these systems is the lack of material with appropriate bandgap, high dark resistivity and short (~ ps) carrier lifetimes. / Disertacijos darbo tikslas buvo sukurti ir ištirti puslaidininkinius terahercinių (THz) impulsų emiterius ir detektorius, skirtus sistemoms, naudojančioms 1 μm bangos ilgio femtosekundinę lazerinę spinduliuotę. THz impulsų generavimo ir detektavimo sistema, kurios optoelektroninius puslaidininkinius komponentus aktyvuoja femtosekundiniai lazerio impulsai, yra plačiai taikoma terahercinėje laikinės srities spektroskopijoje. Tradiciškai tokiose sistemose naudojami Ti:safyre femtosekundiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis yra ~800 nm. Šios sistemos nėra patogios dėl jų matmenų, nes lazeriai turi sudėtingą kelių pakopų kaupinimo sistemą. Pastaruoju metu THz impulsų generavimui vis dažniau naudojami femtosekundiniai kietakūniai ir šviesolaidiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis patenka į artimosios IR spinduliuotės sritį. Tačiau šios sistemos vis dar neturi tinkamos medžiagos fotolaidiems elementams gaminti, kurie būtų žadinami 1 – 1,55 µm bangos ilgio lazeriais. Tokios medžiagos, visų pirmą, turi būti jautrios optinei spinduliuotei, o jų draustinės energijos tarpas turi atitikti žadinamos spinduliuotės fotonų energiją, be to sluoksniai turi pasižymėti didele tamsine varža bei labai trumpomis krūvininkų gyvavimo trukmėmis (~ 1 ps). Šioje disertacijoje yra pateikiami THz impulsų generavimo panaudojus puslaidininkių paviršius ir fotolaidžias antenas rezultatai, žadinant 1 µm bangos ilgio femtosekundiniais lazerio impulsais.

Creation of ultrafast semiconductor components is inconceivable without understanding various processes of picoscond duration in semiconductors. These processes, as electron energy relaxation time or nonequiriblium carrier capture are very important for semiconductor photonics and terahertz range devices. Since now, the most popular tool of measuring ultrafast processes in semiconductors was picosecond or femtosecond laser pulses. In spite of excellent time resolution, optical pump – probe methods have a significant imperfection. Interpretation of the results can be very complicate. Also, the measured result can be affected by few variable parameters or interaction of various physical phenomenon. Therefore determinate results can be hardly related with electron time dependent characteristic. The aim of this dissertation was to measure electron energy relaxation times and electron life times by using terahertz pulses in narrow – gap semiconductors used for photoconductive terahertz emitters or detectors. In this dissertation, electron characteristic times witch describe various processes in semiconductor, were studied. These measurements were performed by optical pump – terahertz probe technique and time domain terahertz spectroscopy. The emission of terahertz pulses from the semiconductor surface, illuminated by femtosecond laser pulses, was investigated. / Ultrasparčių puslaidininkinių komponentų kūrimas reikalauja gilesnio supratimo apie tai, kaip puslaidininkiuose vyksta fizikiniai procesai, trunkantys kelias pikosekundes ar net mažiau nei vieną pikosekundę. Tokie reiškiniai, kaip elektronų impulso ir energijos relaksacija bei nepusiausvyrųjų krūvininkų pagavimas yra labai svarbūs puslaidininkinių fotonikos ir terahercinio diapazono prietaisų veikimui. Iki pastarojo meto pagrindinis ultrasparčiųjų procesų puslaidininkiuose tyrimo įrankis buvo optiniai metodai, kuriuose elektronų dinamikai stebėti buvo pasitelkiami pikosekundinių ar femtosekundinių lazerių impulsai. Nepaisant išskirtinai didelės šių metodų laikinės skyros, optinio kaupinimo-zondavimo matavimų rezultatus yra palyginti sudėtinga interpretuoti. Šie rezultatai dažniausiai yra įtakojami kelių sistemos parametrų kitimo ir įvairių fizikinių reiškinių tarpusavio sąveikos, todėl sunkiai susiejamas su kuria nors elektronų laikine charakteristika. Disertacijos darbo tikslas – naudojant terahercinės spinduliuotės impulsus išmatuoti elektronų impulso ir energijos relaksacijos trukmes keliuose siauratarpiuose puslaidininkiuose bei jų gyvavimo trukmes medžiagose, skirtose fotolaidžių terahercinės spinduliuotės emiterių ir detektorių gamybai. Šioje disertacijoje yra pateikiami įvairių charakteringų elektroninius procesus puslaidininkiuose apibūdinančių trukmių matavimų naudojant terahercinės spinduliuotės impulsus rezultatai. Tokie tyrimai atlikti ir optinio žadinimo –... [toliau žr. visą tekstą]

