WO2016053049A1 - 위상잡음 보상 방법을 이용한 광혼합 방식의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 광혼합 기법을 이용한 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치로서, 단일 파장을 가지며 서로 다른 주파수의 연속파 레이저 광원을 출력하여 광신호를 발생시키는 제1 및 제2 광원부, 제1 광원부에서 발생한 광신호에 대해 주파수를 천이시키는 제1 광전위상변조기 및 제2 광원부에서 발생한 광신호에 대해 주파수를 천이시키는 제2 광전위상변조기, 상기 제1 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제2 광원부에서 발생된 광신호를 받아 증폭하는 제1 광증폭기 및 상기 제2 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제1 광원부에서 발생된 광신호를 받아 증폭하는 제2 광증폭기, 상기 제1 광증폭기에 의해 증폭된 광신호를 테라헤르츠파로 발생시키는 광전변환기, 상기 제2 광증폭기에 의해 증폭된 광신호가 들어가며, 상기 광전변환기에 의해 발생한 테라헤르츠파를 광혼합을 통해 전기적 신호로 변환하는 포토믹서, 상기 제1 및 제2 광증폭기에서 보내진 광신호를 결합하는 광검출기 및 상기 광검출기를 통해 생성된 전기 신호를 필터링하는 필터부를 포함하고, 상기 전치 증폭기를 통해 전달된 전기 신호와 상기 광검출기와 대역통과필터를 통해 전달된 전기 신호를 비교하여 동일한 주파수를 갖는 위상잡음을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

위상잡음 보상 방법을 이용한 광혼합 방식의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치
본 발명은 방식의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광혼합 기법을 이용하여 테라헤르츠 연속파를 발생시키고, 이를 이용하여 물질의 특성을 분석 등을 포함한 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 검출 장치에서 발생하는 위상잡음을 보상하는 방법에 관한 것이다.
테라헤르츠파 기술은 현대 광학에서도 가장 최근에 연구가 시작된 기술로 잠재된 가능성이 매우 큰 분야이다. 특히 테라헤르츠파 기술은 향후 IT 발전에 있어서 없어서는 안 될 매우 중요한 전자파 자원으로 활용될 것으로 여겨지고 있고, 전 세계가 주목하는 차세대 기술로 그 응용 범위가 크게 확장되어 중요성이 날로 증대되고 있다.
테라헤르츠파는 물질의 특성에 따라 독특한 투과 및 흡수 특성을 보이기 때문에 물질 분석을 위한 분광학 분야에서도 다양하게 이용 가능하다. 테라헤르츠파의 분광학 적용을 위해서는 넓은 대역폭과 높은 신호 대 잡음비 (SNR)은 필수적이다. 이러한 조건을 만족하고, 비교적 저렴한 방법으로 상온에서 연속형 테라헤르츠파를 발생하기 위해 광혼합 (photomixing) 기법이 적절하다.
광혼합 (photomixing) 기법을 이용한 연속형 테라헤르츠파 발생 기술은 주파수가 약간 다른 두 레이저를 광전변환기(O/E converter)에 입력하여 맥놀이주파수 (beat frequency)에 해당하는 주파수를 갖는 전자기파를 발생시키는 기법으로, 광주파수 하향변환 (optical frequency down-conversion)이라고도 한다. 주파수 하향변환을 위해 전자기파를 발산시킬 수 있는 안테나가 집적된 광전변환기 (O/E converter)가 사용되며, 오늘날 다양한 반도체의 조합으로 만들어지고 있다. 광전변환기는 광검출기 (photodetector)와 비슷한 원리로 동작하고, 사용되는 반도체의 특성에 따라 수 테라헤르츠의 대역폭을 갖는다.
그러나, 일반적으로 광혼합기반 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에는 위상 잡음이 존재하며, 이 위상 잡음은 신호의 위상 정보를 활용하는 연속파 테라헤르츠 검출 시스템의 신호 대 잡음비 (SNR)를 감소시켜 위상 정보 검출 성능의 저하를 야기한다. 주된 위상 잡음의 원인의 주요 원인은 연속파 레이저 광원에서 발생되는 위상 잡음이다. 광혼합기반 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 위상 잡음을 줄이기 위해서는 기본적으로 좁은 스펙트럼 선폭 즉 낮은 위상 잡음 특성을 갖는 레이저 광원을 사용하면 된다. 그러나 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저를 사용할 경우, 레이저의 위상잡음 자체가 줄어 근본적인 위상 잡음 문제의 해결이 가능하지만 이로 인해 레이저의 복잡도와 가격이 증가해 전체 시스템의 구성 비용이 상승한다는 단점이 있다. 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저를 사용하지 않더라도 광혼합기반 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 위상 잡음을 줄이는 방법으로는 광혼합 (photomixing)에 사용되는 두 개의 광신호가 지나가는 광학 선로의 길이를 조절하여 위상 잡음의 원인이 되는 두 개의 광신호의 위상 지연 차이를 없애주는 방법이 있다. 두 개의 광학 선로 길이를 정확하게 맞춰주는 기존의 방법들은 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저를 사용하지 않아도 되기 때문에 시스템의 가격적인 측면에서도 큰 변화가 없지만 두 개의 광 선로 내에 광신호 분할이나 광주파수 천이, 광신호 증폭을 위한 다양한 광학소자들 (optical components)이 사용되기 때문에 시스템 제작자가 이들의 위상 지연 특성을 고려해서 정확하게 광 선로 길이를 맞추는 것은 매우 번거롭고 어렵다는 문제점이 있다. 다른 문제점으로는 어느 온도에서 광 선로 길이가 같도록 조절되어 있더라도 장 시간 측정의 경우 주변 환경의 온도가 변화에 따라 측정 시스템의 온도가 변할 수 있는데, 광학 선로 내 존재하는 광신호 분할이나 광주파수 천이, 광신호 증폭을 위한 다양한 광학소자들 (optical components)의 온도 변화에 따른 위상 특성의 변화로 인해 두 개의 광신호의 위상 지연의 차이가 발생 될 수 있고, 이 위상 지연의 차이가 시스템의 위상 잡음의 증가로 이어 질 수 있다는 점이다. 이 위상 지연의 차이에 의해 발생되는 시스템의 위상 잡음은 시스템의 온도에 따라 변화하는 특성을 보인다.
좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 레이저를 사용하지 않고, 두 개의 광학 선로 길이를 정확하게 맞춰주지 않고도 시스템의 위상 잡음을 줄이는 방법으로 록인 증폭기 (lock-in amplifier)를 이용하여 위상 검출 신호를 평균화(averaging)함으로써 위상 잡음을 줄이는 방법이 있으며 시상수 (time constant)를 크게 할수록 위상 잡음의 감소 효과 가 크다. 그러나 록인 증폭기의 시상수를 늘려서 위상 잡음을 감소 시키는 방법은 하나의 위상 응답을 얻는데 소요되는 측정 시간이 증가하여 고속 측정이나 2차원 또는 3차원 이미징 (imaging) 응용에 활용되기에는 매우 큰 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 광검출기와 비교적 간단한 전자회로를 추가함으로써 연속파 레이저 광원에 의해 발생되는 테라헤르츠파의 위상 잡음 열화를 효과적으로 줄여주는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에 마련된 두 개의 광신호가 지나는 유효 광학 선로의 길이를 간편하게 일치시키며, 측정 시스템의 온도 변화에 따른 위상 잡음을 최소화할 수 있는 테라헤르츠파 발생 및 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 광혼합 기법을 이용한 테라헤르츠파 발생 및 검출 장치로서, 서로 다른 주파수를 갖는 단일 파장 레이저 광원으로 이루어진 제1 및 제2 광원부; 제1 광원부에서 출력되는 레이저 광신호의 주파수를 천이시키는 제1 광전위상변조기 및 제2 광원부에서 출력되는 레이저 광신호의 주파수를 천이시키는 제2 광전위상변조기; 상기 제1 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제2 광원부에서 출력된 광신호를 받아 증폭하는 제1 광증폭기 및 상기 제2 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제1 광원부에서 출력된 광신호를 받아 증폭하는 제2 광증폭기; 상기 제1 광증폭기에 의해 증폭된 광신호를 테라헤르츠파로 변환시키는 광전변환기; 상기 제2 광증폭기에 의해 증폭된 광신호와 상기 광전변환기에 의해 발생한 테라헤르츠파를 광혼합 (photomixing)하여 전기적 신호로 변환하는 포토믹서; 상기 제1 및 제2 광증폭기의 출력 광신호들의 일부를 합하여 전기신호로 변환하는 광검출기; 및 상기 광검출기에 의해 변환된 전기신호를 필터링하는 필터부를 포함하고, 상기 광검출기를 통해 얻어진 전기신호와 상기 포토믹서에서 얻어진 전기신호를 비교하여 동일한 주파수에 실려 있는 위상 잡음을 제거하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 광증폭기에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기 및 광전변환기로 분배되어 이동하며, 상기 제1 광증폭기와 상기 광검출기 사이에 형성된 광학경로의 크기를 상기 제1 광증폭기와 상기 광전변환기 사이의 광학경로와 상기 광전변환기에 의해 발생된 테라헤르츠파가 상기 포토믹서에까지 전달되는 경로의 합 이 동일한 유효 지연 시간을 가지도록 설정될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2 광증폭기에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기 및 포토믹서로 분배되어 이동하며, 상기 제2 광증폭기와 상기 광검출기 사이에 형성된 광학경로와 상기 제2 광증폭기와 상기 포토믹서 사이에 형성된 광학경로는 동일한 유효 광학 지연시간을 가지도록 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광검출기 및 간단한 전자회로를 테라헤르츠파 시스템에 추가함으로써, 연속파 레이저 광원에 의한 위상잡음의 영향을 줄일 수 있다.
본 발명의 위상잡음 제거 과정을 통해 두 개의 광학 선로 내에 광신호 분할이나 광주파수 천이, 광신호 증폭을 위한 다양한 광학소자들의 온도 변화에 따른 유효 광학 지연 시간의 차이의 발생과 이에 따라 발생되는 위상 잡음도 효과적으로 제거하여 주변 온도 변화에 대해서도 안정적으로 동작하는 시스템을 구현할 수 있다.
