JP5096543B2 - テラヘルツ波装置 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波装置（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）に関し、より詳細的には、波長が可変させるテラヘルツ波装置に関する。

テラヘルツ波帯域（０．１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ）は、非金属及び無極性物質を透過する特性を有することができる。また、非常に多様な分子等の共振周波数がテラヘルツ波帯域に分布し、その分子を非破壊、未開封、未接触方法にリアルタイムで識別することによって、医療、医学、農業食品、環境計測、バイオ、先端材料評価などで、今までなかった新概念の分析機術の提供が可能なことと予測されている。したがって、テラヘルツ波は、非常に多様な応用の拡大が急速に進行されている。テラヘルツ波は、数ｍｅＶ水準の非常に低いエネルギーとして人体に影響がほとんどないし、人間中心のユビキタス社会実現の必須核心技術として需要が急激に増加しているが、リアルタイム、ポータブル、低価格などを同時に満足すべき技術が開発されずにいる実情である。

現在まで活用されているテラヘルツ波生成方法には、周波数倍加法（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）、逆進行波発振器（Ｂａｃｋｗａｒｄ ｗａｖｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、フォトミキシング（Ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ）方法、ＣＯ_２ポンプ型ガスレーザー（ ＣＯ_２ ｐｕｍｐｅｄ ｇａｓ ｌａｓｅｒ）、量子カスケードレーザー（Ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ）、自由電子レーザー（Ｆｒｅｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｌａｓｅｒ）等非常に多様な技術などがある。Ｔｈｚギャップ領域とする０．１〜１０Ｔｈｚ周波数帯域で動作する波源（ｗａｖｅ ｓｏｕｒｃｅ）の開発に多くの研究が進行されているが、常用化に必須的な超小型、非冷却、高出力条件を備える適切な波源技術が今までは成熟していない状況である。また、広い周波数帯域で迅速的にテラヘルツ波を可変させることができる技術がなかった。広い周波数帯域で迅速的にテラヘルツ波を可変させると、リアルタイムでテラヘルツ波帯域での様々な物理的現状をモニターリングすることが可能である。

最近まで１番広範囲に使われたテラヘルツ波装置は、フェムト秒レベル超短パルスレーザー（ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌｅｖｅｌ ｕｌｔｒａ−ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ）を超高速の応答速度を有する半導体基盤光伝導アンテナ（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ）に照射させ、Ｔｈｚ波を発生、検出するＴＤＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置である。フェムト秒レベル超短パルスレーザー及び光伝導アンテナに構成されたテラヘルツ波装置は、高い信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を提供する等の長所があるが、フェムト秒レベル超短パルスレーザー及び大変精巧な光学系を必需的に要求し、価格と大きさ方面でポータブル概念の計測器として発展するのには多くの制限がある。

韓国特許１０−２００９−００４９１５９号公報

本発明の目的は、連続的に可変するテラヘルツ波を発生、検出できるテラヘルツ波装置を提供することである。

本発明の実施形態によるテラヘルツ波装置は、固定された第１波長を有する第１レーザー光を発振する波長固定レーザーと、可変する第２波長を有する第２レーザー光を発振する波長スイープレーザーと、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を結合させるカプラーと、前記カプラーで放出された混合光をテラヘルツ波に変換する発生器と、を含み、前記テラヘルツ波の周波数が連続的に可変されるように構成される。

本発明の実施形態による前記発生器は、前記第１波長と前記第２波長との差異値に対応する周波数を有するテラヘルツ波を発生させることができる。

本発明の実施形態による前記波長スイープレーザーは、利得媒質及び前記利得媒質から放出された光を前記第２波長にフィルターリングする波長可変フィルターを含むことができる。

本発明の実施形態による前記利得媒質及び前記波長可変フィルターは、光繊維に結合され得る。

本発明の実施形態による前記利得媒質は、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含むことができる。

発明の実施形態による前記利得媒質は、希土類元素添加の光繊維を含むことができる。

本発明の実施形態による前記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）、またはイッテルビウム（Ｙｂ）の中、少なくとも何れが１つを含むことができる。