In this thesis the strong coupling of excitons with intense THz radiation in GaAs/AlGaAs and InGaAs/GaAs multi-quantum wells (MQW) and the strong coupling of electrons to phonons in InAs/GaAs quantum dots (QD) are investigated. Experimental studies in the field of non-linear terahertz (THz) spectroscopy were carried out using the narrowband THz emission of a free-electron laser (FEL). In the first part intra-excitonic transitions are pumped with intense THz radiation. The THz-pump–near-infrared(NIR)-probe experiments are analysed focusing on the behaviour of the Autler-Townes (AT) splittings with increasing THz field strength. Furthermore measurements of the temperature dependence up to room temperature are discussed. With the help of a microscopic theory the contribution of higher lying intra-excitonic states to the lineshape and splitting of the heavy-hole absorption line is analysed at low temperatures. The second part is about the lifetime and dephasing time of polarons in InAs/GaAs QDs that was measured for inter-sublevel excitation in the THz spectral region (below the Reststrahlen band). Single electrons inside QDs strongly interact with phonons and form quasi-particles called polarons. The temperature dependence of the dephasing behavior and the contribution of pure dephasing is discussed.

Les travaux de cette thèse consistent à développer des outils de spectroscopie et d'imagerie térahertz pour des applications médicales. L'objectif est de déterminer le potentiel et l'efficacité de la spectroscopie térahertz et de l'imagerie dans la détection des régions cancéreuses et la distinction entre les tissus malades et sains pour le cancer du sein chez les femmes. La spectroscopie térahertz est une technique sans contact, non ionisante pour obtenir des résultats rapides, comparée à l'analyse clinique standard. Les études expérimentales sont divisées en deux sections principales :Section I :Cette partie se concentre sur la spectroscopie en utilisant un rayonnement THz. La maîtrise de cette technique permet de travailler en mode réflexion ou transmission avec des fréquences dans la bande passante térahertz. Plusieurs types de matériaux ont été utilisés comme fantômes pour la calibration de l'expérience : des solides (silice, téflon, saphir et verre), des liquides (méthanol, eau et alcool) et des tissus biologiques (cancer, fibres et gras), ainsi qu'un mélange (eau-méthanol). Les indices de réfraction, les coefficients d'absorption et les fonctions diélectriques complexes ont d'abord été mesurés et extraits puis fittés avec un modèle de Debye. Les tissus biologiques sont apparus hétérogènes en épaisseur et avec des surfaces qui peuvent être irrégulières, ce qui rend difficile l'extraction d'informations précises, en raison d’artefacts induits. Les signaux ont été traités en suivant un protocole rigoureux : Les mesures sont effectuées sur un support parfaitement caractérisé en transmission pour réduire les incertitudes sur la phase lors des mesures en réflexion. Les signaux THz réfléchis aux interfaces entre l'air / échantillon, air / fenêtre, eau / fenêtre et fenêtre / fenêtre sont utilisés comme signal de base pour estimer et améliorer le rapport signal-bruit dans les mesures de spectroscopie. L'avantage de cette méthode est sa précision, sa simplicité et sa facilité d'application pour un système de réflexion avec un angle d'incidence. La mesure des indices de réfraction et des coefficients d'absorption des échantillons avec des tissus tumoraux et sains a révélé que les régions tumorales présentent des différences significatives par rapport au tissu normal lors de l’interaction tissu-rayonnement térahertz.Section II :La deuxième partie de cette étude porte sur l'imagerie THz pour la détection du cancer du sein, à la fois dans les modes de transmission et de réflexion. Plusieurs types d'échantillons ont été étudiés. Les coupes utilisées comprenaient des tissus inclus en paraffine, des tissus frais sortis du bloc opératoire, fixés au formol et des blocs. Pour cela le spectromètre a été déplacé à l'hôpital. Plus de 50 échantillons ont été ainsi inspectés. TroisIVméthodes de traitement d'image ont été utilisées : le découpage, l'automatisation et le tri d'images manuel. De plus, les images obtenues dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ont été analysées pour décrire et identifier les différentes régions du tissu mammaire étudiées et déterminer le contraste entre le tissu sain et le tissu malade. La quantité d'eau différentielle présente dans les tissus malades peut être l'une des origines de contraste. En effet, le tissu cancéreux possède une teneur en eau plus élevée que celle des fibres ou des tissus adipeux normaux, ce qui permet de discriminer les régions cancéreuses, fibreuses et graisseuses sur les images THz. / The work of this thesis consists in developing terahertz spectroscopy and imaging tools for medical applications. The goal is to determine the potential and effectiveness of terahertz