KR100787988B1

KR100787988B1 - 고주파 전기 신호 제어 장치 및 센싱 시스템

Info

Publication number: KR100787988B1
Application number: KR1020057024925A
Authority: KR
Inventors: 토시히코 오우치
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2007-12-24
Also published as: EP1642153A1; DE602004023847D1; US20060085160A1; KR20060031643A; US7689070B2; US20080304038A1; US7630588B2; WO2005001505A1; EP1903328B1; KR100760231B1; EP1903328A1; KR20070054760A; EP1642153B1

Abstract

고주파 전기 신호 제어장치는 고주파 전기 신호를 발생시키는 발신기, 수신기, 전기 신호를 전파시키기 위한 전송로, 및 전송로를 통해서 전파된 전기 신호를 공간으로 방사 또는 공간으로부터 신호를 수신하기 위한 구조체를 구비한다. 구조체에 의해 제공된 공간과 전송로 간의 전기 신호의 결합도는 가변적으로 제어될 수 있다.

고주파 전기신호, 전자기파, 전송로

Description

고주파 전기 신호 제어 장치 및 센싱 시스템{HIGH FREQUENCY ELECTRICAL SIGNAL CONTROL DEVICE AND SENSING SYSTEM}

본 발명은 주로 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 고주파 전기 신호를 생시키는 고주파 전기 신호 제어 장치 및 이것을 이용한 센싱 시스템에 관한 것이다.

최근, 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 전자기파(그 주파수는 30GHz~30THz이다)를 사용한 비파괴 센싱 기술이 개발되어 왔다. 이 주파수대의 전자기파를 사용하는 기술에 관해서는, X-레이 시스템을 대신해서 안전한 투시 검사 시스템을 사용하여 이미징을 행하는 기술과, 물질 내부의 흡수 스펙트럼 혹은 복소 유전율을 획득해서 원자의 결합 상태 혹은 캐리어 농도나 이동도를 평가하는 기술이 개발되어 있다. 또한 밀리미터파를 사용하는 기술에 관해서는, 70GHz대의 주파수를 갖는 충돌 안전 레이더에 대한 위치 센싱 기술이 개발되어 있다.

예를 들면, 2차원 이미징 시스템에 관해서는, 밀리미터파 발생기, 그 밀리미터파를 방사하기 위한 안테나, 수신 소자, 밀리미터파의 전파로 등을 개별부품으로 사용하여 시스템을 구성한 제안된 예가 있다(일본 특허공개공보 제2001-050908호 참조). 이 시스템은 도 8에 도시되어 있다. 이 시스템은 정현파의 밀리미터파 발생기(102)로부터 안테나(112)를 통해서 밀리미터파(116)를 공간으로 방사하고, 전기 광학 결정(110)에 의해 강도 분포를 갖는 밀리미터파(116)를 수신해서, 레이저(104)로부터의 레이저 빔으로 판독하도록 설계되어 있다. 이때, 동기 검파 기술을 이 용하여, 시료 물체(113)의 유전율의 차이에 근거하여 생긴 밀리미터파의 위상 차를 검출하여 S/N 비가 우수한 투시 이미징를 획득한다.

한편, 위치 센싱 기술로서는, 차량 탑재용 밀리미터파 레이더가 전방 차량과 후방 차량 간의 거리를 계측하기 위해서 개발되고 있다. 제안된 예로서는, 비방사성 유전체 선로(NRD)를 이용하여 도 9에 도시한 바와 같이 모듈화된 송수신기가 있다(일본 특허공개공보 제2000-022424호 참조). 이 예에서는, 밀리미터파 오실레이터로부터 출력된 밀리미터파를 NRD(221)를 통해서 전파하여, 써큐레이터(circulator; 219) 및 결합기(coupler; 212, 211)를 통해서 가동부(231)에 구비된 1차 방사기(213)에 도달해서, 1차 방사기(213) 위에 설치된 호른 안테나(미도시)에 의해 수신된다. 이때, 가동부(231)가 움직임으로써 밀리미터파의 방사 지향성 각도를 스캔할 수 있게 되어 있다. 같은 호른 안테나로 수신한 후에, 이 밀리미터파는 써큐레이터(219)를 통해서 결합기(223)에 있어서, 오실레이터로부터 밀리미터파의 일부의 분기를 통해서 결합기(221)에 의해 획득되는 밀리미터파와 믹싱된다. 이러한 방법으로 관련 밀리미터파가 수신된다. 상기에 의해, 탐지 방향을 가변시킬 수 있는 밀리미터 모듈이 구성된다.

최근에는, 이러한 투시 이미징이나 위치 센싱에 있어서, 소형화 및 휴대가능한 유비쿼터스 모듈(ubiquitous module)이 필요하게 되었는데, 그 이유는 각종 재료 및 생체 정보를 간단히 검사하는 디바이스로서의 응용과, 정보기기에 있어서의 포인팅 디바이스(pointing device)로서의 응용(예를 들면 이 모듈을 펜(pen)형 입력장치의 공간 위치를 센싱하는 디바이스로서 사용)이 기대되기 때문이다.

이 경우에, 도 8의 종래 예와 같이 개별 부품을 사용하여 구성된 시스템은 규모가 크다. 또한, 2차원 이미징을 행할 경우에, 빔을 확장해 일괄적으로 계측하는 방법에서는 고속동작을 획득한다. 그러나, 밀리미터파 출력을 증가시킬 필요가 있기 때문에, 이 방법은 소비 전력에 문제가 있다. 또한, NRD을 이용하여 빔 주사를 수행하도록 모듈화된 도 9의 송수신기의 경우에는, 이 문제점을 해결한다. 그러나, NRD의 제작 정밀도 및 결합기, 써큐레이터 등과의 설치 위치 정밀도가 높은 것이 요구된다. 그 결과, 송수신기의 비용이 높아져 대량 생산에 적합하지 않다고 하는 문제가 있다. 또한, 빔 스캐닝을 행하기 위해서 모터를 사용하기 때문에 전력 절약 및 소형화의 장해가 된다.