그리고, 본 발명은 하나의 광검출기와 전자회로의 추가만으로 연속파 레이저광원에 의한 위상잡음의 영향을 줄일 수 있어 스펙트럼 선폭이 좁지 않은 비교적 저렴한 레이저를 사용하여 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 구현할 수 있고, 전체적인 시스템의 설계 비용도 절감할 수 있다.
또한, 두 개의 광학선로의 길이를 조절하여 동일한 유효 광학 지연시간을 갖도록 하는 정렬작업이 단순해지기 때문에 테라헤르츠 시스템을 비교적 용이하게 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 나타낸 도면
도 2는 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서 레이저 광원의 위상잡음에 의해 발생하는 포토 믹서의 출력 신호의 주파수 천이 및 록인 증폭기의 위상응답을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서 레이저 광원의 위상잡음에 의해 발생하는 포토 믹서의 출력 신호의 주파수 천이 및 록인 증폭기의 위상응답을 나타낸 도면
도 4는 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치와 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 주변 온도 변화에 따른 위상 응답의 변화를 나타낸 도면
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 볼 것이다.
는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 나타낸 도면이다. 실시예는 광혼합 기법을 사용하여 테라헤르츠파를 발생 및 검출하는 장치로 구성된 시스템이다. 광혼합 기법은 상대적으로 넓은 테라헤르츠 신호 주파수 대역폭을 제공하고, 파장이 다른 두 개의 레이저 광원의 맥놀이 주파수를 활용하기 때문에 파장 조절을 통한 주파수 가변성이 좋으며, 반도체 칩 크기로 제작이 가능하고 높은 신호 대 잡음비를 제공하기 때문에 특히 분광학을 이용한 물질 검사에 많이 이용되고 있다. 이 중에서 셀프헤테로다인 광혼합 기법은 위상 변화를 민감하게 검출할 수 있는 방법으로 저흡수 물질의 특성을 조사하는데 유리하며, 본 실시예는 셀프헤테로다인 광혼합 기법을 사용한 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 제안한다.
도 1을 참조하면, 실시예의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치는 종래의 시스템에 점선 부분에 해당하는 부분이 추가된 것이며 본 발명의 설명을 위해 점선 부분이 없는 종래의 테라헤르츠파 시스템에 대해 간략히 설명한다.
종래의 광혼합 기반 테라헤르츠 연속파를 발생 및 검출하기 위한 장치는 서로 다른 주파수(ω1, ω2)를 갖는 단일 파장 연속파 레이저 광원을 이용해 광신호를 제공하는 제1 및 제2 광원부(110, 111), 두 개의 광신호 중 하나를 입력 받아 주파수를 천이하는 주파수 천이기로서 제1 및 제2 광전위상변조기(Electro-optic phase modulator, 120, 121), 전달되는 연속파 레이저 광원을 증폭하는 제1 및 제2 광증폭기(130, 131), 상기 제1 광 증폭기(130)에서 증폭된 연속파 레이저 광원을 테라헤르츠파로 발생시키는 광전변환기(Opto-electronic converter, 150) 및 발생된 테라헤르츠파를 수신해서 상기 제2 광증폭기의 출력신호와 광혼합을 통해 다시 전기적 신호로 변환시켜주는 포토믹서(151)로 구성될 수 있다.
제1 및 제2 광전위상변조기(120, 121)를 각각 주파수가 ωs1, ωs2이고 광전위상변조기의 반파장 전압 (half-wave voltage)의 크기를 갖는 톱니파 형태의 신호로 변조시키면, 광전위상변조기의 출력 광신호의 광 주파수(ω1, ω2)는 각각 ωs1, ωs2만큼 천이된다.
그리고, 상기 제1 광전위상변조기(120)는 제1 광증폭기(130)에 연결되고, 제2 광전위상변조기(121)는 제2 광증폭기(131)에 연결된다. 이 때, 제1 광원부(110)에서 발생되는 연속파 레이저 광원 중에 일부는 광학경로(115)를 따라 제1 광전위상변조기(120)를 거쳐 제1 광증폭기(130)로 도달하며, 다른 일부는 광학경로(116)를 따라 제1 광원부(110)에서 바로 제2 광증폭기(131)로 들어간다. 마찬가지로, 제2 광원부(111)에서 발생되는 연속파 레이저 광원 중에 일부는 광학경로(118)를 따라 제2 광전위상변조기(121)를 거쳐 제2 광증폭기(131)로 도달하며, 다른 일부는 광학경로(117)를 따라 제2 광원부(111)에서 바로 제1 광증폭기(130)로 들어간다.