spectroscopy and imaging in the detection of cancer regions and the distinction between diseased and healthy tissue for breast cancer in women. Terahertz spectroimaging is a non-contact, non-ionizing technique for rapid results compared to standard clinical analysis. Experimental studies are divided into two main sections:Section IThis part focuses on THz spectroscopy using THz radiation. The mastery of this technique makes it possible to work in reflection or transmission mode with frequencies in the terahertz bandwidth. Several types of materials have been used as ghosts for the calibration of the experiment: solids (silica, teflon, sapphire and glass), liquids (methanol, water and alcohol) and biological tissues (cancer, fiber and fat), as well as a mixture (water-methanol). The refractive indices, the absorption coefficients and the complex dielectric functions were first measured and extracted and then fitted with a Debye model. Biological tissues have appeared heterogeneous in thickness and with surfaces that may be irregular, making it difficult to extract accurate information because of induced artifacts. The signals have been processed according to a rigorous protocol: The measurements are carried out on a perfectly characterised substratet in transmission to reduce the uncertainties on the phase during the measurements in reflection. The THz signals reflected at the interfaces between the air / sample, air / window, water / window and window / window are used as a basic signal to estimate and improve the signal-to-noise ratio in the spectroscopy measurements. The advantage of this method is its accuracy, simplicity and ease of application for a reflection system with an angle of incidence. Measurement of refractive indices and absorption coefficients of samples with tumor and healthy tissue revealed that the tumor regions showed significant differences from normal tissue during terahertz tissue-radiation interaction.Section II:The second part of this study focuses on THz imaging for breast cancer detection in both transmission and reflection modes. Several types of samples have been studied. Sections used included paraffin-embedded tissue, fresh tissues removed from the OR, formalin-fixed, and blocks. For this the spectrometer has been moved to the hospital. More than 50 samples were inspected. Three image processing methods were used: cutting, automation and manual image sorting. In addition, time domain and frequency domain images were analyzed to describe and identify the different regions of mammary tissue studied and to determine the contrast between healthy tissue and diseased tissue. The amount of differential water present in diseased tissue can be one of the sources of contrast. In fact, the cancerous tissue has a higher water content than that of normal fibers or adipose tissue, which makes it possible to discriminate the cancerous, fibrous and fatty regions on the THz images.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude expérimentale d'une source laser bifréquence de haute cohérence émettant à 1 µm en vue d'obtenir par photomélange un émetteur THz. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe verticale (VeCSEL), l'objectif étant d'obtenir un fonctionnement laser bifréquence robuste en régime continu, basé sur la coexistence simultanée de deux modes transverses de Laguerre-Gauss. La sélection de seulement deux modes transverses est réalisée grâce à des masques de pertes insérés intracavité dans le plan transverses. Les caractéristiques du laser bifréquence, telles que l'équilibre entre les puissances des deux modes, le caractère monofréquence de chacun des deux modes, l'accordabilité de l'écart de fréquence, la simultanéité de l'émission et la cohérence du battement THz obtenu, sont étudiées. Enfin, la génération THz par photomélange est effectuée grâce au VeCSEL bifréquence et à une photodiode UTC commerciale. / This work focuses on the design, realization and experimental study of highly coherent dual-frequency laser sources emitting at 1 µm for THz radiation generation by photomixing. We are particularly interested in vertical-external-cavity surface-emitting laser (VeCSEL), the aim being to obtain a robust dual-frequency continuous wave operation, based on simultaneous coexistence of two Laguerre-Gaussian transverse modes. We design intracavity transverse selective losses mask to select only the two Laguerre-Gaussian modes. The stable and simultaneous dual-frequency operation, the beat-frequency tunability range and the temporal coherence was specifically studied. We demonstrated THz emission by seeding a uni-travelling-carrier photodiode by an optically-pumped dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting.