本発明の実施形態による前記波長可変フィルターは、光繊維ファブリ・ペロー可変フィルターを含むことができる。

本発明の実施形態による前記波長スイープレーザーは、前記ファブリ・ペロー可変フィルターにパルス形態で電圧を印加する高周波ドライバーをさらに含むことができる。

本発明の実施形態による前記ファブリ・ペロー可変フィルターは、前記印加される電圧によって連続的に前記第２波長を可変し、フィルターリングすることができる。

本発明の実施形態に従う前記波長スイープレーザーは、前記第２レーザー光を１方向に進行させる光アイソレータ光アイソレータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ）をさらに含むことができる。

本発明の実施形態による前記波長スイープレーザーは、一部を出力し、他の一部を前記利得媒質でフィードバックする出力光繊維結合器をさらに含むことができる。

本発明の実施形態によるテラヘルツ波装置は、前記発生器から放出され、サンプルを透過したテラヘルツ波を検出する検出器をさらに含むことができる。

本発明の実施形態によるテラヘルツ波装置は、前記高周波ドライバーで提供されている動期信号を利用してトリガーしながら前記検出器から検出信号を連続的に獲得するデータ獲得装置をさらに含むことができる。

本発明の実施形態によると、波長固定レーザーと波長スイープレーザーとを利用して高速に周波数を可変することができるテラヘルツ波を発生させ得る。テラヘルツ波の周波数可変速度は、前記波長スイープレーザーの波長走査速度に依存することができる。一方、検出器データ獲得装置を通して高速に周波数が可変されるテラヘルツ波の信号を獲得することによって、テラヘルツ波の高速分光が可能である。

一般的なＴＤＳ基盤のテラヘルツ光学装置を説明する図面である。 図１Ａの光学装置を利用して獲得したデータを示す図面である。 ２つのモードラックキングされたレーザー（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）を使用するテラヘルツ波装置を説明するための図面である。 本発明の実施形態によるテラヘルツ波を発生させるのに使われるテラヘルツ波装置を説明するための図面である。 本発明の実施形態による波長スイープレーザー３２０を具体的に説明するための図面である。 本発明の実施形態による波長スイープレーザーのフィルターリング動作を説明するためのグラプである。 本発明の実施形態によるテラヘルツ波を検出するためのテラヘルツ波装置を説明するための図面である。

以上の本発明の目的、他の目的、特徴及びこの長所は、添付された図面と関連される以下の望ましい実施形態を通じて容易に分かる。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化することができる。逆に、ここで紹介される実施形態は開示される内容が徹底し、完全になりえるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられることができるようにするために提供されるものである。明細書全体にかけて同一な参照番号で表示された部分は、同一な構成要素を示す。

本明細書の多様な実施形態で第１、第２、第３などの用語が多様な構成要素を記述するために使われたが、これらの構成要素らがこのような用語によって限定されてはならない。これらの用語は、但しどの構成要素を他の構成要素と区別させるために使われただけである。ここに説明され、例示される実施形態は、それの相補的な実施形態も含む。

本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのことであり本発明を制限しようとするのではない。本明細書での単数型は、文句で特に言及しない限り、複数型も含む。明細書で使われる‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）’、及び／又は‘含み（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）’は言及された構成要素は、１つ以上の他の構成要素の存在、または追加を排除しない。

図１Ａ及び図１Ｂは、一般的なＴＤＳ基盤のテラヘルツ光学装置を説明する図面である。図１Ｂは、図１Ａの光学装置を利用し、獲得したデータを示す図面である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、前記光学装置１０は、超短パルスレーザー１１０を利用してテラヘルツ波を発生及び／又は検出することができる。前記光学装置１０は、ＴＤＳ（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）システムで有り得る。前記光学装置１０は、フェムト秒レベルのゲート時間のみにデータを獲得するホモダイン（ｈｏｍｏｄｙｎｅ）検出法を活用して高い信号対雑音比 （ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を確保することができる長所がある。