여기서는 본 발명의 설명을 위해 점선 부분이 없는 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에 대해 설명하기 때문에, 유효 광학 지연 시간 τ1은 광학경로(115)와 관련된 유효 광학 지연 시간으로 이 광학경로(115)는 제 1 광원부(110)에서부터 제1 광전위상변조기(120), 제1 광증폭기(130)을 지나 광전변환기(150)을 통해 테라헤르츠파로 변환되어 포토믹서(151)까지 도달하는데 걸리는 시간이며, τ3는 광학경로(117)과 관련된 유효 광학 지연 시간으로 이 광학경로(117)은 제2 광원부(111)에서부터 제1 광증폭기(130)을 지나 광전변환기(150)을 통해 테라헤르츠파로 변환되어 포토믹서(151)까지 도달하는데 걸리는 시간이다. 마찬가지로 τ2는 광학경로(116)과 관련된 유효 광학 지연 시간으로 이 광학경로(116)은 제1 광원부(110)에서부터 제2 광증폭기(131)을 지나 포토믹서(151)까지 도달하는데 걸리는 시간이며, τ4는 광학경로(118)과 관련된 유효 광학 지연 시간으로 이 광학경로(118)은 제2 광원부(111)에서부터 제2 광전위상변조기(121), 광증폭기(131)을 지나 포토믹서(151)까지 도달하는데 걸리는 시간이다.
광전변환기(150)에 의해 발생된 테라헤르츠 신호는 안테나에 의해서 방사되고, 방사된 신호는 미러들(160, 161)에 의해 샘플(162)을 통과하여 포토믹서(151)에 도달하게 된다. 포토믹서(151)에서는 샘플을 통과한 후 입력되는 테라헤르츠파와 상기 제2 광증폭기의 출력 광신호가 광혼합 된다. 광혼합 된 포토믹서(151)의 출력 신호는 천이주파수 차이(ωs=ωs1-ωs2)만큼의 맥놀이 주파수를 갖는 신호가 포함되어 있으며 전치증폭기(Trans-Impedance Amplifier, 152)를 통해 증폭된다. 광전위상변조기(120, 121)의 변조주파수 차이(ωs)를 가지고 있는 포토믹서(151)의 출력 신호에는 측정 샘플에 의한 발생되는 신호 크기 감쇄(As) 정보와 위상 차이(Φs) 정보가 포함되어 있다.
일반적으로 광혼합 기법으로 발생되는 테라헤르츠파 신호의 출력이 낮은 수준이기 때문에 포토믹서에서 광혼합에 의해 발생된 출력 신호의 전류 크기도 작은 편이기 때문에 작은 신호 검출에 활용되는 록인 증폭기(Lock-in amplifier, 153)를 활용하여 정보의 추출이 가능하다. 록인 증폭기에 참조 신호로 변조주파수 차이(ωs) 만큼의 주파수를 갖는 신호를 사용할 경우 포토믹서에서 광혼합에 의해 발생된 출력 신호에 포함되어 있는 샘플에 의해 발생되는 신호 크기 감쇄(As) 정보와 위상 차이(Φs) 정보를 개별적으로 추출할 수 있다.
위에서 설명된 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치는 위상 잡음 특성이 열악하여 위상 정보를 활용하는 응용 분야에 적용하는데 많은 문제점이 있다. 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 위상 잡음 특성이 열악한 이유는 다음과 같다. 일반적인 연속파 레이저 광원은 위상 잡음을 포함하고 있으며, 유효 광학 선로(115, 116, 117, 118)들을 통과하는 신호들의 유효 광학 지연 시간 (τ1 τ2 ,τ3, τ4) 들이 서로 상이 할 경우 광혼합을 통해 발생되는 포토믹서의 출력 신호에 연속파 레이저 광원의 위상 잡음이 나타나게 되어 시스템의 위상 정보에 대한 SNR을 감소시키며 시스템의 신호 위상 검출 성능을 열화 시킨다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 균일하지 못한 유효 광학 선로 및 유효 광학 지연 시간들에 의해 발생되는 테라헤르츠파의 위상잡음과 동일한 위상 잡음을 발생시킨 후 낮은 주파수에서의 신호처리 과정을 통하여 상쇄시킴으로써, 광혼합을 통해 발생되는 포토믹서의 출력 신호의 위상 잡음을 제거하여 시스템의 위상 정보에 대한 SNR을 향상시키고 시스템의 신호 위상 검출 성능을 향상시키는 방법을 제안한다.
도 1의 점선 부분을 포함하는 본 발명의 실시예에서는 종래 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에 마련된 제1 및 제2 광증폭기(130, 131)의 뒷단에 광검출기(140)가 추가적으로 구비되고, 상기 광검출기(140)와 연결되는 필터부 (141, 142, 143)가 구비된다. 구체적으로, 상기 필터부는 불필요한 직류성분을 제거해주는 고역통과필터(High Pass Filter, 141), 상기 고역통과필터를 통해 여과된 신호를 혼합하는 전기적 혼합기(Electrical mixer, 142) 및 상기 전기적 혼합기로 생성된 신호로 특정 밴드 신호를 검출하는 대역통과필터(Band Pass Filter, 143)를 포함할 수 있다.
상기 대역통과필터(143)에 의해 얻어진 신호와 전치증폭기(152)에 의해 얻어진 신호는 동일한 주파수와 유사한 위상 및 위상 잡음으로 구성되어 있다. 이 때, 광증폭기(130)와 연결된 광학경로(135, 136)에 의한 광학 지연(τ5, τ6)과, 또 하나의 광증폭기(131)와 연결된 광학경로 (137, 138)에 의한 광학 지연(τ7, τ8)이 동일하다면, 대역통과필터(143)에 의해 얻어진 신호와 전치증폭기(152)에 의해 얻어진 신호는 동일한 위상잡음을 갖게 된다. 두 신호의 위상 잡음이 같을 경우, 상기 두 신호를 각각 록인 증폭기(153)의 측정 신호와 참조 신호로 사용하면, 록인 과정을 통해 전치증폭기(152)에 의해 얻어진 신호로부터 위상잡음이 제거된 위상 정보를 얻을 수 있다.