Les nitrures d’éléments III (III-N) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de dispositifs intersousbandes (ISB) : leur discontinuité de potentiel élevée en bande de conduction (1.75 eV) leur permet de couvrir une grande gamme de longueur d’onde du proche infrarouge jusqu’au Térahertz (THz), et enfin l’énergie élevée de phonon optique (90meV) laisse entrevoir la possibilité de réaliser des sources émettant dans le THz tout en fonctionnant à température ambiante. Mes travaux portent sur les détecteurs à cascade quantique (QCD) et sur les lasers à cascade quantique (QCL) à base de III-N fonctionnant dans le THz.Dans un premier temps, j’expose les concepts, la réalisation et la caractérisation de plusieurs détecteurs à cascade quantique (QCDs) à base de nitrures (AlGaN/GaN) fonctionnant dans le proche IR entre 1 et 2 µm.. Ensuite, je propose la conception de dispositifs devant fonctionner dans le THz. Je commence par décrire les difficultés inhérentes à l’obtention de transitions ISB dans la gamme THz dans les puits de nitrures polaires et je propose une approche pour les contourner. Je détaille après la conception de QCDs devant fonctionner à 5 et 6 THz. Puis, je propose une structure de QCL devant émettre à 2.5 THz.En parallèle, j’ai aussi travaillé sur les oxydes d’éléments VI (II-VI). Ces matériaux possèdent les mêmes avantages que les nitrures d’éléments III. J’ai caractérisé une série d’échantillons épitaxiés contenant des puits de ZnO/ZnMgO. Les mesures attestent de la présence d’une transition ISB et m’ont permis de donner une estimation de la discontinuité en bande de conduction, valeur jusque-là très mal connue. / Nitrides are promising materials for producing intersubband devices (ISB): their high potential discontinuity in conduction band (1.75 eV) allows them to cover a wide wavelength range from near infrared to terahertz (THz), and finally the high energy optical phonon (90 meV) suggests the possibility of producing sources emitting THz while operating at room temperature. My research focuses on quantum cascade detector (QCD) and quantum cascade lasers (QCL) based on III-N operating in the THz.First, I outline the concepts, realization and characterization of several quantum cascade detectors (QCDs) based on nitrides (AlGaN / GaN) operating in near infrared between 1 and 2 microns. Then, I propose design of devices working in the THz range: I describe difficulties inherent in getting ISB transitions in THz fields in polar nitride quantum well. I detail the design of QCDs operating at 5 and 6 THz. Then I worked on QCL operating at 2.5 THz.In parallel, I also worked on VI elements oxides (II-VI). These materials have the same benefits as III nitrides. I characterized a series of samples containing quantum wells ZnO / ZnMgO. Measurements show the presence of ISB transitions and allow me to provide an estimation of the conduction band offset, which value was not well known prior to this work.

Le domaine du Térahertz a suscité beaucoup d’intérêt de la part de la communauté scientifique ces dernières années. La diode Schottky constitue la pierre angulaire des circuits de détection, des multiplieurs de fréquence ou encore des mélangeurs dans cette bande de fréquence, notamment grâce à son comportement non-linéaire. Les travaux menés durant cette thèse visent à optimiser les caractéristiques de ce composant pour deux fonctions non-linéaires – la détection et la multiplication de fréquence – celles-ci ayant des facteurs de mérites bien spécifiques. Un même dispositif ne saurait les satisfaire conjointement La non-linéarité capacitive est généralement mise à profit pour la multiplication de fréquence alors que la détection s’appuie sur la non-linéarité résistive associée à la caractéristique statique. Pour réaliser cette optimisation, un code particulaire Monte-Carlo (MC) résolvant l’équation de Boltzmann couplée à l’équation de Poisson a été développé. La diode Schottky est un composant largement contrôlé par l’interface métal/semi-conducteur et la gestion des conditions aux limites constitue une étape clef dans la modélisation du dispositif. Le principe d’exclusion de Pauli doit être considéré pour un semi-conducteur très dopé et une distribution spécifique pour les porteurs injectés du côté du contact ohmique a été optimisée puis utilisée dans la modélisation de la diode. D’autres effets physiques à l’interface métal/semi-conducteur ont été implémentés tels que l’effet tunnel suivant différents degrés de raffinement, le phénomène de force image ou encore l’abaissement de la hauteur de barrière par le champ électrique dû aux états de surface. Cette modélisation MC a permis de déduire