KR100516780B1 - Ultrafast Tera Herz Electromagnetic Emitters Using ZnxCd1-xTe Crystal. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 테라헤르쯔(Tera-hertz ; THz) 전자파의 에미터로 단일축 유전단결정(KDP 및 LiNbO3)등이나 반도체 GaAs 또는 저온 초전도체를 대치하는 ZnxCd1-x Te계 단결정에서 아연-텔레늄(ZnTe)과 카드늄-텔레늄(CdTe)의 혼합비(x)가 0.75과 같거나 크고 1.0과 같거나 작은 혼합비 (0.75≤x≤1.0)를 갖는 아연-카드늄-텔레늄계 단결정(ZnxCd1-xTe single crystal)을 이용한 전자파의 상온 에미터에 관한 것이다.The present invention relates to zinc-telephony in Zn x Cd 1-x Te-based single crystals, which replace single-axis dielectric single crystals (KDP and LiNbO 3 ), or semiconductor GaAs, or low-temperature superconductors, as emitters of terahertz (THz) electromagnetic waves Zinc-Cadmium-Telenium single crystal (Zn x Cd 1 ) with a mixing ratio x of ZnTe and cadmium-telenium (CdTe) equal to or greater than 0.75 and greater than or equal to 1.0 (0.75 ≦ x ≦ 1.0) It relates to a room temperature emitter of electromagnetic waves using -x Te single crystal.
본 발명에 따르면, 테라헤르쯔 전자파의 아연-카드늄-텔레늄 단결정 에미터 소자는 종전의 단일축 유전단결정 소자나 반도체 GaAs 또는 저온 초전도체가 복잡한 신호파형의 테라헤르쯔 신호를 제공한데 비하여 약 1피코초(1 pico second) 내의 단일 샷 신호(single shot signal)를 발진할 수 있어 초고속 소자로 동작할 뿐만 아니라, 이 신호가 DC에서 수 테라헤르쯔 정도의 초광역 신호밴드를 갖고, 신호대 잡음비가 105이상인 초강력 테라헤르쯔 전자파를 발진 할 수 있는 특성을 제공하는 이점이 있다.According to the present invention, the terahertz electromagnetic wave zinc-cadmium-telenium single crystal emitter device is about 1 picosecond (compared to the conventional single-axis dielectric single crystal device, semiconductor GaAs or low temperature superconductor, which provides a complex signal waveform terahertz signal). It can oscillate a single shot signal within 1 pico second, which not only acts as a high-speed device, but it also has a super wide signal band from DC to a few terahertz, and has a signal-to-noise ratio of 10 5 or more. There is an advantage of providing a characteristic capable of oscillating terahertz electromagnetic waves.
Description
본 발명은 테라헤르쯔 영역의 전자파를 발진시키는 에미터에 관한것으로, 더욱 상세하게는, 아연-카드늄-텔레늄(ZnxCd1-xTe) 단결정계에서 혼합비 x가 0.75보다 크거나 같고 1.0보다 작거나 같은 (0.75≤x≤1.0)영역의 아연-카드늄-텔레늄계 단결정을 이용한 초고속 테라헤르쯔 전자파 에미터에 관한 것이다. 종래에는 다이폴 안테나를 이용한 마이크로 영역 전자파를 발진시켰을 뿐, 테라헤르쯔 영역의 전파는 발진시키지 못한 것을, 1990년도 이후에 pulse폭이 펨토(10-15초)초인 강력한 순간출력의 레이저가 만들어짐에 따라 연구가 진전되, 테라헤르쯔 에미터로 사용되는 단일축 유전결정(KDP 및 LiNbO3등)이나 반도체 GaAs 또는 저온 초전도체등을 이용한 테라헤르쯔 전자파 발진에 대한 연구가 진행되고 있다.The present invention relates to an emitter for oscillating electromagnetic waves in the terahertz region, and more particularly, the mixing ratio x is greater than or equal to 0.75 and greater than 1.0 in a zinc-cadnium-telenium (Zn x Cd 1-x Te) single crystal system. A super fast terahertz electromagnetic wave emitter using a zinc-cadnium-telenium-based single crystal having a small or equal (0.75≤x≤1.0) region. Conventionally, only the micro-domain electromagnetic wave is generated using a dipole antenna, but the radio wave in the terahertz region cannot be oscillated. As a result, a powerful instantaneous laser having a pulse width of femto (10 -15 seconds) since 1990 has been created. Research is progressing on the generation of terahertz electromagnetic waves using single-axis dielectric crystals (KDP and LiNbO 3, etc.) used as terahertz emitters, semiconductor GaAs, or low-temperature superconductors.