그래서, 본 발명은 주로 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 사이의 전자기파를 이용하여 센싱 등을 수행하고, 소비전력이 작은 소형의 휴대가능한 집적 모듈의 형태로 용이하게 구성될 수 있는 고주파 전기 신호 제어장치, 및 이것을 사용한 센싱 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치는 레이저 빔을 레이저 빔보다 낮은 주파수를 갖는 전자기파로 변환하는 소자로서 기능하는 고주파 전기 신호를 발생하는 발생기를 포함하고, 레이저 빔을 발생시키는 반도체 레이저, 혹은 고체 레이저 등의 레이저 장치, 레이저 빔을 전파시켜 이 레이저 빔을 발생기로 인도하는 광도파로, 발생기, 신호를 전파시키는 전송로가 동일 기판 위에 설치(집적화)되어 있다. 이 구성을 갖는 고주파 전기 신호 제어장치에 의하면, 소형의 반도체 레이저 등의 레이저 장치와, 그 레이저 빔을 발생기로 인도하는 광도파로가 발생기 및 발생기로부터 신호를 전파시키는 전송로와 함께 동일 기판 위에 집적화된 모듈 등의 구성을 용이하게 획득할 수 있다. 또한, 검출기, 신호를 검출기로 전파시키는 전송로가 동일 기판 위에 더 집적화되어 있는 형태를 획득하는 것도 가능하다. 또한, 광도파로를 구성하는 유전체 부재와 전송로를 구성하는 유전체 절연층이 동일 부재로 구성되어 있는 형태를 획득할 수 있다. 이 예에서는, 광도파로와 신호를 전파시키는 전송로가 동일 부재로 구성되어 있기 때문에, 제작이 용이하고 비교적 비용이 낮은 소형 모듈을 용이하게 제공할 수 있다. 또한, 검출기 및 안테나를 구비하면, 반도체, 유기물, 생체 등의 모든 시료에 대하여, 어디에서나 간단하게 투과/반사 계측을 행할 수 있어, 접촉 또는 비접촉으로 유전율, 캐리어 농도 분포 등을 조사하고, DNA, 단백질 등의 검사, 인증, 시큐리티 체크(security check) 등을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치는, 고주파 전기 신호를 발생하는 발신기, 수신기, 및 전기 신호를 전파시키는 전송로, 전송로를 통해서 전파된 전기 신호를 공간으로 방사하거나 공간으로부터 신호를 수신하는 구조체를 포함하고, 상기 구조체에 의해 제공된 공간과 전송로 간의 전기 신호의 결합도를 가변적으로 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치는 고주파 전기 신호를 발생하는 발신기, 수신기, 및 전기 신호를 전파시키는 전송로, 및 전송로를 통해서 전파된 전기 신호를 공간으로 방사하거나 공간으로부터 신호를 수신하는 구조체를 포함하고, 상기 구조체는 가동부를 갖고, 공간으로 방사된 전자기파의 지향성을 편향 제어할 수 있다. 본 발명의 컨트롤러의 구성에 의하면, 전송로 등의 형성에 응용할 수 있는 마이크로파 집적회로(microwave integrated circuit; MIC)기술, 및 전기 신호의 결합도를 가변적으로 제어하는 수단, 구조체의 가동부 등의 형성에 응용할 수 있는 마이크로 전기 기계 시스템(microelectromechanical systems; MEMS) 기술을 밀리미터파에서 테라헤르쯔파의 영역까지 확장해서 융합시켜 적용함으로써 컨트롤러의 소형화를 가능하게 한다.

상기 기본 구성에 의거하여 이하와 같은 고주파 전기 신호 제어장치가 가능하다.

상술한 구조체로서 안테나를 구비하여, 안테나를 통해서 방사 또는 수신된 전자기파의 강도 또는 지향성을 가변시킬 수 있는 구성을 채용하고 있다. 또한, 상술한 전송로가 평면 회로로 구성된 마이크로스트립 선로 혹은 코플래너(코플래너 스트립; co-planar strip)선로이며, 상술한 구조체는 평면 회로 위에 제작되어 있다. 대표 예를 설명하면, 발신기로부터 수신기로 고주파 신호를 전파시키는 전송로를 포토리소그라피 기술 등을 이용하여 고정밀도로 제작할 수 있는 평면 회로로서, 마이크로스트립 선로, 코플래너 선로 등을 기판 위에 제작하고, 공간으로의 전자기파의 방사/공간으로부터 전자기파의 수신하는 박막 안테나 등을 동일 평면 회로 위에 집적화한다.

또한, 평면 회로 위에 형성되며 전기적 접촉을 온/오프하는 가동부를 구비하여, 상기 가동부에 의해 구조체와 공간 간의 신호의 결합도를 가변적으로 제어할 수 있는 구성을 채용하고 있다. 즉, 안테나로의 결합의 비를 제어하는 수단으로서 마이크로 사이즈로 형성되어 동일 평면 회로 위에 집적화되는 접점 스위치 등을 사용한다. 안테나로의 전력 공급은 이 스위치로 온/오프 제어함으로써 행해진다.

또한, 상술한 전송로는 직사각형 또는 원형의 공동(구멍)을 가진 3차원 구조체로서의 도파관이고, 상술한 안테나는 같은 공동을 가진 호른 안테나이다. 따라서, 호른 아테나의 입력부와 도파관 간의 위치 관계를 변위시켜 결합도의 크기를 변화시키는 동작과, 호른 안테나의 출력부의 방향을 변위시켜서 공간으로 방사된 전자기파의 지향성을 스캔하는 동작 중 적어도 하나를 수행할 수 있는 컨트롤러를 구성할 수 있다. 즉, 안테나를 제작한 구조체 자체를 MEMS 기술을 이용하여 움직이게 함으로써, 전자기파의 방사 또는 수신의 강도 제어 및 지향성 제어를 행할 수도 있다. 이것은 예를 들면 정전 방식, 전자기 방식 등에 따라, 진동 및 회전을 할 수 있는 구조체를 움직이거나, 호른 안테나를 슬라이드시킴으로써 실현된다.

또한, 상술한 안테나의 표면에 포토닉(photonic) 결정 또는 렌즈를 집적화하여, 좁은 출사 각을 통해서 높은 지향성의 전자기파를 출사하는 컨트롤러를 구성할 수도 있다.