un schéma équivalent électrique petit-signal aux fréquences Térahertz dont les différents paramètres sont ajustés en prenant en compte la déplétion possible du substrat pour des diodes courtes. L’extraction du schéma équivalent peut s’effectuer suivant différentes stratégies : en excitant la diode avec un signal de faible amplitude ou encore à partir de l’étude des densités spectrales associées aux fluctuations de courant et de tension. Les phénomènes physiques pouvant mettre en défaut ce schéma électrique tels que la vitesse de saturation des porteurs ou le phénomène d’ionisation par choc en polarisation inverse sont discutés. Le recours à un schéma électrique est motivé par une volonté de l’intégrer facilement au cœur d’un circuit pour une fonction spécifique et de l’exploiter avec un logiciel commercial tel que ADS (Advanced Design System) dans une logique d’optimisation. Des simulations de type « Harmonic Balance » ont été menées afin d’étudier le rendement d’un circuit de détection et d’un multiplieur de fréquence pour dégager les caractéristiques optimales de la diode sur chacun de ces circuits. Le GaAs est souvent un semi-conducteur de choix pour la réalisation de circuits aux fréquences Térahertz grâce à sa maturité technologique et à sa haute mobilité électronique. D’autres semi-conducteurs tels que l’InGaAs, le GaSb ou encore le GaN sont également étudiés. Une diode avec un couple métal/semi-conducteur présentant une faible hauteur de barrière donne les meilleurs rendements de conversion pour la détection. Pour le multiplieur de fréquence, il existe un dopage optimal en fonction de la longueur de la couche active permettant de maximiser le rendement du circuit. / The terahertz field has generated significant interest from the scientific community in recent years. The Schottky diode is the cornerstone of detection circuits, frequency multipliers or mixers in this frequency band, thanks to its non-linear behavior. The work carried out during this thesis aims at optimizing the characteristics of this component for two non-linear functions - detection and frequency multiplication - these having very specific figures of merit. The same device can not satisfy them together. Capacitive non-linearity is generally used for frequency multiplication while the detection is based on the resistive non-linearity associated with the current-voltage characteristic. To achieve this optimization, a Monte Carlo (MC) particle code solving the Boltzmann transport equation coupled to the Poisson equation was developed. The Schottky diode is a component essentially controlled by the metal / semiconductor interface and the boundary conditions are a key step in the device modeling. The Pauli exclusion principle must be considered for a highly doped semiconductor and a specific distribution for the carriers injected on the ohmic contact side has been optimized and then used in the diode modeling. Other physical effects at the metal / semiconductor interface have been implemented, such as tunneling following different degrees of refinement, image force barrier lowering or the barrier height lowering by the electric field due to surface states. A small-signal equivalent circuit at Terahertz frequencies was deduced from the MC modeling. The parameters of this circuit are adjusted by taking into account the possible depletion of the substrate for short diodes. The extraction of the equivalent circuit can be carried out according to different strategies: exciting the diode with a low amplitude signal or studying the spectral densities associated with the current and voltage fluctuations. The physical phenomena that can make the equivalent circuit defective, such as the saturation velocity of carriers or the impact ionization at reverse bias, are discussed. An electrical circuit of the diode was used to be easily integrated into a global circuit for a specific function and exploit it in commercial software such as ADS (Advanced Design System). Harmonic balance simulations were conducted to study the performance of a detection circuit and a frequency multiplier to reach the optimal characteristics of the diode on each of these circuits. GaAs is often a semiconductor of choice for the design of circuits at Terahertz frequencies thanks to its technological maturity and its high electronic mobility. Other semiconductors such as InGaAs, GaSb or GaN are also investigated. A diode with a metal / semiconductor couple having a low barrier height gives the best conversion efficiencies for detection. For the frequency multiplier, there is an optimal doping as a function of the active layer length which maximizes the circuit efficiency.