前記超短パルスレーザー１１０の出力光は、第１ミラー１１２によって経路が変更され得る。前記第１ミラー１１２で反射された前記超短パルスレーザー１１０の出力光は、ビームスプリット（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＢＳ）１１４を使用して２つに分れることができる。１つの超短パルスは、第２ミラー１１６を通してテラヘルツ波発生器（ＴＨｚ Ｔｘ）１３０ａに入射させ、テラヘルツ波を発生させ得る。他の超短パルスは、適切な時間遅延を有してテラヘルツ波検出器（ＴＨｚ Ｄｘ）１３０ｂに入射してテラヘルツ波を時間の上でサンプリングするのに活用することができる。前記テラヘルツ波発生器１３０ａ及び前記テラヘルツ波検出器１３０ｂは、光伝導アンテナであり得る。前記時間遅延は、ＤＬ（ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）１１８を利用して隨行され得る。前記ＤＬ１１８の出力光は、第３ミラー１２２及び第４ミラー１２４を通じて前記テラヘルツ波検出器１３０ｂに提供されることができる。

前記テラヘルツ波発生器１３０ａで生成されたテラヘルツ波は、第１集束レンズ１４２を通して試料１４６に集束され得る。前記試料１４６を通過した前記テラヘルツ波は、第２集束レンズ１４４を通して前記テラヘルツ波検出器１３０ｂに入射することができる。前記テラヘルツ波発生器１３０ａ及び／又は前記テラヘルツ波検出器１３０ｂは、光伝導アンテナであり得る。

前記テラヘルツ波検出器１３０ｂは、時間遅延に依存する電気信号を発生させ得る。前記電気信号は、データ獲得装置１４８によって獲得され得る。前記データ獲得装置１４８は高速Ａ／Ｄ変換器、または高速オシロスコープで有り得る。

図１Ｂを参照すると、前記時間遅延による電気信号は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）変換され、テラヘルツ波のスペクトルを提供することができる。

ＴＤＳ基盤テラヘルツ波を発生及び検出する光学装置は、フェムト秒級の超短パルスレーザーを半導体に照射させて生成されたキャリアの加速による電磁気波の発生で比較的に容易にテラヘルツ波を発生させ得る。前記ＴＤＳ基盤テラヘルツ波を発生及び検出する光学装置は、フェムト秒級のゲート時間をホモダイン検出法を活用して高いＳＮＲを確保することができる長所があるので、研究用として多く活用されて来る。発振波長８００ｎｍ帯域のフェムト秒級の超短パルスレーザーを２つに分け、１つの超短パルスは、テラヘルツ波発生器（ＴＨｚ Ｔｘ）に入射させてテラヘルツ波発生に使用し、他の１つの超短パルスは、適切な時間遅延を有してテラヘルツ波検出器（ＴＨｚ Ｄｘ）に入射される。データ獲得装置は、遅延時間に依存するデータをテラヘルツ波検出器から獲得し、これをＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）変換してテラヘルツ波のスペクトルを確保することができる。テラヘルツ波の実際応用のためには、遅延時間に該当する情報を収集しなければならないし、前記情報をＦＦＴすることでデータ処理に時間遅延を避けられなくてシステムの大きさ、高価格を除いてもリアルタイム概念のテラヘルツ波源開発には制限的である。

前記ＴＤＳ基盤のテラヘルツ波源生成及び検出システムの短所を克服し、分子指紋（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ）分析を通じる有害物質検出、新素材特性測定、農水産物の新鮮度測定などの非常に多様な領域で順次的に需要が増加することと予測される周波数ドメイン（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤ）基盤テラヘルツ波源が要求される。

図２は、２つのモードラックキングされたレーザー（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）を使用する一般的なＦＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ）基盤のテラヘルツ波発生装置を説明するための図面である。

図２を参照すると、レーザーダイオード２２０、２５０の一方が無反射コーティングされ、格子（ｇｒａｔｉｎｇ）２１０、２４０を利用して波長を可変させることができる。前記レーザーダイオード２２０、２５０は、他の２つの波長λ_１、λ_２を有するレーザーを発振させる。図２のテラヘルツ波発生装置２００は、高出力の各々の異なる波長λ_１、λ_２を有する２つのレーザー超高速応答速度を有するフォトミキサー（ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒ）２７０に照射させ、テラヘルツ波を生成させる。