도 1은 테라헤르쯔 전자파 대역을 전체 전자파 스펙트럼에서 나타내는 그림이다. 그림에서 나타낸바와 같이 원적외선과 마이크로파의 중간영역으로 1테라헤르쯔의 에너지는 4.1meV에 대응하며, 이것은 고체분자 진동에너지 범위에 속하는 것으로, 이 파의 스펙트럼을 이용하여 분자구조를 규명하는데 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 물질을 투과하는 파영역에 해당하여 현재 X-선 투시기를 대치하는 방사능 위험이 전혀 없는 테라헤르쯔 투시기를 만들 수 있는 등, 그 용도가 너무나 많다고 본다. 또한 1피코초의 단일 샷의 신호 방출이 가능하므로 초당 테라바이트의 신호처리가 가능하며, 현재는 비행물체의 속도 및 방향만을 감지할 수 있는 레이더의 전파(마이크로파)보다 1/100∼1/1000의 파장을 가진 테라헤르쯔 전자파를 이용하면 비행물체를 식별할 수 있는(즉 비행기인지 유도탄인지) 레이더를 제작할 수 있는 등, 그 발전가능성이 너무나도 크다고 볼 수 있다. 1 is a diagram showing a terahertz electromagnetic band in the entire electromagnetic spectrum. As shown in the figure, 1 terahertz energy corresponds to 4.1 meV, which is the intermediate region between far-infrared and microwave, and it belongs to the range of solid molecular vibration energy, which can be used to identify the molecular structure using the spectrum of this wave. Rather, there are so many uses, such as creating terahertz spectroscopy, which corresponds to the wave region that penetrates the material, and thus there is no radiation risk to replace the current x-ray spectroscopy. In addition, a single shot of 1 picosecond signal can be emitted, enabling terabytes of signal processing per second.At present, 1/100 to 1/1000 of the radar wave (microwave) can detect only the speed and direction of a flying object. The use of terahertz electromagnetic waves with wavelengths makes it possible to create radars that can identify flying objects (ie, planes or guided missiles).
본원 발명의 테라헤르쯔 전자파의 에미터와 관련된 종래기술로는 Prior art related to the emitter of the terahertz electromagnetic wave of the present invention
미합중국 특허출원 6,320,191호, "A dispersive precompensator for use in an electromagnetic radiation generation and detection system"에서는, optical fiber에 pulse 신호를 전송하는데, precompensator를 활용하는 방법 및 photo-conductive element(바이어스 전압인가)를 이용해서 테라헤르쯔 전자파를 방출하는 기술의 내용이 기재되어 있으며, In U.S. Patent Application No. 6,320,191, "A dispersive precompensator for use in an electromagnetic radiation generation and detection system", a pulse signal is transmitted to an optical fiber by using a precompensator and a photo-conductive element. The technology of emitting terahertz electromagnetic waves is described,
미합중국 특허출원 5,420,595호, "Microwave radiation source"에서는, 좁은간격의 전극을 photo-conductor에 설치하여 바이어스 전압을 인가한 상태에 펨토초 레이져 빔을 전극에 쪼여서, 테라헤르쯔 전자파를 발진시키는 기술의 내용이 기재되어 있으며, In U.S. Patent Application No. 5,420,595, "Microwave radiation source," a technique for oscillating terahertz electromagnetic waves by installing a narrow-gap electrode in a photo-conductor and applying a femtosecond laser beam to the electrode while applying a bias voltage is disclosed. Listed,
미합중국 특허출원 5.729,017호, "Terahertz generator and detectors" 에서는, photo-conductor에 좁은 간격의 여러형태의 전극을 넣고 optical pumping beam을 조사하여 테레헤르쯔 전자파를 발진시키고, 같은 방식으로 신호를 검출시킨 기술의 내용이 기재되어 있으며, In U.S. Patent Application No. 5.729,017, "Terahertz generator and detectors", a technique in which a terahertz electromagnetic wave is generated by irradiating an optical pumping beam by inserting various types of electrodes with narrow intervals into a photo-conductor and detecting a signal in the same manner The contents of the
미합중죽 특허출원 5,710,430호, "Method and apparatus for terahertz imaging"에서는, 테라헤르쯔 전자파를 이용한 영상을 얻는 기술에 관한 내용이 기재되어 있으며, US Patent Application No. 5,710,430, "Method and apparatus for terahertz imaging," describes a technique for obtaining an image using terahertz electromagnetic waves,
미합중국 특허출원 "5,689,361호, "Apparatus and method for femtosecond pluse compression based on selective attenuation of a portion of an input power spectrum" 에서는, 테라헤르쯔 전자파의 펄스를 compressing(즉 input pulse 보다 output pulse의 시간폭이 짧게)하는 기술에 관한 내용이 기재되어 있다. In U.S. Patent Application No. 5,689,361, "Apparatus and method for femtosecond pluse compression based on selective attenuation of a portion of an input power spectrum", compressing pulses of terahertz electromagnetic waves (i.e. shorter duration of output pulses than input pulses). The description regarding the technique to be described is described.