이어서, 상기와 같이 제안된 광혼합 기반의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 이용하여 위상잡음을 제거하는 방법에 대하여 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 광원부인 제1 광원부(110), 제2 광원부(111)에서는 ω1, ω2의 주파수를 갖는 연속파 레이저 광이 발생된다. 각각의 광원부(110, 111)에서 발생된 레이저 광은 제1 광원부(110)와 연결된 제1 광전위상변조기(120)와, 제2 광원부(111)에 연결된 제2 광전위상변조기(121)에 의해 주파수가 ωs1, ωs2만큼 천이된다.
그리고, 상기 제1 광전위상변조기(120)는 제1 광증폭기(130)에 연결되고, 제2 광전위상변조기(121)는 제2 광증폭기(131)에 연결된다. 이 때, 제1 광원부(110)에서 발생되는 연속파 레이저 광원 중에 일부는 지연시간 τ1을 가진 광학경로(115)를 따라 제1 광전위상변조기(120)를 거쳐 제1 광증폭기(130)로 도달하며, 다른 일부는 지연시간 τ2를 가진 광학경로(116)를 따라 제1 광원부(110)에서 바로 제2 광증폭기(131)로 들어간다. 마찬가지로, 제2 광원부(111)에서 발생되는 연속파 레이저 광원 중에 일부는 유효 광학 지연시간 τ4를 가진 광학경로(118)를 따라 제2 광전위상변조기(121)를 거쳐 제2 광증폭기(131)로 도달하며, 다른 일부는 유효 광학 지연시간 τ3을 가진 광학경로(117)를 따라 제2 광원부(111)에서 바로 제1 광증폭기(130)로 들어간다.
그리고, 제1 광증폭기(130)에 도달한 광은 유효 광학 지연시간 τ5를 가지는 광학경로(135)를 따라 광전변환기(150)에 의해 테라헤르츠파로 변환되어 샘플(162)을 통과한 후에 포토믹서로 들어가고, 제2 광증폭기(131)에 도달한 광은 유효 광학 지연시간 τ8을 가지는 광학선로(138)를 따라 포토믹서(151)로 들어가게 된다. 이 때, 지연시간 τ5를 가지는 광학경로(135)는 제1 광증폭기(130)에서 증폭된 광이 광전변환기(150)를 거쳐 포토믹서(151)로 들어가는 구간에 형성된 광학경로를 의미하며, 지연시간 τ8을 가지는 광학선로(138)는 제2 광증폭기(131)에서 증폭된 광이 포토믹서(151)로 들어가는 구간에 형성된 광학경로를 의미한다.
그리고, 제1 및 제2 광증폭기(130, 131)에서 증폭된 광은 지연시간 τ6, τ7을 가지는 광학경로(136, 137)를 따라 광검출기(140)로 들어가게 된다. τ6, τ7을 가지는 광학경로(136, 137)는 제1 및 제2 광증폭기(130, 131)과 광검출기(140) 사이에 형성된 광학경로이다.
상기 광검출기(140)에 의해 다양한 주파수를 갖는 신호가 얻어질 수 있으나, 광검출기(140)의 주파수 대역폭이 높지 않기 때문에, 낮은 주파수를 갖는 신호 성분 (ωs1, ωs2)만 전기 신호로 변환된다.
상기 광검출기(140)에 의해 변환된 전기 신호는 고역통과필터(141)에 의해 직류성분이 제거 된 후 전기적 혼합기(142)로 들어가 혼합된다. 이 때, 전기적 혼합기(142)에 의해 얻어진 전기 신호는 직류 성분과 (ωs1-ωs2) 및 (ωs1+ωs2)의 주파수를 갖는 신호로 구성되어 있으며, 이 신호를 대역통과필터(143)에 통과시켜 (ωs1-ωs2)의 주파수를 갖는 신호 성분만 선택하여 록인 앰프의 참조신호로 활용한다.
이 때, 상기와 같은 τ1, τ2, τ3, τ4, τ5, τ6, τ7, τ8의 광학 지연을 가지는 광학경로 (115, 116, 117, 118, 135, 136, 137, 138)를 따라 광전변환기(150)로 들어가는 광신호(Ep(t))와 포토믹서(151)로 들어가는 LO 광신호 (ELO(t))는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015010442-appb-M000001
여기서, AP 와 ALO는 각각 제1 및 제2 광증폭기(130, 131)에 의해 증폭된 광신호의 크기이며, ω1은 제1 광원부에서 발생되는 레이저 광의 주파수, ω2는 제2 광원부에서 발생되는 레이저 광의 주파수, ωs1은 제1 광전위상변조기에서 천이되는 주파수, ωs2는 제2 광전위상변조기에서 천이되는 주파수, φnm[t](m=1,2)는 제1, 2 광원부의 입력 레이저 광신호에 포함된 위상잡음을 나타내고, τ1 내지 τ8은 각 광학경로에서 나타나는 유효 광학 지연시간을 나타낸다.