前記フォトミキサー２７０を利用した波長可変連続発振テラヘルツ波発生のために、２つの独立的な光源が必須である。前記光源は、高出力の波長可変レーザーであり得る。前記波長可変レーザー間の発振周波数差は、テラヘルツ波の周波数に対応され得る。相異なる発振波長の特性は、テラヘルツ波のノイズ特性に直接的な影響を及ぼすことができる。

前記フォトミキサー２７０は、下記のような変換効率（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を有することができる。

ここで、Ｐ_１、Ｐ_２は、各々の異なる波長を有する２つのレーザー等の光出力、Ｐ_０は、平均光出力であり、Ｉ_０は、ＤＣ光電流（ｄｃ ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ）であり、Ｒ_Ａは、アンテナの放射抵抗であり、ｃは、フォトミキサーの静電容量であり、τは、フォトミキサーのキャリアライフタイム（ｃａｒｒｉｅｒ ｌｉｆｅｔｉｍｅ）であり、ｍは、２つの波長の混合比率である。

高効率のテラヘルツ波を発生させるためには、フォトミキサー２７０の変換効率に影響を及ぼす変数を調節しなければならない。前記フォトミキサー２７０の変換効率は、フォトミキサーの高い応答速度、または短いキャリアライフタイム、アンテナの放射抵抗及び２つの波長の混合比率などに影響を受けることができる。

フォトミックス法を活用したテラヘルツ波発生及び検出システムで、１．５μｍ、１．３μｍ帯域の勵起光源を活用しようとする方案が提案されている。その理由は、超小型モジュール化技術、超高速信号処理技術など大部分の核心技術が開発され、比較的に容易に活用が可能であり、また１．５μｍ、１．３μｍ帯域で光増幅器が開発され、短波長に比べて長波長で高い変換効率を表すからである。

テラヘルツ波の周波数ｆと２つのレーザーとの波長差Δλは、ｆ＝ｃΔλ／λ^２関係を有する。２つのレーザーの波長特性がテラヘルツ波の発生に直接的な影響を及ぼすことができる。例示的に、λ^２でλは、一般的に１５５０ｎｍ帯域で定まるので１５５０ｎｍで平均的に決定されることができる。発振波長λ_１及びλ_２に該当する周波数ｆ_１＝ｃ／λ_１、ｆ_２＝ｃ／λ_２の差異によって、テラヘルツ波の周波数ｆが決定されることができる。すなわち、勵起レーザーの波長可変特性が非常に重要になる。１ＴＨｚ周波数を可変させるためには１．５μｍの波長領域で約８ｎｍ、１．３μｍ波長領域で約６ｎｍの２つのモードとの間に波長間隔Δλを可変させることができる波長可変レーザーの開発が必要である。光帯域波長可変特性と共に非常に狭い発振波長線幅を提供することができるレーザー技術が必須である。

図３は、本発明の実施形態のよるテラヘルツ波を発生させることに使われるテラヘルツ波装置を説明するための図面である。

図３を参照すると、本発明の実施形態によるテラヘルツ波装置３００は、波長固定レーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｆｉｘｅｄ ｌａｓｅｒ）３１０、波長スイープレーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｗｅｐｔ ｌａｓｅｒ）３２０、高周波ドライバー３２５、カプラー（ｃｏｕｐｌｅｒ）３３０、発生器３４０及び直流電圧器３４５を含む。前記発生器３４０は、フォトミキサー（ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒ）であり得る。

前記波長固定レーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｆｉｘｅｄ ｌａｓｅｒ）３１０は、固定された第１波長を有する第１レーザー光を発振する。前記波長固定レーザー３１０は、レーザー光源及び共振器を含むことができる。前記共振器は、ブラッググレーティング（ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を有することが可能であり、ブラッググレーティング（ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）は、特定波長の光を選択的に反射することができる。前記ブラッググレーティングは、第１波長λ_１を有する第１レーザー光を共振させることができる。前記波長固定レーザー３１０は、モードラックキングされたレーザ（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）であり得る。これによって、前記第１レーザー光は、ラックキングされたレーザー光であり得リ、マスタモード（ｍａｓｔｅｒ ｍｏｄｅ）以外のスラブモード（ｓｌａｖｅ ｍｏｄｅ）は、減殺され、狭い帯域のスペクトルを有することができる。すなわち、前記第１波長は、前記マスタモードの波長として定まれる。このような狭い帯域のスペクトルを有する前記第１レーザー光は、テラヘルツ波の生成に参与することができる。