이들 관련 특허출원들은 GaAs나 Si등의 photo-conductor용 소자에 좁은 전극을 설치하고, 이 전극에 100V이상의 고압을 건후, 강한 pumping beam을 쪼여서, 테라헤르쯔 전자파를 방출시키는 에미터에 관한 것으로, 본 출원의 테라헤르쯔 발진 방식인 에미터의 경우, 무전극(바이어스 전압이 없는 상태)의 ZnxCd1-xTe의 유전단결정의 (110)면에 펨토초의 강한 레이저 pulse을 쪼여서 테라헤르쯔 전자파를 발진시키는, 즉 유전단결정의 분극(polarization)에 관련된 전기-광학특성을 활용한 테라헤르쯔 전자파발진 방식과는 근본적으로 차이가 나며, 특히 위의 기존 특허에서는 발진신호의 시간분해능 및 신호대 잡음비의 특성 등이 정확히 규정되지 않고 특히 파형이 복잡한 파를 이루는데 비하여, 본 발진방식은 전술한바와 같이 1피코초 미만(최저 28펨토초)의 단일 샷 신호를 얻을 수 있고 105이상의 신호대 잡음비의 특성을 갖는 등 본원의 ZnxCd1-xTe(0.75≤x≤1.0)의 테라헤르쯔 전자파 에미터의 소자물질 및 발진방식자체와 고도의 광학적 특성에 있어 상이함은 물론 초고속 광대역 통신을 요구하는 시대적 흐름에 효과적으로 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.These related patent applications relate to an emitter that emits terahertz electromagnetic waves by installing a narrow electrode on a photo-conductor element such as GaAs or Si, applying a high voltage of 100V or more to this electrode, and then splitting a strong pumping beam. In the case of the emitter of the terahertz oscillation method of the present application, a terahertz electromagnetic wave is generated by applying a strong femtosecond laser pulse to the (110) plane of the dielectric single crystal of Zn x Cd 1-x Te of an electrodeless state (without a bias voltage). It is fundamentally different from the terahertz electromagnetic wave oscillation method which utilizes the electro-optical characteristics related to the polarization of the dielectric single crystal, and the characteristics of the time resolution of the oscillation signal and the signal-to-noise ratio of the oscillation signal in particular. The oscillation method uses a single shot signal of less than 1 picosecond (at least 28 femtoseconds) as described above, while the back is not precisely defined and in particular the waveform is complex. Such different materials in the terahertz device and the oscillating system of the optical characteristics and its high level of an electromagnetic wave emitters of the present application of Zn x Cd 1-x Te ( 0.75≤x≤1.0) and can have the attributes of the signal to noise ratio at least 10 5 obtained Of course, there was a problem that does not effectively satisfy the current trend that requires high-speed broadband communications.
따라서 본 발명은 이와 같은 문제점을 극복하기 위한 것으로 본원의 에미터는 신호대 잡음의 비가 105이상이며 , 완전한 단일 샷의 파형을 유지할 수 있는 등, 종래의 에미터 소자에 의해 형성된 테라헤르쯔파의 광학적 특성에 비하여 초고속, 초광역 밴드, 초고강도의 우수한 광학적 특성을 제공하는 아연-카드늄-텔레늄 혼합 단결정을 이용한 테라헤르쯔 전자파 발진용 에미터를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is to overcome this problem, the emitter of the present application has a signal-to-noise ratio of 10 5 or more, it is possible to maintain the waveform of a complete single shot, the optical characteristics of the terahertz wave formed by conventional emitter elements Compared to this, the object of the present invention is to provide an emitter for terahertz electromagnetic wave oscillation using a zinc-cadnium-telenium mixed single crystal that provides excellent optical properties of ultrafast, ultra-wide band, and ultra high intensity.