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L’objectif de ma thèse est d’étendre les modèles électromagnétiques existants à l’Institut Fresnel pour les fréquences optiques vers le domaine des fréquences térahertz (THz), pour mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu lors d’interaction onde-matière. Cette compréhension permettrait d’améliorer l’analyse des images THz acquises et de mieux définir les configurations des systèmes optiques utilisés. Ce travail est réalisé en comparant les résultats issus de la modélisation avec ceux provenant d’expériences menées par imagerie THz au sein de l’entreprise Terahertz Waves Technologies. Dans le futur, la modélisation pourrait devenir un outil prédictif pour la caractérisation de matériaux dans le domaine THz.Les ondes THz se situent entre l’infrarouge lointain et les micro-ondes dans le spectre électromagnétique allant de 0.01 mm à 3 mm (ou 100 GHz à 30 THz). Ces ondes bénéficient des avantages des ondes optiques et des micro-ondes dépendant des longueurs d’ondes utilisées. L’imagerie THz présente un fort potentiel pour la caractérisation de la matière, car ces ondes peuvent pénétrer beaucoup de matériaux qui sont opaques dans le visible et dans l’infrarouge. La détection de défauts, les délaminations, la présence d’humidité, etc…, sont un exemple des problématiques qui peuvent être investiguées grâce au rayonnement THz.Dans un premier temps, j’ai pu simuler la réponse optique d’échantillons polymères plans homogènes et isotropes avec de bons accords entre le calcul et la mesure. Ces résultats ont permis de réaliser de premières modélisations d’images en adéquation avec l’imagerie THz. L’étude est ensuite élargie aux matériaux anisotropes qui existent dans l’environnement industriel actuel ainsi qu’aux objets de forme cylindrique. Les modèles développés considèrent l’indice de réfraction complexe d’un échantillon et son épaisseur, c’est pourquoi un chapitre est dévolu à la méthode d’estimation de ces paramètres à partir de mesures issues de spectroscopie THz dans le domaine temporel mise en œuvre. / The aim of my thesis is to extend the electromagnetic models already existing at the Institut Fresnel for the optical frequencies towards the terahertz (THz) range, to have a better knowledge of the physical phenomena involved in THz light-matter interactions. This understanding would allow to improve the analysis of the THz images acquired and to have a better definition of the optical systems configurations that we use. To achieve this work, we compare the results coming from the model with those from the experiments led by THz imaging by Terahertz Waves Technologies. In the future, the modelling could become a predictive tool for the characterization of materials in the THz domain.THz waves are located between far infrared and microwaves in the electromagnetic spectrum going from 0.01 mm to 3 mm (or 100 GHz to 30 THz). These waves benefit from advantages of the optical waves and from microwaves depending on used frequencies. THz imaging presents a high potential one for the characterization on the material, because these waves can penetrate a lot of materials which are opaque in the visible and the infrared lights. Detection of defects, delaminations, the presence of humidity, etc…, are examples of the problems which can be investigated with THz light.At first, I was able to model the optical response of planar, homogenous, isotropic and polymeric samples with good agreements between the calculation and the measurement. These results allowed to realize first modellings of images which are consistent with THz imaging. Therefore, the study is enlarged to anisotropic materials which exist in the current industrial environment as well as the objects of full cylindrical shape. The developed models consider the complex refractive index of a sample and its thickness, that is why a chapter is devoted to the method of estimation of these parameters from measurements coming from THz Time-Domain Spectrocopy signals which was implemented.

THz and mm-wave technology has become increasingly significant in a very diverse range of applications such as spectroscopy, imaging, and communication as a consequence of a plethora of significant advances in this field. However to achieve a mass production of THz systems, all the commercial aspects should be considered. The main concerns are attributed to the robustness, compactness, and a low cost device. In this regard, research efforts should be focused on the elimination of obstacles standing in the way of commercializing the THz technology. To this end, in this study, low cost fabrication technologies for various parts of mm-wave/THz systems are investigated and explored to realize compact, integrated, and rugged components. This task is divided into four phases. In the first phase, a robust fiber-based beam delivery configuration is deployed instead of the free beam optics which is essential to operate the low cost THz photomixers and photoconductive antennas. The compensation of different effects on propagation of the optical pulse along the optical fiber is achieved through all-fiber system to eliminate any bulky and unstable optical components from the system. THz measurements on fiber-coupled systems exhibit the same performance and even better compared to the free beam system. In the next phase, the generated THz wave is coupled to a rectangular dielectric waveguide through design of a novel transition with low insertion loss. The structure dimensions are reported for various range of frequencies up to 650GHz with insertion loss less than 1dB. The structure is fabricated through a standard recipe. In third phase, as consequence of the advent of high performance active device at mm-wave and THz frequency, a transition is proposed for coupling the electromagnetic wave to the active devices with CPW ports. Different approaches are devised for different frequencies as at higher frequencies any kind of metallic structure can introduce a considerable amount of loss to the system. The optimized structures show minimum insertion loss as low as 1dB and operate over 10% bandwidth. The various configurations are fabricated for lower frequencies to verify the transition performance. The last phase focuses on the design, optimization, fabrication and measurements of a new dielectric side-grating antenna for frequency scanning applications. The radiation mechanism is extensively studied using two different commercial full-wave solvers as well as the measured data from the fabricated samples. The optimized antenna achieves a radiation efficiency of 90% and a gain of 18dB. The measured return loss and radiation pattern show a good agreement with the simulation results.