前記波長スイープレーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｗｅｐｔ ｌａｓｅｒ）３２０は、可変する第２波長λ_２を有する第２レーザー光を発振する。前記波長スイープレーザー３２０は、連続的に波長をスイープ（ｓｗｅｅｐ）、またはスキャン（ｓｃａｎ）することができるレーザーである。前記高周波ドライバー（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｒｉｖｅｒ）３２５は、一定の波形（ｗａｖｅｆｏｒｍ）を発生させ、パルス形態の電圧Ｖを印加することができる。前記波長スイープレーザー３２０は、高周波ドライバー（または関数発生器）３２５によって前記第２波長λ_２をスイープすることができる。

前記波長スイープレーザー３２０は、フィルターリング方式によって２種類に区分され得る。１つは、後フィルターリング（ｐｏｓｔ−ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）であり、他の１つは、共振器可変フィルターリング（ｃａｖｉｔｙ ｔｕｎｉｎｇ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）である。後フィルターリングは、光帯域光源出力端に波長可変フィルターを挿入してフィルターリングする方式であり、利得媒質に出力の一部をフィードバック（ｆｅｅｄ ｂａｃｋ）しないため、フィルターによる光源の損失（ｌｏｓｓ）が大きいので、光出力パワー（ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ）が小さいとなる短所がある。反面、共振器可変フィルターリングは、フィルターをレーザー共振器内に挿入してフィルターリングし、出力の一部をまたフィードバックする方式である。共振器可変フィルターリングを利用する波長スイープレーザーは、図４を参照し、下で詳細に説明される。

前記カプラー（ｃｏｕｐｌｅｒ）３３０は、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを結合させる。前記カプラー３３０は、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを混合させ、混合光を放出することができる。前記発生器３４０、例えば、フォトミキサー（ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒ）は、前記カプラー３３０で放出された混合光をテラヘルツ波に変換する。前記発生器３４０がフォトミキサーである場合、前記発生器３４０は、光伝導体（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及びアンテナ（ａｎｔｅｎｎａ）を含むことができる。前記光伝導体は、混合光を光電流に変換し、光電流が前記アンテナを通してテラヘルツ波に複写され得る。前記発生器３４０は、直流電圧器３４５により電圧が印加された状態で混合光を受光することができる。

前記発生器３４０は、前記第１波長と前記第２波長との波長の差異値に対応する周波数を有するテラヘルツ波を発生させることができる。したがって、固定された第１波長と可変された第２波長とによって前記波長の差異値が変動され、これによって、テラヘルツ波の周波数が連続的に可変され得る。具体的に、前記フォトミキサー３４０は、前記第１波長と前記第２波長との差異値に対応する周波数を有するテラヘルツ波を発生させることができる。前記波長差異値を変化させる速度は、前記波長スイープレーザー３２０のスキャン（走査）速度に依存することができる。結局、テラヘルツ波の周波数可変速度は、前記波長スイープレーザー３２０の波長走査速度に依存することができる。前記走査速度は、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚであり得る。例えば、前記第１波長が１５３０ｎｍで、前記第２波長が１５３０ｎｍ〜１５６２ｎｍと、テラヘルツ波は、０〜４ＴＨｚまで４０ＫＨｚの速い速度で可変され得る。