또한, 전송로에 접속된 발신기, 수신기, 및 구조체 중의 전기신호의 흐름을 일 방향성으로 하기 위해서 전송로에 써큐레이터가 집적화된 구성을 채용할 수도 있다. 또한, 발신기 및 수신기가 동일 기판 위에 집적화된 구성을 채용할 수도 있다.

또한, 고주파 전기 신호를 발생시키는 발신기가 광전도막의 표면에 설치되어 전압을 인가한 2개의 도체 간의 갭(gap)에 펄스 레이저 빔을 조사하는 기능을 수행하고, 수신기가 같은 구조로 2개의 도체 간에 흐르는 전류로부터 전기신호를 추출하는 기능을 하는 구성을 채용할 수도 있으며, 동일 펄스 레이저 빔의 일부를 수신기의 2개의 도체 간의 갭(gap)에 조사할 때의 타이밍에서만 수신할 수 있고, 펄스 레이저 빔을 수신기로 인도하는 광로의 도중에 빔 지연량을 제어할 수 있는 수단이 구비되어 있는 구성을 채용할 할 수도 있다. 이렇게, 고주파 신호를 발신/수신하는 수단으로서는, 헤테로-바이폴라 트랜지스터(hetero-bipolar transistor; HBT), 혹은 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode; SBD) 등의 반도체 전자 디바이스를 사용하는 방법 외에도, 광전도 스위치 소자에 단 펄스 레이저 빔을 조사해서 단 펄스 전기 신호를 발생 및 검출하는 방법이 있다.

상기에 있어서, 전형적으로, 고주파 전기 신호로서 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 사이의 주파수(30GHz~30THz)를 사용한다.

또한, 본 발명에 따른 고주파 센싱 시스템은 상술한 고주파 전기 신호 제어장치를 이용하여, 공간으로의 전자기파의 전파를 제어해서 무선으로 물체 표면 혹은 내부의 구성 원소, 유전율 분포 상태, 위치 정보 등을 검사하는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 상술한 고주파 전기 신호 제어장치의 특징을 살린 센싱 시스템을 실현할 수 있다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치의 제1 실시 예의 집적 모듈의 구조를 설명하는 도면이고,

도 2a 및 도 2b는 제1 실시 예에 있어서 스위치 오프 시의 전자기파 해석 예를 도시한 도면이며,

도 3a 및 도 3b는 제1 실시 예에 있어서, 스위치 온 시의 전자기파 해석 예를 도시한 도면이고,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치의 제2 실시 예의 집적 모듈의 구조를 설명하는 도면이며,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치의 제3 실시 예의 집적 모듈의 구조를 설명하는 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 고주파 전기 신호 제어장치의 제4 실시 예의 집적 모듈의 구조를 설명하는 사시도이며,

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 제4 실시 예의 집적 모듈의 전자기파 빔의 지향성 제어의 예를 도시한 사시도이고,

도 8은 밀리미터파 2차원 이미징 시스템의 종래 예를 도시한 도면이며,

도 9는 밀리미터파 레이더 시스템의 송수신부의 종래 예를 도시한 도면이고,

도 10은 본 발명에 의한 제5 실시 예의 집적 모듈의 구조의 사시도이며,

도 11a, 도 11b, 도 11c 및 도 11d는 도 10의 집적 모듈의 제작 방법을 설명하는 공정도이고,

도 12는 테라헤르쯔 발생기의 예의 단면도이며,

도 13은 테라헤르쯔 검출기의 예의 단면도이고,

도 14는 본 발명에 따른 제6 실시 예의 집적 모듈의 구조의 사시도이며,

도 15는 본 발명에 따른 제7 실시 예의 집적 모듈의 구조의 사시도이고,

도 16a 및 도 16b는 본 발명에 따른 제8 실시 예의 센싱 시스템을 설명하는 사시도다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 들어서 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명한다. 재료, 구조, 디바이스 등은 여기에 제공된 것들에 제한될 만한 것이 아니다.

제1 실시예

본 발명에 따른 제1 실시예를 도 1a 내지 도 1c에 나타낸다. 제1 실시예에서는, 도 1a에 도시한 바와 같이, 마이크로스트립 선로(5)의 도중에 보 타이(bow tie)형의 박막 안테나(4a, 4b)가 동일 모듈(3) 위에 형성되고, 마이크로스트립 선로(5)와 안테나 간의 접속이 소형의 접점 스위치(6)로 제어된다. 발신기(1)와 수신기(2)는 도 1a에 도시한 바와 같이 하이브리드 방식으로 동일 모듈 내에 집적되어 있지만, 발신기(1)와 수신기(2)가 외부의 발신기 또는 수신기에 접속되어 있는 형태를 채용해도 된다. 발신기로서는, 예를 들면 헤테로 바이폴라 트랜지스터(HBT)를 증폭기로서 사용하는 마이크로파 및 밀리미터파의 발진회로를 사용한다. 고속 수신장치로서는, 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)를 사용한다. 마이크로스트립 선로(5)는 도 1a의 1B-1B 선의 단면도로서 나타낸 도 1b와 같이, 기판(10) 위에 Ti/Au 등으로 이루어진 그라운드 플레인(ground plane; 9)을 형성하고, 절연체(8) 위에 Ti/Au 등으로 이루어진 마이크로스트립 선로(5)(전송선로 패턴)를 형성하도록 구성된다.

기판(10)의 재료로서는, Sl, 유리 세라믹, AIN 등을 적합하게 사용할 수 있다. 절연막(8)의 재료로서는, BCB 수지, 폴리실란(polysilane), 폴리이미드 등을 스핀 코팅 프로세스를 통해서 기판 위에 도포해서 도포된 재료를 경화시킴으로써 획득되는 재료가 적합하다. 마이크로스트립 선로 패턴(5) 및 박막 안테나(4a, 4b)의 패턴은 포토리소그라피 기술을 사용하는 리프트 오프(lift-off) 방법에 의해 절연막(8) 위에 간단하게 형성될 수 있다. 또, 박막 안테나(4a, 4b)를 형성하기 전에, 그라운드 플레인(9)과의 접점을 획득하기 위해서 스루홀 전극(11)을 형성한다. 접점 스위치(6)로서는, 도 1a의 1C-1C 선의 단면도로서 나타낸 도 1c에 도시한 바와 같이 캔틸레버(cantilever) 구조의 정전 구동형 스위치가 집적화되어 있다. 구동용 배선(7)의 양단에 30V의 전압을 인가함으로써 전극(12)과 접점 스위치(6)가 정전 인력에 의해 서로 끌어당긴다. 그 결과, 박막 안테나(4b)가 마이크로스트립 선로(5)에 접속되게 된다.