이와같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 에미터는 지금까지 사용되어 오던 광전도형 안테나, 또는 단일축 유전체결정 LiNbO3등의 페로브스카이트(perovskite)형 결정구조 산화물 소재단결정, 반도체 GaAs 단결정 또는 저온 초전도체를 대체하는, 아연-카드늄-텔레늄(ZnxCd1-xTe) 단결정을 이용하며, ZnTe와 CdTe의 혼합비 x에 따른 단결정을 x=0.75∼1.00까지 변화시키면서 각각의 단결정을 성장시켜 테라헤르쯔 에미터를 제작함으로써, 테라헤르쯔 전자파의 에미터로 이용할 시에 약1피코초(1pico second) 이내의 시간 분해능을 갖는 초고속 신호를 발진시킬 뿐만 아니라, DC에서 수테라헤르쯔에 이르는 초광역 주파수밴드를 가지며, 신호대 잡음비가 약 105이상인 초고강도 테라헤르쯔 전자파를 발진시키는, 우수한 광학적 특성을 제공하는 것이 특징이다.In order to achieve the above object, the emitter according to the present invention is a photoconductive antenna which has been used so far, or a perovskite crystal structure oxide material single crystal such as single-axis dielectric crystal LiNbO 3 , semiconductor GaAs single crystal or low temperature. Zinc-cadnium-telenium (Zn x Cd 1-x Te) single crystal is used to replace the superconductor, and each single crystal is grown by changing the single crystal according to the mixing ratio x of ZnTe and CdTe to x = 0.75 ~ 1.00 By manufacturing the hertz emitter, when used as an emitter of terahertz electromagnetic waves, it not only oscillates an ultra-fast signal having a time resolution of about 1 picosecond, but also an ultra-wide frequency band from DC to several terahertz. It is characterized by providing excellent optical characteristics, which oscillate ultra-high intensity terahertz electromagnetic waves having a signal-to-noise ratio of about 10 5 or more.
이하 본 발명에 따른 아연-카드늄-텔레늄계 단결정을 이용한 테라헤르쯔 전자파의 에미터에 관한 이해를 도모하기 위하여 ZnxCd1-xTe 단결정계 시료의 제작 및 제작된 시료의 에너지 band gap edge, 트랜스버스 음향자(TO phonon), 에미터용 소자제작 및 테라헤르쯔 신호발진 등 순차적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to understand the emitter of the terahertz electromagnetic wave using the zinc-cadnium-telenium single crystal according to the present invention, Zn x Cd 1-x Te single crystal sample was prepared and the energy band gap edge, trans Bus phonons (TO phonon), device manufacturing for emitters and terahertz signal oscillation will be described sequentially.
우선 단결정 성장 및 단결정의 기본특성에 관하여 설명하면 다음과 같다. 단결정 성장은 ZnxCd1-xTe 단결정계를 ZnTe 및 CdTe 혼합비 x에 따라 구간 0.75∼1.00까지 변화시키며 향상된 단결정 성장법에 따라 브리지만(Bridgman)법으로 성장시킨다. 성장된 이들 결정은 모두 징크블랜드(Zincblend) 구조를 갖고 있다.First, the single crystal growth and the basic characteristics of the single crystal will be described. Single crystal growth is changed from Zn x Cd 1-x Te single crystal system to the interval 0.75 ~ 1.00 according to the ZnTe and CdTe mixing ratio x and grown by the Bridgman method according to the improved single crystal growth method. All of these grown crystals have a zincblend structure.
도 2는 ZnxCd1-xTe 단결정계 혼합비 x에 따른 에너지 밴드 에지 변화를 광투율 측정에서 구하여 표시한 그래프이고, 도 3은 20K에서 광루미늬센스를 측정한 그래프로 트랜스버스 옵티칼 음향자(Trensverse Optical Phonon)의 반복곡선이 잘 나타나있다. 원리적으로 이 음향자의 진동과 레이저 광의 펄스 사이의 커플링(coupling)으로 인하여 테라헤르쯔파 발진이 잘 이루어진 것으로 본 연구실에서는 파악하고 있다.2 is a graph showing the energy band edge change according to the Zn x Cd 1-x Te single crystal system mixing ratio x obtained by measuring the light transmittance, and FIG. 3 is a graph measuring the photoluminescence at 20K. The repetition curve of (Trensverse Optical Phonon) is shown well. In principle, it is known that the terahertz wave oscillation is well performed due to the coupling between the vibration of the sounder and the pulse of laser light.