図４は、本発明の実施形態による波長スイープレーザー３２０を具体的に説明するための図面である。

図４を参照すると、前記波長スイープレーザー３２０は、利得媒質３２１及び前記利得媒質３２１から放出された光を前記第２波長にフィルターリングする波長可変フィルター３２２を含むことができる。前記利得媒質３２１と前記波長可変フィルター３２２とは光繊維３２７に結合され得る。前記利得媒質３２１は、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含むことができる。前記半導体光増幅器は、１３００ｎｍ帯域で利得を有することができる。または前記利得媒質３２１は、希土類元素添加光繊維増幅器であり得る。例えば、前記利得媒質３２１はエリビウム添加光繊維増幅器（ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）であり得り、イッテルビウム（Ｙｂ）添加光繊維増幅器であり得る。

前記波長可変フィルター３２２は、光繊維ファブリ・ペロー可変フィルター（ｆｉｂｅｒ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ：ＦＦＰ−ＴＦ）であり得る。前記波長可変フィルター３２２と前記利得媒質３２１が光繊維に一体型に結合され、共振器の長さが短い波長スイープレーザー３２０が具現されることができる。反面、前記波長スイープレーザー３２０は、速い速度に回転できるポリゴンミラーと回折格子で構成されたポリゴン（ｐｏｌｙｇｏｎ）波長フィルターを利用し、具現されることができる。または、前記波長スイープレーザー３２０は、光繊維に配置された遅延線（ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）に光が共振器を巡回する時間を調節する技術を使用することができる。この場合、共振器を巡回する時間がフィルターのスイープ周期に倍数になると、フィルターリングされた波長成分は巡回した後、フィルターで同じ波長成分に通過して共振することができる。

前記利得媒質３２１と前記波長可変フィルター３２２との間に各々第１光アイソレータ光アイソレータ（ｉｓｏｌａｔｏｒ）３２３及び第２光アイソレータ３２４が配置される。前記第１光アイソレータ３２３及び第２光アイソレータ３２４は、レーザーを一方向だけに進行させる。すなわち、前記第１光アイソレータ３２３及び第２光アイソレータ３２４は、一方向だけにレーザーを通過させ、反対方向のレーザー光を遮ることができる。前記波長スイープレーザー３２０は、出力光繊維結合器（ｆｉｂｅｒ ｃｏｕｐｌｅｒ）３２６を通じて前記第２レーザー光を出力することができる。前記光繊維結合器３２６は、約７０％を前記利得媒質３２１でフィードバックさせ、約３０％は出力（ＯＵＴ）させることができる。前記出力された第２レーザー光は、サンプリングオシロスコープと光スペクトル分析器（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒ：ＯＳＡ）とを利用して測定し、分析されることができる。

前記波長スイープレーザー３２０は、上記で説明した共振器可変フィルターリング方式であり得る。前記共振器可変フィルターリング方式は、図４に示すように前記波長可変フィルター３２２をレーザー共振器の内に挿入し、所定の波長をフィルターリングすることができ、出力の一部をまた前記利得媒質３２１にフィードバックする方式である。前記光繊維ファブリ・ペロー可変フィルターは、圧電物質（例えば、ＰＺＴ）を含むことができる。前記圧電物質に印加される電圧Ｖを変化させると、フィルター空隙の間隔が調節され、フィルターリング波長が可変され得る。これによって、前記利得媒質３２１から得られた波長帯域で前記波長可変フィルター３２２から決まったウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）が移動しながらフィルターリングすることができる。

図５は、本発明の実施形態による波長スイープレーザーのフィルターリング動作を説明するためのグラプである。

図５を参照すると、前記波長スイープレーザー３２０が電圧の変化によって共振器の内で前記第２レーザーを発振することができる。前記波長可変フィルター３２２は、サイン関数である一定の周波数に変調すると、１週期の間にフィルターリングバンドパス（ｂａｎｄｐａｓｓ）波長に走査することができる。具体的に、電圧が増加する方向に対して短波長から長波長へ一定の波長範囲内で走査する（ｆｏｒｗａｒｄ ｓｃａｎ）反面、電圧が減少する方向に対して長波長から短波長へ一定の波長範囲内で走査することができる（ｂａｃｋｗａｒｄ ｓｃａｎ）。波長走査を２方向に対して全て使用する場合、有効走査周波数は、変調周波数の２倍になることができる。