이 접점 스위치(6)가 오프 상태이면, 발신기(1)의 출력의 대부분은 수신기(2)에 도달하므로, 신호를 외부로 송출하지 않고 초기 설정 등을 행할 수 있게 된다. 접점 스위치(6)를 온 상태로 했을 때에는, 박막 안테나(4a, 4b)의 반사/투과 특성에 따라 신호의 일부가 외부로 방출되어 공기 중을 전파된다. 그 후에, 그것의 일부가 수신기(2)에 도달하고, 그것의 또 다른 일부는 발신기(1)로 돌아간다. 또한, 외부로부터 전파된 전자기파 또는 본 모듈로부터 방출된 전자기파가 반사되어서 되돌아온 전자기파를 박막 안테나(4a, 4b)로 수신해서 마이크로스트립 선로(5)에 결합시켜, 수신기(2)로 수신할 수 있다. 또한, 이 박막 안테나(4a, 4b)와 마이크로스트립 선로(5) 간의 결합의 비는 안테나 바로 아래에 위치된 그라운드 플레인(9)의 형상에 근거하여 변경될 수 있다.

마이크로스트립 선로 패턴에 대한 설계 예로서는 다음과 같은 것이 가능하다. 두께가 500㎛이고 외형이 10mm × 25mm인 Si 기판(10) 위에 Ti/Au(50nm/450nm) 전극(9)을 형성하고, 두께가 10㎛인 절연체(폴리실란)(8)(그것의 상대 유전율 ε_r = 2.8)를 통해서 Ti/Au(50nm/450nm) 전극 위에 폭이 25㎛인 마이크로스트립 선로(5)를 더 형성한다. 그 경우에, 50Ω 정합 라인이 획득된다. 박막 안테나(4a, 4b)의 각각의 형상에 대해서 저변이 800㎛인 직각 이등변 삼각형이 채용되었을 때의 100GHz 전파의 전자기파 해석 예를 도 2a 및 도 2b와, 도 3a 및 도 3b에 나타낸다. 이들 도면에서, 좌측은 입력 포트에 대응하고, 우측은 출력 포토에 대응한다. 그들의 각각은 50Ω 종단을 갖는다. 도 2a 및 도 2b는 접점 스위치(6)가 오프인 상태를 나타낸다. 박막 안테나(4a, 4b)에는 어떠한 전력도 공급되지 않기 때문에 거의 전 신호가 우측의 출력 포트에 도달한다는 것을 도 2a의 전류 분포도로부터 알 수 있다. 도 2b는 안테나 방사 패턴을 나타낸다. 비대칭한 약간의 누설 전계가 있는 것을 도 2b로부터 알 수 있다. 다른 한편, 도 3a 및 도 3b는 접점 스위치(6)가 온인 상태를 나타낸다. 박막 안테나(4a, 4b)에 전력이 공급되어 우측의 출력 포트에 도달하는 신호의 크기가 작다는 것을 도 3a로부터 알 수 있다. 또한, 안테나 방사 패턴을 나타내는 도 3b로부터, 대칭한 지향성을 가진 전자기파가 방사된다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 매우 소형의 모듈(상술한 수치 예에서는 사이즈가 약 10mm×25mm 정도)로, 고주파 신호의 공간과의 결합 상태가 전압 신호를 이용하여 접점 스위치(6)를 온/오프함으로써 변화될 수 있다. 이 모듈은 휴대 기기의 무선 모듈 등에 적합하게 사용될 수 있어, 그 설계의 자유도를 증가시킬 수 있다.

이 실시예에서는, 일례로서 보 타이형의 안테나를 사용한다. 그러나, 이후의 실시예에서도 설명한 바와 같이 모든 박막 안테나로서, 즉 다이폴(dipole)형 안테나, 패치(patch)형 안테나, 슬롯(slot)형 안테나, 스파이럴(spiral)형 안테나, 로그페리오딕(log-periodic)형 안테나, 또는 이들 복수의 안테나를 정렬시켜 광대역화하는 안테나, 야기(Yagi) 안테나, 호른 안테나 등을 이용해도 좋다. 특히, 고주파 펄스를 발생시킬 경우에는, 광대역화할 필요가 있으므로, 그러한 경우에 알맞은 형의 안테나를 사용하면 된다. 또한, 기판 재료로서 GaAs 혹은 InP을 이용하고, HBT 및 SBD 등의 고속 전자 디바이스를 하나로(monolithically) 집적화한 형태도 채용할 수 있다.

제2 실시예

제1 실시예의 구성에서는, 전자기파가 주파수대에 따라 전송선로 혹은 안테나에 의해 반사되기 때문에, 신호제어를 행할 수 없을 경우가 있다. 그래서, 본 실시예는 써큐레이터를 이용하여 신호의 흐름을 제어하는 것을 지향한다. 도 4a 및 도 4b는 그와 같은 실시예를 나타낸 것이며, 써큐레이터(22, 26)에 의해 발신기(1)에서 안테나(23)로의 신호의 흐름, 안테나(23)에서 수신기(2)로의 신호의 흐름을 한 방향으로 제한하고 있다. 안테나(23)에서 수신기(2)로의 신호는 발신기(1)로부터의 신호의 반사를 통해서 발생된 전자기파와 외부로부터 수신한 전자기파를 합성함으로써 획득한 합성 신호이다. 또, 수신기(2)에서 발신기(1)로의 신호는 그 크기가 미약하기 때문에 도시되어 있지 않다. 이 써큐레이터는 도 4b의 단면도에 도시한 바와 같이, 써큐레이터(22)에 페라이트(ferrite)판(26)을 매립함으로써 구성된다.