광전변환기에 의해 발생된 테라헤르츠파는 샘플을 통과하여 다시 포토믹서(151)에 도달하게 된다. 포토믹서(151)에서 테라헤르츠파와 LO 광신호의 맥놀이 주파수가 다시 혼합되고, 혼합에 의해 발생된 다양한 주파수를 갖는 전기 신호들이 발생한다. 전기 신호들 중에서 (ωs1 - ωs2)의 주파수 성분을 갖는 저주파 신호만이 좁은 주파수 대역폭을 갖는 전치증폭기(152)에 의해 증폭되어 록인 증폭기의 측정 신호로 출력된다. 전치증폭기의 출력 VTIA(t)는 광전위상변조기의 천이주파수가 ωs1, ωs2임을 고려하였을 때, 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2015010442-appb-M000002
여기서, ωs 는 천이주파수의 차이 ωs=ωs1-ωs2 이고, As 와 Φs 는 각각 샘플에 의한 감쇄와 위상지연을 나타낸다. 여기서 τmk = τm + τk 이며, 광이 τm의 광학경로와 τk의 광학경로를 따라 이동하였을 시 발생하는 유효 광학 지연시간이다.
본 발명의 실시예에서는 포토믹서(151)에서 발생되는 신호와 동일한 위상잡음을 갖는 신호를 발생시키기 위해, 광전변환기 및 포토믹서로 들어가는 두 개의 광신호의 일부를 광검출기(140)에 입력으로 보낸다. 광검출기(140)로 이어지는 광학경로의 차이를 고려하면 광검출기(140)로 들어가는 광신호는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다. 이 때 광신호의 크기 (AP 와 ALO)는 광전변환기 및 포토믹서로 들어가는 두 개의 광신호의 크기와 같다고 가정한다.
수학식 3
Figure PCTKR2015010442-appb-M000003
이어서, 광검출기의 출력 신호(VPD(t))에는 다양한 주파수의 전기 신호가 존재하나 광검출기의 주파수 대역폭이 낮기 때문에 높은 주파수를 갖는 신호 성분은 제거되고 낮은 주파수의 신호가 남게되며, 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
수학식 4
Figure PCTKR2015010442-appb-M000004
여기서 Voffset은 입력된 광신호의 세기에 비례하는 직류 성분의 신호이다. 광검출기의 출력 신호는 고역통과 필터를 통해 직류 성분이 제거되고, 전기적 혼합기를 통해 제곱되어 다음과 같은 전기 신호 VM(t)로 변환된다.
수학식 5
Figure PCTKR2015010442-appb-M000005
상기 신호를 살펴보면, 직류 성분과 (ωs1-ωs2) 및 (ωs1+ωs2)의 주파수 성분을 갖는 세 개의 항으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 상기의 신호를 대역통과필터를 이용하여 (ωs1-ωs2) 주파수 항에 해당하는 주파수 성분만을 도출할 수 있으며, 도출된 신호 VBPF(t)는 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2015010442-appb-M000006
대역통과필터를 통과한 상기 신호(VBPF(t))를 살펴보면, 전치증폭기를 통해 얻어진 수학식 2에 기재된 VTIA(t)와 주파수가 동일하며, 위상 성분은 위상지연과 위상잡음으로 이루어져 있다. 이 때, 제1 광증폭기(130)에 연결되는 두개의 광학경로(135, 136)가 동일한 지연시간을 가지며, 제2 광증폭기(131)에 연결되는 두개의 광학경로(137, 138)가 동일한 지연시간을 가진다고 가정한다면, 대역통과필터를 통과한 신호(VBPF(t))와 전치증폭기를 통해 얻어진 신호 (VTIA(t))는 동일한 위상잡음을 갖게 된다.
상기 두 신호는 록인 증폭기(153)에 입력 되는데, 이 때 전치증폭기를 통과한 신호 VTIA(t)를 측정 신호로 설정하고, 대역통과필터를 통과한 신호(VBPF(t))를 참조 신호로 설정하여, 록인 과정을 통해 두 신호의 위상 성분을 수학적으로 빼줌으로써 광신호에 포함된 위상잡음을 제거할 수 있다.
상기와 같이 두 신호가 동일한 위상잡음을 갖도록 설정되기 위해서, 실시예는 제1 광증폭기(130)에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기(140) 및 광전변환기(150)로 분배되어 이동하며, 상기 제1 광증폭기(130)와 상기 광검출기(140) 사이에 형성된 광학경로(136)와 상기 제1 광증폭기와 상기 광전변환기를 통해 광신호가 테라헤르츠파로 변환되서 도달하는 포토믹서(150)와의 사이에 형성된 광학경로(135)는 서로 같은 광학 지연을 가지도록 설정될 수 있다.
마찬가지로, 제2 광증폭기(131)에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기(140) 및 포토믹서(151)로 분배되어 이동하며, 상기 제2 광증폭기(131)와 상기 광검출기(140) 사이에 형성된 광학경로(137)와 상기 제2 광증폭기(131)와 상기 포토믹서(150) 사이에 형성된 광학경로(138)는 서로 같은 지연시간을 가지도록 설정될 수 있다.