前記波長可変フィルター３２２は、高周波ドライバー３２５によって印加される電圧Ｖによって一定の波長範囲から高速に走査することができる。前記波長走査の速度は、例えば、数ｋＨｚであり得る。前記波長可変フィルター３２２の波長走査範囲、またはフィルターウィンドウ（ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｎｄｏｗ）の移動によって、前記利得媒質３２１で得られた波長帯域で前記第２波長λ_２が定まれることができる。前記波長可変フィルター３２２は、前記第２波長をフィルターリングしながら、前記利得媒質３２１で得られた波長帯域で前記第２波長を増幅させることができる。

一般的に波長スイープレーザー３２０の最大波長走査周波数は、増幅自発放出（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）によってレーザーが形成される時定数（ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）に制限され、前記時定数は、フィルター特性、増幅自発放出のパワー、飽和出力、レーザー利得及びレーザー一周時間に依存する。前記共振器可変フィルターリング方式を利用する波長スイープレーザー３２０は、波長走査周波数の走査特性と関連する光飽和限界（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ）と一周限界（ｏｎｅ ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ ｌｉｍｉｔ）とを有する。走査周波数が低い場合、何れか１つの波長でフィルターリングされた光は、１周期あが戻る前にレーザー共振器の内を一回、またはこの以上一周させる。この場合、発振する時間は、レーザーの時定数より長くて、レーザーは、増幅自発放出から充分の光パワーを有し、この場合を光飽和限界と言える。一方、波長走査周波数がますます増加すると、何れか１つの波長でフィルターリングされた光は、レーザー共振器の内で留まる時間がますます短くなり、どの瞬間にレーザーの一周時間（ｏｎｅ ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ ｔｉｍｅ）と同一な周波数が存在する。この時、レーザー出力は、急激な減少が起きてこの場合を一周限界走査周波数（ｏｎｅ ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ ｌｉｍｉｔ ｓｗｅｅｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）という。このような２つの場合に走査速度の制限は、レーザーの利得媒質と共振器との特性によって変わることができる。

図６は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波を検出するためのテラヘルツ波装置を説明するための図面である。図６で説明される装置は図３で説明されたテラヘルツ波装置と類似し、重複する技術的特徴に対する詳細な説明は省略することにする。

図６を参照すると、本発明の実施形態によるテラヘルツ波装置４００は、波長固定レーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｆｉｘｅｄ ｌａｓｅｒ）４１０、波長スイープレーザー（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｗｅｐｔ ｌａｓｅｒ）４２０、高周波ドライバー４２５、カプラー（ｃｏｕｐｌｅｒ）４３０、発生器４４０、直流電圧器４４５、検出器４６０及びデータ獲得装置４７０を含む。前記発生器４４０は、フォトミキサー（ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒ）であり得る。

前記波長固定レーザー４１０は、固定された第１波長λ_１を有する第１レーザー光を発振する。前記波長固定レーザー４１０は、モード同期レーザ（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ）で有り得り、狭いスペクトルを有することができる。前記波長スイープレーザー４２０は、可変する第２波長λ_２を有する第２レーザー光を発振する。前記波長スイープレーザー４２０は、連続的に波長をスイープ（ｓｗｅｅｐ）、またはスキャン（ｓｃａｎ）するレーザーである。前記波長スイープレーザー４２０は、高周波ドライバー４２５でパルス形態に電圧Ｖを印加され、前記第２波長をフィルターリングすることができる。

前記カプラー４３０は、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを結合させる。即ち、前記カプラー４３０は、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光とを混合させて混合光を放出させ得る。前記カプラー４３０で放出された混合光をテラヘルツ波に変換する発生器４４０が提供される。前記発生器４４０は、フォトミキサー（ｐｈｏｔｏｍｉｘｅｒ）であり得る。前記発生器４４０がフォトミキサーである場合、前記発生器４４０は、光伝導体（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）及びアンテナ（ａｎｔｅｎｎａ）を含むことができる。前記発生器４４０は、直流電圧器４４５によって電圧が印加された状態で混合光を受光することができる。前記発生器４４０は、前記第１波長と前記第２波長との波長の差異値に対応する周波数を有するテラヘルツ波を発生させ得る。そして、固定された第１波長と可変される第２波長によって前記波長の差異値が連続的に変動され、これにより、テラヘルツ波の周波数が連続的に可変され得る。