다음 에미터 제작을 설명하면, 우선 에미터를 제작하기 위하여 ZnxCd1-xTe 혼합 단결정을 (110)면을 따라 면도날로 1∼2㎜ 이상의 두께로 벽개(劈開)하여 양면이 완전히 평행을 이루면서 각각의 면이 플랫미러 표면(plat mirror surface)과 같이 되도록 폴리싱 기계(polishing machine)로 가공하면 바로 테라헤르쯔 전자파의 에미터 소자가 된다.In the following description of emitter fabrication, first, the Zn x Cd 1-x Te mixed single crystal was cleaved along the (110) plane with a razor blade at a thickness of 1 to 2 mm or more so that both sides were completely parallel. In turn, each surface is processed by a polishing machine such that it is like a flat mirror surface, which is an emitter element of terahertz electromagnetic waves.
이어서 테라헤르쯔 전자파 신호발진 과정을 설명하면 다음과 같다. Next, the terahertz electromagnetic signal oscillation process will be described.
도 4는 신호발진 및 전파와 이 신호의 검출을 설명하는 즉 신호 샘플링시스템을 표시하는 전체 구성도이다. Fig. 4 is an overall configuration diagram illustrating signal oscillation and propagation and detection of this signal, i.e., indicating a signal sampling system.
도 5는 본 발명에 따르는 주 도면으로, 테라헤르쯔 신호 발진 장치이다. 5 is a terahertz signal oscillation device in accordance with the present invention.
도 5에서 알 수 있듯이 펨토 초 레이저의 광(1)은 빔 분리기(2)를 통하여 평균 파워 100㎼ 크기의 프루브빔(3)으로 한쪽으로 진행하고 나머지 약 1W 평균파워(순간출력 약1.3×107W)의 강한빔을 펌핑빔(4)으로하여 광경로 변화를 통해 위상시간지연을 얻을 수 있게 고안한 시간지연 스테지(5)를 거친 후, 본 연구실의 발명인 ZnxCd1-xTe 혼합 단결정으로 만들어진 에미터(6)에 입사시키면 바로 이 에미터에서 테라헤리쯔 전자파(7)가 방출하게 된다.As can be seen in FIG. 5, the light 1 of the femtosecond laser passes through the beam splitter 2 to the probe beam 3 having an average power of 100 kW and is about 1 W average power (the instantaneous output is about 1.3 × 10). 7 W) is used as a pumping beam (4) through a time delay stage (5) designed to obtain the phase time delay through the optical path change, and then Zn x Cd 1-x Te mixture of the present invention When incident on the emitter 6 made of a single crystal, the terahertz electromagnetic wave 7 is emitted from this emitter.
도면 6은 테라헤르쯔 전자파 신호의 쎈싱 및 검출장치를 나타내는 구성도이다. 도면에서와 같이 ZnTe 쎈서에 이 테라헤르쯔파(1)와 펨토초 레이저에서 분리해 낸 프루브빔(2)을 동시에 입사시켜(3), 이 프루브빔에 테라헤르쯔파가 쎈서(4)에 실리게(쎈싱) 한 다음, 이 복합된 파가 왈리스톤 편광기(wollaston polarizer)(5)를 통과하면서 s편광파(6)와 p편광파(7)로 분리되게 한후 각각 분리된 편광이, 특성이 똑같은 두 개의 광검출기(8)에 닿게 하여 이 각각의 검출기에서 검출된 신호의 차이를 측정하면, 1피코초 범위 안에서 깨끗한 단일 샷의 신호를 얻게 되는데, 이 신호는 바로 테라헤르쯔 전자파 신호 강도를 표시한다. 6 is a block diagram showing an apparatus for detecting and detecting a terahertz electromagnetic wave signal. As shown in the drawing, the terahertz wave (1) and the probe beam (2) separated from the femtosecond laser are simultaneously incident on the ZnTe sensor (3), and the terahertz wave is loaded on the probe beam (4). The composite wave is then passed through a walliston polarizer (5) and separated into s-polarized wave (6) and p-polarized wave (7), and then each polarized light is separated into two By contacting the two photodetectors 8 and measuring the difference in the signals detected at each of these detectors, a single shot of the signal is obtained within the range of 1 picosecond, which is the signal of the terahertz electromagnetic wave signal strength.