본 실시예에서는, 고주파 펄스의 송수신을 위해 안테나로서 더블 패치 안테나(23, 27)를 채용하여, 광대역화하고 있다. 이 경우에, 도 4b의 단면도에 도시한 바와 같이, 사이즈가 다른 패치 안테나(23, 27)를 수직으로 포개서 양자를 접속한다. 안테나의 구조는 제1 실시예에서 서명한 바와 같이, 이 구조에 한정되는 것이 아니다. 전송로(20, 21)는 제1 실시예와 마찬가지로 50Ω 정합 라인으로서 형성되어 있고, 전송로(20) 위에 신호 제어를 위한 기계식 스위치(24)가 설치되어 있다. 기계식 스위치(24)가 설치되어 있는 부분에서 전송로(20)가 단선되어 있고, 스위치(24)의 온/오프에 따라 그 단선된 부분이 개폐된다. 제1 실시예와 마찬가지로, 전 극(25)의 양단에 적합한 전압을 인가해서 스위치(24)를 온/오프하여, 패치 안테나(23, 27)로부터의 전자기파의 방사를 제어할 수 있다. 그 외의 점은 제1 실시예와 같다.

제3 실시예

본 실시예의 구성은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 상술한 실시예에 있어서, 안테나로부터의 전자기파의 방사에 대해서는 온/오프 제어만이 수행되고, 전자기파의 형태로 신호를 방사할 때 안테나에 공급된 신호의 크기는 고정된다. 그러나, 본 실시예에서는, 소형으로 제작한 호른 안테나(34)를 움직여 신호 공급의 정도를 제어하여, 방사된 전자기파 또는 수신된 전자기파의 강도를 변화시킨다.

전송로(30, 31), 발신기(1), 및 수신기(2)에 관해서는 제2 실시예와 같다. 또한, 제2 실시예에서는 써큐레이터를 이용하여 신호의 흐름을 제어하지만, 방향성 결합기(35) 및 저항(32)을 이용하여, 발신기(1)로부터 수신기(2)로의 신호의 직접 전파에 대해서만 제한한다. 그 아이솔레이션(isolation) 비는 저항(32)의 저항값, 방향성 결합기(35)의 형상 등에 근거하여 제어될 수 있다. 이 경우에, 안테나로부터의 반사 성분은 발신기(1)로 되돌아간다. 따라서, 이 반사 성분을 제한할 필요가 있는 경우에는, 이들 소자들을 써큐레이터로 교체하거나, 발신기(1) 앞에 아이솔레이터를 설치해도 된다.

방향성 결합기(35)의 1개의 종단에는, 패치 안테나 형상의 1차 방사기(36)가 설치되어 있다. 이 1차 방사기(36)로부터의 전자기파를 강한 지향성을 유지해서 공간으로 방출하기 위한 호른 안테나(34)가 홀(33)을 통해서 1차 방사기(36)에 결합 되어 있다. 이 경우에, 마이크로스트립 선로 대신에 기판 내에 도파관 구조를 제작하고, 호른 안테나(34)와의 결합부에 홀을 형성해도 된다.

호른 안테나(34)는 도 5b에 도시한 바와 같이 블록(block) 모양의 본체 내부에 호른 형상의 공동(hollow)부를 갖는 구조로 되어 있다. 실제로, 표면 프로세스로 제작한 수지 혹은 Si 구조의 내벽에 Au 등을 증착하여 각각 형성된 2개의 구조체를 진공 증착 방법을 이용해서 제작한다. 그 후에, 2개의 구조체를 서로 고착시켜서 호른 안테나(34)를 형성한다. 이 호른 안테나(34)를 도 5a에 도시한 바와 같이 집적 모듈(3) 위로 움직일 수 있도록 설계하면(양단 화살표로 표시된 방향으로), 홀(33)을 통한 1차 방사기(36)와의 결합 효율이 변화된다. 그 결과, 안테나(34)로부터 방사되는 전자기파의 강도, 또는 안테나(34)로 전자기파를 수신할 수 있는 감도를 변조할 수 있다. 블록 모양의 안테나(34)의 구동 방법으로서는, 정전 방식, 또는 자석을 사용한 전자기 방식, 초음파 방식 등이 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 홀(33)의 주위에서 호른 안테나(34)의 회전을 제어하면, 결합도를 거의 일정하게 유지한 상태에서 전자기파의 빔 방향을 편향시킬 수 있다.

제4 실시예

본 발명에 따른 제4 실시 예는 도 6에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 토션 스프링 등으로 지지되어 토션 스프링 등의 축의 주위에서 회전 구동할 수 있는 유전체 구조체(57) 위에 스파이럴형 안테나(50)를 제작하고, 이 스파이럴형 안테나(50)를 이용해서 빔 스캐닝을 행한다. 전송로, 발신회로, 및 수신회로는 상술한 실시예와 같아도 된다. 그러나, 본 실시예에서는, 기판(55)에 형성된 절연층(56)의 표면에 2 개의 도체(51, 52)를 형성해서 푸쉬-풀(push-pull) 구동할 수 있는 코플래너 스트립 선호를 사용하고 있다.

스파이럴형 안테나(50)로 공급되는 전력은 도 6에 도시한 바와 같이 도체(51, 52)로부터 유전체 구조체(57)의 회전 구동 지지부를 통해서 획득된다. 유전체 구조체(57)는 전자기 구동 방식 등을 이용하여 특정 주파수에서 진동할 수 있고, 스파이럴형 안테나(50)로부터의 전자기파의 빔으로 스캐닝을 수행한다. 이때 지향성을 향상시키고 싶은 경우에는, 도 7a에 도시한 바와 같이, 테플론, Si 등으로 이루어진 반구 렌즈(40)를 유전체 구조체(57) 위에 더 집적화시키면 된다. 또는, 도7b에 도시한 바와 같이 포토닉 결정(41)을 집적화시키면, 스파 콜리메이트 효과(spar collimate effect)에 의해 매우 높은 지향성을 갖는 빔을 얻을 수 있다. 포토닉 결정(41)은 파장 오더(order) 폭(예를 들면 약 1mm)을 갖는 라인 모양으로 형성된 복수의 층의 Si 로드 열(rod row)이 서로 직교하도록 Si 로드 열을 각각 갖는 복수의 층을 적층한 구조의 형태로 실현된다.