따라서, 상기 전치증폭기에서 록인 증폭기로 전달된 전기 신호와 상기 대역통과필터에서 여과된 록인 증폭기로 전달된 전기 신호는, 서로 동일한 주파수 및 위상잡음을 가지도록 광학선로의 길이가 설정됨으로써, 동일한 위상잡음을 가지게 되고, 록인 과정을 통해 전치증폭기(152)에 의해 얻어진 신호로부터 위상잡음이 제거된 위상 정보를 얻을 수 있다.
종래의 광혼합 기반 테라헤르츠파 시스템은 위상잡음의 제거를 위해 여러 개의 광혼합기, 광분할기, 주파수 천이기, 광증폭기와 같은 광학장치들의 유효 광학 지연 특성을 고려하여 광학경로의 길이를 설정하여야 했다. 그러나, 본 발명은 광증폭기와 연결되는 광학경로(135, 136, 137, 138)의 길이만을 조절하면 되고, 상기 광학경로들 사이에 다른 광학 장치가 존재하지 않으므로 더욱 용이하게 광학경로의 길이를 설정하여 연속파 레이저 광원에 포함된 위상잡음을 제거할 수 있다.
도 2는 종래의 테라헤르츠파 시스템에서 레이저 위상잡음에 의한 주파수 천이 및 록인 증폭기의 위상 응답을 나타낸 도면이며, 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서 레이저 위상잡음에 의한 주파수 천이 및 록인 증폭기의 위상응답을 나타낸 도면이다.
도 2의 측정값은 도 1에서 점선부분이 빠진 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 특성을 측정 한 것이며, 시스템 제작 시 위상 잡음을 최소화 하기 위해 두 개의 유효 광학 선로 길이가 최대한 같게 되도록 조정 하였다. 그러나, 위상잡음 제거를 위해 광학 경로의 길이를 조정하였음에도, 두 개의 광학 선로 내 서로 다른 광학 장치가 존재 하고 또 사용되는 광섬유 등 광부품들의 제조 오차에 따른 광학경로 길이 오차를 포함하고 있으며, 그 결과 도 2에 나타난 바와 같이 매우 큰 주파수 변이와 위상 변이가 발생한다.
도 2를 더 자세히 설명하면, 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서는 이러한 광학 경로 조정 오차에 의해 위상잡음의 영향이 완벽하게 제거되지 않고, 그로 인해 전치증폭기 (152)의 출력 신호의 주파수가 무작위로 변하는 것을 볼 수 있다. 이 때 변조주파수 차이(ωs)의 주파수를 갖는 신호를 록인 증폭기의 참조주파수로 사용할 경우, 록인 증폭기의 위상응답이 무작위로 변하게 된다.
도 3의 측정값은 도 1의 점선 부분을 포함한 본 발명의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 특성을 측정 한 것이며, 점선 외 부분은 도 2의 측정값을 측정한 종래 시스템의 구조와 같다. 도 3에 나타나 있는 개시된 실시예의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서는 광학 경로 조정 오차에 의해 발생되는 위상 잡음의 영향으로 전치증폭기 (152)의 출력 신호의 주파수가 무작위로 변하지만 록인 증폭기의 참조주파수로 사용되는 대역통과필터 (143)의 출력 신호가 같은 위상 잡음을 갖고 있기 때문에 동일한 형태로 변하며, 따라서 록인 증폭기에 의해 얻어지는 위상 응답 특성에서 위상 잡음 성분이 제거되어 출력 신호 값이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 즉, 실시예와 같이 구성된 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치는 광학 경로를 정밀하게 조정하지 않더라도 위상 잡음이 용이하게 제거됨을 확인 할 수 있다.
도 4는 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치와 본 발명의 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치의 주변 온도 변화에 따른 위상 응답의 변화를 나타낸 도면이다. 온도가 변화하게 되면 유효 광학 선로의 길이가 다양한 요인에 의해 변하게 되고, 이로 인해 위상 변화가 발생하게 된다. 이러한 영향을 줄이기 위해 종래의 광혼합기반 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서는 광학경로 전체의 길이를 최대한 줄이고 시스템 전체를 단열시키는 방법이 사용된다. 도 4에서 (a)는 온도변화에 따른 영향을 줄이기 위해 종래의 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서 광학경로 (115, 116, 117, 118)의 길이를 40㎝로 최소화 시킨 시스템의 온도 변화에 따른 위상 응답의 변화를 나타내고, 도 4의 (b)는 광학경로 (115, 116, 117, 118)를 광집적회로 기술을 통해 가로세로 2mm 크기로 집적한 시스템의 온도 변화에 따른 위상 응답의 변화를 나타내며, 마지막으로 도 4의 (c)는 본 발명의 실시예에서 온도변화에 따른 위상 응답의 변화를 나타낸다.