도 8(a)는 신호가 가장 크게 나타나는 혼합성분비의 단결정인 Zn0.95Cd0.05Te 단결정 에미터의 단일 샷 신호를 표시하고 있으며, (b)는 이 신호를 주파수 영역 분포로 바꾼 신호를 표시하고 있는 것으로, 이 신호가 DC에서 약 3 테라헤르츠 까지 주파수를 분포하고 있으며 이중 0.5에서 1.5 테라헤르쯔의 분포가 주 분포를 이루고 있다는 것을 알 수 있다.Fig. 8 (a) shows a single shot signal of Zn 0.95 Cd 0.05 Te single crystal emitter, which is the mixed crystal ratio single crystal in which the signal is the largest, and (b) shows the signal which is converted into the frequency domain distribution. It can be seen that the signal has a frequency distribution from DC to about 3 terahertz, of which 0.5 to 1.5 terahertz is the main distribution.
도 9(a)는 펨토 초 레이저의 펌핑세기에 따라 방출되는 테라헤르쯔 전자파의 세기변화를 나타낸 것으로 전자파의 세기가 처음에는 거의 비례하다 점차 포화되는 것을 나타내는 것이다. 도 9(b)는 (a)의 각각의 방출 테라헤르쯔파를 파스트 푸리에 변환을 하여 주파수 영역으로 바꿔 나타낸 특성으로 모두 다 1.2 테라헤르쯔 분포에서 분포가 급격히 줄고 2 테라헤르쯔 이상에서는 신호가 거의 나타나지 않음을 보이고 있다. FIG. 9 (a) shows the intensity change of the terahertz electromagnetic wave emitted according to the pumping intensity of the femtosecond laser, indicating that the intensity of the electromagnetic wave is gradually proportional at first and gradually saturated. FIG. 9 (b) shows the characteristics of each emission terahertz wave of (a) converted into a frequency domain by fast Fourier transformation. In all, the distribution is rapidly decreased in the 1.2 terahertz distribution, and almost no signal is observed at 2 terahertz or more. Is showing.
따라서 본 발명에 따르면, 테라헤르쯔 전자파의 아연-카드늄-텔레늄 단결정 에미터 소자는 종래의 단일축 유전단결정 소자와 반도체 GaAs 또는 저온 초전도체가 복잡한 신호파형의 테라헤르쯔 신호를 제공할 뿐 아니라 출력 자체가 불안정하여 신호대 잡음비를 규정하기 어렵고 같은 파형를 재현하기 곤란한 점 등에 비하여 약 1피코초(1 pico second) 정도의 단일 샷 신호(single shot signal)를 발진할 수 있어 초고속 소자로 동작할 뿐만 아니라, 이 신호가 DC에서 수 테라헤르쯔 정도의 초광역 신호밴드를 갖고, 신호대 잡음비가 105이상인 초강력 테라헤르쯔 전자파를 발진 할 수 있는 등 우수한 광학적 특성을 제공하는 이점이 있다.Therefore, according to the present invention, the terahertz electromagnetic wave zinc-cadnium-telenium single crystal emitter device not only provides a conventional monoaxial dielectric single crystal device and semiconductor GaAs or a low temperature superconductor, but also provides a terahertz signal having a complex signal waveform. Compared to the point that it is unstable and difficult to define the signal-to-noise ratio and difficult to reproduce the same waveform, it can oscillate a single shot signal of about 1 pico second. Has the advantage of providing excellent optical characteristics such as having a super wide signal band of DC to several terahertz, and capable of oscillating super strong terahertz electromagnetic waves having a signal-to-noise ratio of 10 5 or more.