또한, 고주파 펄스 신호의 발신 및 수신을 위해, 단 펄스 레이저(58)를 이용하여 광 전도 스위치(59)를 온/오프하는 방식을 이용해도 된다. 즉, 저온 성장으로 제작한 언도프(undoped) GaAs층(53)은 보통 고저항을 갖지만, 광 전도 스위치(59)의 갭(gap)에 레이저 빔이 조사된 순간에만 포토 캐리어가 언도프 GaAs층(53)에서 발생하고, 갭(gap)의 양단에 전압(46)을 인가하면 순간적으로 전류가 흘러, 고주파 펄스가 발생하는 현상을 이용한다. 이 펄스 레이저(58)의 펄스 폭을 100 fsec 정도로 설정하면, 이 펄스는 0.4psec 정도의 펄스 폭을 가진 전자기파 펄스로 변환될 수 있고, 그 결과, THz 영역의 주파수를 갖는 전자기파를 방사하게 된다. 펄스 레이저(58)로서는, 티탄 사파이어(Sapphire)로 이루어진 모드 록(mode lock) 레이저가 높은 제어성을 갖기 때문에 취급하기 쉽다. 그러나, 휴대성을 중시하는 경우에는, 반도체 모드 록 레이저를 이용해 소형화하면 된다.

수신 측에서는, 도체(51, 52)를 통해서 전파된 고주파 펄스를 광 전도 스위치(59)와 같은 구조를 가진 광 전도 스위치(60)로 수신한다. 이때, 수신측의 광 전도 스위치(60)의 갭(gap)에도, 빔 스플리터(62)로 빔을 분리한 후에 반사 미러(63)에 의해 반사된 레이저 빔을 조사하여, 레이저 빔이 조사되는 기간만 고주파 펄스의 신호를 전류(45)의 형태로 관측할 수 있다. 고주파 펄스 발생 측의 DC 전압을 분리하기 위해서, 광 전도 스위치(60)는 코플래너 스트립 선로의 한쪽의 도체(52)와 분리된다. 여기에서, 광 지연부(61)에 의해 단 펄스 레이저 빔의 지연량을 제어함으로써, 고주파 펄스의 신호 파형을 샘플링하면서 고주파 펄스의 신호 파형을 관측할 수 있다. 고주파 펄스 발생 측의 광 전도 스위치(59)의 양단 전압을 정현파 신호로 변조해서 수신 측에서 동기 검파하면, 고감도 계측이 가능해 진다. 본 실시예에서도, 제1 실시예에서 설명한 메카니컬한 스위치를, 광 전도 스위치(59)와 스파이럴형 안테나(50) 사이의 선로(51, 52) 중 하나의 부분에 집적해서 신호의 온/오프 제어를 행해도 된다.

이러한 전기 펄스를 사용하는 발신/수신은 광대역 무선기술, 즉 소위 울트라-와이드 밴드(ultra-wide band; UWB) 기술로서, 무선 센싱 시스템, 고속 통신 등에서 개발되고 있는 것이다. 본 발명의 컨트롤러는 이러한 UWB 시스템에 유효하게 적 용된다.

상술한 각 실시예에서, 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 사이의 전자기파를 이용해 센싱 등을 수행하기 위한 소형 집적 모듈의 구성에 관하여 설명해 왔다. 이 집적 모듈은 종래의 예에서 설명한 바와 같이 물질의 2차원의 투과 또는 반사 이미징, 근거리 위치 센싱 레이더 등의 분야에서, 보다 휴대성이 뛰어난 장치로서 적용될 수 있다. 이 장치를 이미징 장치로서 이용할 경우에는, 소지품의 시큐리티 체크 시스템, IC 카드의 검사 시스템, 지문 센서, 혈류, 피부, 눈 등을 진단하는 의료 진단 시스템 등으로서, 설치 공간을 필요로 하지 않고, 모든 장소에서 간단하게 검사할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 이 장치를 위치 센싱 장치로서 사용할 경우에도, 이 장치는 휴대 기기에 내장된 형태로 제공될 수 있어, 디스플레이 장치, 컴퓨터 등에 대한 무선 입력 장치, 리모트 컨트롤 장치, 게임 등에 대한 포인팅 디바이스 등에 응용될 수 있다.

제5 실시예

본 발명에 따른 제5 실시예는 2파장 믹싱을 행하기 위한 2개의 반도체 레이저, 광도파로, 테라헤르쯔 발생기, 테라헤르쯔파를 전파하는 전송로, 테라헤르쯔 검출기를 하나의 기판 위에 집적화한, 즉 공통 기판 위에 실장한 것이다. 그 집적 모듈의 사시도는 도 10에 도시되어 있다.

반절연성의 GaAs 기판(301) 위에, 감광성을 갖는 절연성 수지(302)가 형성된다. Y-분기 광도파로(304)에 대응하는 절연성 수지(302)의 영역만의 굴절률은 포토 리소그라피 공정에 의해 주위 영역보다 크다. 이 절연성 수지(302)의 재료로서, 예를 들면 감광성 폴리실란(상품명: Glasia(NIPPON PAINT CO. LTD에 의해 제조))를 적합하게 사용할 수 있다. 이 물질 외에도, BCB 혹은 폴리이미드 등의 감광성을 갖는 광학 수지는 광도파로 및 전기적 절연층으로서 기능하는 층에 적합하다.