前記発生器４４０で発生されたテラヘルツ波は、サンプル４５０に照射され、前記サンプル４５０を通過したテラヘルツ波は、前記検出器４６０により検出され得る。

前記データ獲得装置４７０は、前記高周波ドライバー４２５で提供される高周波同期信号を利用して、トリガー（ｔｒｉｇｇｅｒ）しながら検出器４６０から検出信号を連続的に、そして高速に獲得することができる。高速に周波数が可変されるテラヘルツ波を検出することができ、高速テラヘルツ波分光が可能である。前記データ獲得装置４７０は、ディジタイザー（ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ）であり得る。前記データ獲得装置４７０は、平均化を通して信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることができる。

本発明の実施形態によると、波長固定レーザーと波長スイープレーザーとを利用して高速に周波数を可変することができるテラヘルツ波を発生させ得る。テラヘルツ波の周波数可変速度は、前記波長スイープレーザーの波長走査速度に依存することができる。一方、高速に周波数が可変されるテラヘルツ波を検出することによって、高速のテラヘルツ波分光が可能である。

３１０ 波長固定レーザー
３２０ 波長スイープレーザー
３３０ カプラー
３４０ フォトミキサー
３２１ 利得媒質
３２２ 波長可変フィルター
３２７ 光繊維
３２３ 第１光アイソレータ
３２４ 第２光アイソレータ
３２６ 光繊維結合器

Claims (13)

1. 固定された第１波長を有する第１レーザー光を発振する波長固定レーザーと、
   可変する第２波長を有する第２レーザー光を発振する波長スイープレーザーと、
   前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を結合させるカプラーと、
   前記カプラーで放出された混合光をテラヘルツ波に変換する発生器と、を含み、
   前記テラヘルツ波の周波数が連続的に可変になるように構成され、
   前記波長スイープレーザーは利得媒質及び前記利得媒質から放出された光を前記第２波長にフィルターリングする波長可変フィルターを含み、前記波長可変フィルターは印加される電圧の増加に応じてフィルターリングする前記第２波長を短波長から長波長に可変し、前記波長可変フィルターに一定の変調周波数を有するサイン関数による電圧を印加し、短波長から長波長への走査及び長波長から短波長への２方向への走査を全て使用することにより有効走査周波数を前記変調周波数の２倍にすることを特徴とするテラヘルツ波装置。
2. 前記発生器は、前記第１波長と前記第２波長との差異値に対応する周波数を有するテラヘルツ波を発生させることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
3. 前記利得媒質及び前記波長可変フィルターは、光繊維に結合されることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
4. 前記利得媒質は、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
5. 前記利得媒質は、希土類元素添加の光繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載のテ
   ラヘルツ波装置。
6. 前記希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）、またはイッテルビウム（Ｙｂ）の中で、少なくとも何れか１つを含むことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波装置。
7. 前記波長可変フィルターは、光繊維のファブリ・ペロー可変フィルターを含むことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波装置。
8. 前記波長スイープレーザーは、前記ファブリ・ペロー可変フィルターにパルス形態で電圧を印加する高周波ドライバーをさらに含むことを特徴とする請求項７記載のテラヘルツ波装置。
9. 前記ファブリ・ペロー可変フィルターは、前記印加される電圧によって連続的に前記第２波長を可変してフィルターリングすることを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波装置。
10. 前記波長スイープレーザーは、前記第２レーザー光を１方向に進行させる光アイソレータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
11. 前記波長スイープレーザーは、一部を出力し、他の一部を前記利得媒質にフィードバックする出力光繊維結合器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
12. 前記発生器から放出され、サンプルを透過したテラヘルツ波を検出する検出器をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波装置。
13. 前記高周波ドライバーで提供される同期信号を利用してトリガーしながら前記検出器から検出信号を連続的に獲得するデータ獲得装置をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のテラヘルツ波装置。

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