본 발명에 따른 테라헤르쯔 에미터의 응용 분야에 대해 살펴보면 Looking at the application field of the terahertz emitter according to the present invention
우선, 다양한 응용 분야들 중에서 2차원 실시간 투시상과 관련하여 테라헤르쯔(THz)의 전자파는 물질에 대한 투과 특성이 좋고, 또 저에너지 광파이므로 속이 보이지 않는 물체 내부의 투시용으로 적합하여, 현재 사용되고 있는 엑스선(X-ray) 투시기를 방사능 위험이 없는 안전한 테라헤르쯔 투시기로 대체할 수 있다. First of all, in relation to the two-dimensional real-time perspective image, among the various application fields, the terahertz (THz) electromagnetic wave has a good transmission property to the material and is a low energy light wave, so it is suitable for seeing inside an invisible object. X-ray fluoroscopy can be replaced with a safe terahertz fluoroscopy without the risk of radiation.
따라서 본 발명에서는 테라헤르쯔 투시기에 저에너지를 갖는 테라헤르쯔 빔을 방출시키기 위한 에미터로 본 발명에서 제시한 Zn-Cd-Te 에미터 소자를 장착함으로써 새로운 발상의 테라헤르쯔 에미터를 제공할 수 있다. Therefore, in the present invention, a new concept terahertz emitter can be provided by mounting the Zn-Cd-Te emitter device proposed in the present invention as an emitter for emitting a terahertz beam having a low energy in the terahertz permeation instrument.
또 다른 응용 분야로는 세포 조직 및 물질의 구성 분자 운동을 해석하기 위한 분야에 사용 될 수 있다. Another application could be in the field of interpretation of the constitutive molecular movements of cellular tissues and materials.
테라헤르쯔 전자파의 에너지는 물질 구성 분자나 세포 조직의 운동 에너지와 비슷함에 따라, 이들을 투과시키거나 반사시킬 때 전기-광학 신호가 크게 변화됨을 알 수 있다. 이 스펙트럼을 분석하면 물질의 분자 운동의 연구에 크게 도움이 될 수 있다. 특히 암세포(cancer tissue)와 정상세포(nornal tissue)에 테라헤르쯔 전자파의 전기-광학신호를 투과 시켰을 때 뚜렷한 차이가 나는 신호로부터 정상 세포와 암세포를 구별할 수 있는 특징을 가지고 있다. 즉 본원 발명의 에미터는 상기와 같은 역할을 할 수 있는 테라헤르쯔 에미터를 제공할 수 있는 이점이 있다. As the energy of terahertz electromagnetic waves is similar to the kinetic energy of material constituent molecules or cellular tissues, it can be seen that the electro-optical signals change significantly when they are transmitted or reflected. Analyzing this spectrum can greatly aid the study of the molecular motion of matter. In particular, when the electro-optical signal of the terahertz electromagnetic wave is transmitted to cancer cells and normal tissues, it is distinguished from the normal cells and cancer cells from a signal that has a distinct difference. That is, the emitter of the present invention has an advantage of providing a terahertz emitter that can play the above role.
한편, 초고속 정보 처리와 관련된 응용 분야에서는 테라헤르쯔 전기-광학 신호의 단일샷 신호(single shot signal)의 시간 분해능(temporal resolution)이 1 피코세컨드(1 picosecond) 이내 (최저 28펨토초까지) 범위이므로 Tbps(Tera-bit per second), 또는 10Tbps 범위의 속도로 신호를 프루브빔에 싣는 변조를 수행할 수 있음에 따라 장차 이 분야의 에미터로의 역할도 크게 기대된다. On the other hand, in applications related to high-speed information processing, Tbps is because the temporal resolution of the single shot signal of the terahertz electro-optic signal is within 1 picosecond (up to 28 femtoseconds). It is also expected to play an important role as an emitter in this field as it can perform modulation on a probe beam (Tera-bit per second), or at a speed in the range of 10 Tbps.
이상에서 상세하게 설명한 것과 같이 아연-카드늄-텔레늄(Zn-Cd-Te)계열의 단결정(혼합성분비 0.75≤x≤1.0 범위에서)을 이용하여 테라헤르쯔 전자파의 에미터를 만들면 신호대 잡음비가 105이상으로 강력하고, 피코초 내의 단일 샷 테라헤르쯔 전자파의 신호를 얻을 수 있어서 1초안에 테라비트 신호를 처리할 수 있는 초고속신호가공 시스템을 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 테라헤르쯔 전자파 대역이 갖고 있는 본래의 성질을 이용하여 X-선투시기를 대치할 수 있는 방사능 유출이 없는 투시기를 제작할 수 있게된다. 이것은 산업적·건축·군사·각 분야에 지대한 영향을 미칠 것으로 본다.As described in detail above, when the emitter of the terahertz electromagnetic wave is made using a single crystal of Zn-Cd-Te series (with a mixed component ratio of 0.75≤x≤1.0), the signal-to-noise ratio is 10 5. This is a powerful, single-shot terahertz electromagnetic wave signal in picoseconds, which not only enables the design of ultrafast signal processing systems capable of processing terabit signals in one second, but also the inherent nature of terahertz electromagnetic bands. By using the properties of the X-ray fluoroscopy to replace the radioactive leakage can be produced. This is expected to have a profound effect on industrial, architectural, military, and other sectors.