AlGaAs/GaAs계의 분포 귀환형(DFB) 반도체 레이저(303a, 303b)를 하이브리드 방식으로 실장한다. 이 반도체 레이저(303a, 303b)의 각각은 단일 모드 발진을 수행할 수 있고, 다 전극 구조를 갖는다. 따라서, 이들 반도체 레이저(303a, 303b)의 각각으로, 광 출력을 크게 변화시키지 않고 파장을 약 2nm정도 연속 가변시킬 수 있다. 2개의 반도체 레이저(303a, 303b)의 발진 중심 파장이 미리 약 1THz 정도 서로 상이하도록 서로 다른 회절 격자 피치를 갖는 소자를 이용해야 한다. 또한, 2개의 반도체 레이저(303a, 303b)의 발진 파장 간의 차는 일부의 빔을 검출해서 주입 전류를 이용해 피드백 제어를 수행함으로써 안정화된다. 이들 반도체 레이저(303a, 303b)의 파장 대역(830nm대)에서는, 파장과 주파수 간의 환산 계수가 약 4.35 × 10¹¹(Hz/nm)이다. 1THz의 비트 주파수를 발생시키기 위해서는 약 2.3nm의 파장 차를 주어야 한다. 관련 파장의 피드백 제어로서는, 예를 들면 PLL(Phase Locked Loop)제어에 있어서, 분주기, 신시사이저(synthesizer)를 사용한 오프셋 록(offset lock)을 걸어야 한다. 그 오프셋(offset)의 양은 비트 주파수에 해당하므로, 신시사이저에 의해 전자기파의 발생 주파수가 결정된다. 원리적으로, 모든 비트 주파수를 발생할 수 있지만, 록 레인지(lock range)나 반도체 레이저의 스펙트럼 선 폭( 약 10MHz)을 고려하면, 비트 주파수는 수 10MHz에서 10THz정도의 범위 내에 있다. 본 실시예에서는, 100GHz에서 3THz 사이의 연속 튠(tune)을 수행한다.

각각의 반도체 레이저(303a, 303b)로부터 방출된 레이저 빔은 전파 빔(313a, 313b)의 형태로 전파되어, 광전도 스위치를 통해서 테라헤르쯔 발생기(306)에 조사된다. 이때 전파 빔(313a, 313b)은 기판(301) 위의 Y-분기 광도파로(304)를 통해서 전파되므로, 반도체 레이저(303a, 303b)로부터 방출된 레이저 빔의 편광이 유지된다. 그 결과, 편광 조정 수단은 필요없다. 광전도 스위치는 언도프의 GaAs를 저온 성장(약 20℃에서)을 통해서 성장된 막(307)으로 구성되고, 보통 높은 절연성을 갖는다. 따라서, D.C 전압원(310)으로부터 2개의 도체(305, 317)에 30V정도를 인가하더라도 광전도 스위치를 통해서 전류가 흐르지 않는다. 레이저 빔이 조사되면 포토 캐리어가 발생해서 광전도 스위치를 통해서 전류가 흐른다. 이 경우에, 상술한 비트 주파수에 의해 포토 캐리어가 변조되어, 비트 주파수에 해당하는 전자기파(314)가 발생한다. 이 전자기파(314)는 절연 수지(302) 위에 형성된 도체(305, 317)를 통해서 전파된다. 이때, 예를 들면, 도체(305, 317)의 각각의 폭을 30㎛, 도체(305, 317)의 간격을 200㎛이라고 가정했다. 또, 테라헤르쯔 발생기(306)의 갭(gap)부분(316)의 폭을 5㎛라고 가정한다는 점에 유념한다.

광전도 스위치의 다른 형태의 12-12선의 단면도는 도 12에 도시되어 있다. 광전도 스위치에 대해 도파형을 채용해서 광흡수 효율을 향상시키기 위해서, 기판(301) 위에 AlGaAs(Al의 조성은 0.3)층(330) 및 언도프 GaAs층(331)을 이 순서대로 성장시킨다. 그 후에, 10㎛ 정도의 폭으로 GaAs층(331)을 선택적으로 에칭해서 결 과로서의 GaAs 층(331)의 양측에 절연층(332)이 매립된다. 또한, 전극(334a, 334b)이 갭(333)을 통해서 서로 대향하도록 설치된다. 이 형태에서는, 도 10에 나타낸 GaAs 벌크층(307)과 비교해 변환 효율이 향상된다. 또한, 다른 방식으로서 비선형 결정을 이용하여 비트 주파수에 근거한 전자기파(314)의 발생 효율을 향상시켜도 된다.

전파된 테라헤르쯔파(314)는 검출기(308)(도 10에서는 반도체층(309) 위에 형성되어 있는 것처럼 도시되어 있다)에 의해 전기 신호(311)의 형태로 획득된다. 검출기(308)로서는 도 10의 13-13선의 단면도인 도 13에 도시한 바와 같은 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky barrier diode)가 사용될 수 있다. 이 쇼트키 배리어 다이오드는 반절연성 GaAs 기판(301) 위에 성장된 n-형 GaAs 층(340) 위에 형성된 AuGe/Ni/Au 전극(341), 2㎛ 이하의 직경을 갖는 스루 홀 전극으로서 형성된 포인트 콘택트부(343), 쇼트키 전극(342), 및 절연층(344)을 포함한다. 쇼트키 전극(342)과 포인트 콘택트부(343)의 각각은 Ti/Pt/Au로 형성된다. 이 검출기(308)로 1THz정도까지의 주파수가 검출될 수 있다. 또, 도 10에 도시한 바와 같이 도체(305, 317)와 전극(308)이 분리되어 있다는 점에 주의한다.

상술한 구성을 갖는 집적 모듈(그 길이 및 폭은 밀리미터의 오더 정도에 있다)에는, 센싱 대상이 되는 시료(312)가 실장된다. 테라헤르쯔파(314)는 도체(305, 317)를 통해서 전파되지만, 이 전자기파(에바네슨트(evanescent)파)는 표면에도 누출되어 있다, 그 결과, 자료(312)의 흡수 특성에 따라 검출기(308)에 의해 검출된 밀리미터파 혹은 테라헤르쯔파의 강도가 변화된다. 따라서, 비트 주파수를 변화시 키면서 시료를 측정하여 시료(312)의 테라헤르쯔 영역의 분광 화학 분석을 행할 수 있다. 분광에 있어서의 주파수 분해능은 사용한 레이저의 스펙트럼 선폭에 의해 결정되고, 본 실시예에서는 약 10MHz이다. 자료(312)로서는 반도체, 금속, 유전체, 유기재료, 생체 물질(세포, DNA, 단백질), 식품, 식물 등의 모든 물질은 센싱 대상이 된다. 종래 획득할 수 없었던 모든 물질에 대해서는 테라헤르쯔 영역의 특성을 간단하게 조사할 수 있다.