도 4의 (a) 내지 (c)를 참조하면, (c)와 같이 실시예에 따른 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치에서는 (a)와 같이 광학경로의 길이를 줄인 경우에 비해 시간에 따른 위상의 변동폭이 작아져 위상 안정성 측면에서 더욱 우수한 결과를 나타내었다. 또한, (b)와 같이 광학선로가 분할된 부분의 길이를 줄이기 위해 광학 집적 회로를 이용한 경우보다도 실시예의 (c)는 시간에 따른 위상의 변동폭이 더 낮게 측정되어 위상 안정성 측면에서 더 우수한 결과를 나타내었다.
현재 광혼합 방식을 이용한 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치는 안정적인 위상응답을 얻기 위해 좁은 대역폭을 갖는 고가의 연속파 레이저 광원을 사용하고 있어 시스템 설계 비용에 측면에서 연속파 레이저 광원이 많은 부분을 차지하고 있다. 그러나, 본 실시 예에서는 좁은 대역폭을 갖는 고가의 연속파 레이저 광원을 사용할 필요 없이 하나의 주파수 대역폭이 크지 않은 광검출기와 광검출기에 연결되는 전자회로를 추가 구성함으로써 레이저에 의한 위상잡음의 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 시스템 설계 비용을 절감할 수 있으며, 광학경로의 길이를 조절해주는 작업이 단순해져 시스템의 설계에 있어 유리하며, 추가적인 장치를 구비하지 않고도 주변환경의 온도 변화에 민감하지 않은 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 구축할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 하나의 광검출기와 전자회로의 추가만으로 연속파 레이저 광원에 의한 위상잡음을 줄일 수 있으므로 비교적 저렴한 레이져를 사용하여 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치를 구현할 수 있기 때문에 산업적인 적용 가능성이 크게 기대된다.

Claims (9)

  1. 단일 파장을 가지며 서로 다른 주파수의 레이저 광을 제공하여 광신호를 발생시키는 제1 및 제2 광원부;
    제1 광원부에서 발생한 광신호에 대해 주파수를 천이시키는 제1 광전위상변조기 및 제2 광원부에서 발생한 광신호에 대해 주파수를 천이시키는 제2 광전위상변조기;
    상기 제1 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제2 광원부에서 발생된 광신호를 받아 증폭하는 제1 광증폭기 및 상기 제2 광전위상변조기에 의해 주파수가 천이된 광신호와 제1 광원부에서 발생된 광신호를 받아 증폭하는 제2 광증폭기;
    상기 제1 광증폭기에 의해 증폭된 광신호를 테라헤르츠파로 발생시키는 광전변환기;
    상기 제2 광증폭기에서 입력된 광신호와 상기 광전변환기에 의해 발생한 테라헤르츠파를 혼합하여 전기적 신호로 변환하는 포토믹서;
    상기 제1 및 제2 광증폭기에서 보내진 광신호를 결합하여 전기 신호로 변환하는 광검출기; 및
    상기 광검출기를 통과한 전기 신호를 필터링하는 필터부를 포함하고,
    상기 광검출기를 통해 얻어진 전기 신호와 상기 포토믹서에서 얻어진 전기 신호를 비교하여 동일한 주파수를 갖는 위상 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광증폭기에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기 및 광전변환기로 분배되어 이동하며, 상기 제1 광증폭기와 상기 광검출기 사이에 형성된 광학경로와 상기 제1 광증폭기와 상기 광전변환기 사이에 형성된 광학경로는 동일한 유효 광학 지연시간을 가지도록 설정되는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 광증폭기에 의해 증폭된 광신호는 상기 광검출기 및 포토믹서로 분배되어 이동하며, 상기 제2 광증폭기와 상기 광검출기 사이에 형성된 광학경로와 상기 제2 광증폭기와 상기 포토믹서 사이에 형성된 광학경로는 동일한 유효 광학 지연시간을 가지도록 설정되는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광검출기에 연결된 필터부는 고역통과필터(High pass filter)를 포함하며, 상기 고역통과필터는 상기 광검출기에서 전달된 전기 신호 중에서 직류성분의 신호를 제거하는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 고역통과필터와 연결되는 전기적 혼합기를 포함하며, 상기 전기적 혼합기는 상기 고역통과필터에서 여과된 신호를 스퀘어(square) 연산하는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 전기적 혼합기와 연결되는 대역통과필터(Band pass filter)를 포함하며, 상기 대역통과필터는 상기 전기적 혼합기의 출력 전기 신호에서 직류 및 고주파 성분의 신호를 제거하여 상기 포토믹서 출력 전기 신호에 포함되는 상대적으로 낮은 주파수를 갖는 신호만을 통과시키는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 포토믹서와 연결되는 전치증폭기를 포함하며, 상기 전치증폭기는 포토믹서의 출력 전기 신호를 증폭하는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전치 증폭기 및 대역통과필터와 연결되는 록인 증폭기(Lock-in amp)를 포함하며, 상기 록인 증폭기는 상기 전치증폭기를 통해 전달된 전기 신호와 상기 광검출기와 대역통과필터를 통해 전달된 전기 신호의 위상잡음을 수학적으로 감산하여 제거하는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전치 증폭기에서 전달된 전기 신호와 상기 대역통과필터에서 여과된 전기 신호는 서로 동일한 주파수 및 위상잡음을 가지도록 광학선로의 길이가 설정되는 연속파 테라헤르츠 발생 및 검출 장치.
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