또 물질의 진동에 관련한 많은 정보를 얻을 수 있는 테라헤르쯔 분광기도 제조할 수 있어 학문적 기여도 대단히 크다고 본다. In addition, it is possible to manufacture terahertz spectroscopy, which can obtain a lot of information related to the vibration of a material.
특히 현재의 레이더를 대치하여 테라헤르쯔 레이더를 만들면 현재는 비행물체의 속도 및 방향만을 식별하나, 레이더에서 현재 사용한 전자파의 파장보다 테라헤르쯔 전자파의 파장이 1/100∼1/1000이 되므로 물체의 식별까지 가능한 레이더를 만들 수 있다고 본다. 이외에도 정상세포와 암세포를 구별하는 능력 등이 탁월하여 의학적 용도도 아주 크다고 본다. 이 모든 응용에 테라헤르쯔 전자파의 발진기 즉 에미터와 신호수신장치 쎈서는 가장 핵심기술로 양핵을 이루고 있어 본 에미터의 발명은 대단히 중요하고, 장차 큰 효과를 나타낼것으로 본다. In particular, if a terahertz radar is made by replacing the current radar, only the speed and direction of the flying object is currently identified. However, since the wavelength of the terahertz electromagnetic wave is 1/100 to 1/1000 rather than the wavelength of the electromagnetic wave currently used in the radar, the object is identified. I think you can make a radar as far as possible. In addition, it is excellent in the ability to distinguish between normal cells and cancer cells, medical use is also very large. In all these applications, the terahertz electromagnetic wave oscillator, that is, the emitter and the signal receiver, are the two core technologies, so the invention of the emitter is very important and will have a great effect in the future.
도 1은 전체의 전자파 대역에 대한 테라헤르쯔 전자파 점유대역의 위치를 나타내는 스펙트럼.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a spectrum showing the position of a terahertz electromagnetic wave occupying band for the whole electromagnetic band.
도 2는 ZnxCd1-xTe 단결정계의 혼합비 x에 따른 에너지변화를 도시한 그래프2 is a graph showing the energy change according to the mixing ratio x of Zn x Cd 1-x Te single crystal system
도 3은 ZnTe 단결정의 20K에서 광루미늬센스 측정 및 TO Phonon 설명도3 is a photoluminescence measurement and TO Phonon explanatory diagram at 20K of ZnTe single crystal.
도 4는 본 발명에 따른 테라헤르쯔 전자파의 전기-광학 신호 샘플링 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.Figure 4 is a schematic diagram showing an electro-optical signal sampling device of terahertz electromagnetic waves according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 테라헤르쯔 전자파 발진장치를 나타내는 구성도.Figure 5 is a block diagram showing a terahertz electromagnetic wave oscillation apparatus according to the present invention.
도 6은 테라헤르쯔 전자파 신호의 쎈싱 및 검출 장치를 나타내는 구성도.Fig. 6 is a block diagram showing an apparatus for detecting and detecting a terahertz electromagnetic wave signal.
도 7은 ZnxCd1-xTe 단결정계 에미터의 방출신호 크기를 각 혼합성분비 x에 따 라 비교하기 위한 그래프.7 is a graph for comparing the magnitude of the emission signal of the Zn x Cd 1-x Te single crystal emitter according to each mixed component ratio x.
도 8은 에미터가 방출한 전기-광학신호 및 이 신호를 FFT시켜 얻은 진동수 영역에서의 분포도.8 is an electric-optical signal emitted by an emitter and a distribution diagram in a frequency region obtained by FFTing this signal.
도 9는입사광의 펌핑파워에 대한 출력 THz파의 강도변화 및 진동수 영역에 서의 포화관계 표시도.Fig. 9 is a diagram showing the saturation relationship in the intensity variation and frequency range of the output THz wave with respect to the pumping power of incident light;
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