실제로 측정을 행하는 경우에는, S/N 비를 향상시키기 위해서, 반도체 레이저 중 하나로부터의 신호 위에 1MHz이하의 주파수를 갖는 정현파 신호를 중첩하고, 검출기(308)측에서도, 그 신호를 같은 신호원으로부터의 신호와 믹싱해서 동기 검파를 행해도 된다.

본 모듈의 제작 방법의 일례는 도 11a 내지 도 11d에 도시되어 있다. 도 11a에 있어서, 반절연성 GaAs 기판(301) 위에 GaAs 결정으로 형성된 GaAs 층(320)을 성장시킨다. 이때, 필요에 따라, GaAs 층(320)을 AlGaAs와 함께 헤테로 성장시키거나, 영역에 의존해서 성장 온도 및 조성을 변경하면서 선택적으로 여러 번 성장시켜도 된다. 이 경우, 광전도 스위치를 구성해야 하는 저온 성장을 통해서 형성되는 언도프 GaAs층은 최후에 성장된다. 그 후에, 포토리소그래피 공정을 통해서 패턴(321)을 갖는 포토 마스크로 레지스트 패터닝(미도시)을 g선(323) 등을 적용해서 수행한다. 도 11b에 있어서, 포토 레지스트를 마스크로 해서 염소를 이용한 ICP(Induced Coupled Plasma) 에칭을 행하여, 반도체층(307, 309)의 영역을 형성한다. 한편, 2개의 반도체 레이저(303a, 303b)는 각각 소정의 위치에 실장된다.

도 11c에 있어서, 광 투과성 절연층을 형성하기 위해 절연성 수지(폴리실란)(302)을 도포하고, 광도파로(304)를 형성하고 싶은 영역에 마스크 패턴(324)을 이용해서 i선 노광을 수행한다. 그 결과, 0.01 정도의 굴절률 차가 발생하므로 광도파로(304)가 형성된다. 도 11d에 있어서, 리프트 오프 방법을 이용하여 Ti/Au로 구성된 전극을 형성하여 모듈을 완성한다

이와 같이, 광도파로(304)와 전자기파 전송용의 절연성 수지(302)를 동일한 재료로 구성함으로써 양산성이 뛰어나며 비교적 저가의 집적 모듈을 제공할 수 있다. 본 실시예에서는 전자기파의 전송로로서 코플래너 스트립 선로를 사용했지만, 마이크로스트립 선로 및 코플래너 선로 등의 모든 집적형 전송선로가 적용 가능하다.

제6 실시예

본 발명에 따른 제6 실시예는 도 14에 도시한 바와 같이 밀리미터파에서 테라헤르쯔 범위의 전자기파를 방사하는 스파이럴형 안테나(351)를 포함하여, 집적 모듈로부터 공간적으로 좀 떨어져서 위치된 시료(352)를 검사할 수 있다.

집적 모듈 전체의 구성은 제5 실시예와 거의 같다. 따라서, 2개의 반도체 레이저를 사용하여 믹싱을 수행하고, 비트 주파수에 해당하는 전자기파로 입력된 전자기파를 변환하는 테라헤르쯔 발생기(306), 도체(305, 317), 검출기(308) 등을 집적화한다. 스파이럴형 안테나(351)가 진동할 수 있게 되어 있는 유전체의 구조체(350)에 형성되고, 필요에 따라 공간으로 방사된 빔 방향(353)이 편향될 수 있게 되어 있다. 또한, 도체(305, 317)로부터 스파이럴형 안테나(351)로 전력을 공급할 것인지 아닌지를 선택할 수 있도록, 메커니컬 스위치(미도시)가 설치되어 있어도 된다. 시료(352)에 조사된 전자파의 반사파는 다시 스파이럴형 안테나(351)에 의해 수신되어 검출기(308)로 신호를 획득한다.

스파이럴형 안테나(351)를 탑재한 구조체(350)가 1차원적으로 진동될 수 있도록 설정되어 있으면, 빔 스캐닝을 수행할 수 있으므로, 시료(352)를 스캔 방향과 직교 방향으로 이동시키면서 시료(352)의 2차원 반사 상을 얻을 수 있다. 이때, 전자기파의 지향성을 향상시켜 상(image)의 공간 분해가능을 향상시키기 위해서, 유전체 렌즈 혹은 포토닉 결정(미도시)을 스파이럴형 안테나(351) 위에 더 실어도 좋다. 그 결과, 파장 오더의 공간 분해능을 획득할 수 있기 때문에, 공간 분해능은 1THz의 주파수를 갖는 전자기파의 경우에는 약 300㎛가 된다. 또한 분해능을 향상시키기 위해서는, 상술한 렌즈 혹은 포토닉 결정에, 파장의 1/10 이하의 크기를 갖는 미소 개구, 즉 30㎛ 이하의 크기를 갖는 개구를 금속 등을 이용해서 형성하면, 이 개구는 근접장 프로브로서 기능한다. 그 결과, 개구의 크기 정도의 분해능을 통해서 상을 획득할 수 있다. 그러나, 이 근접장 프로브를 사용할 경우에는, 시료(352)를 렌즈 혹은 포토닉 결정에 근접시킨 상태에서 시료(352)를 검사할 필요가 있다.

이와 같이 본 실시예에서는, 비접촉 방식으로 시료(352)를 검사할 수 있다. 실제로, 테라헤르쯔파는 공기 중으로 전파되면서 크게 감쇄되기 때문에(약 100 dB/km), 수 미터 이하의 크기를 갖는 시료에 대한 검사가 실용적이다.

이 경우에, 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 전자기파의 발생 및 검출이 전부 하나의 모듈을 이용해서 처리되는 예를 들었지만, 발생기와 검출기가 개별 모듈의 형태로 되어 있어도 된다. 그 경우에, 발생기와 검출기를 대향시켜서 시료의 투과 2차원 상을 얻을 수 있다.

제7 실시예

본 발명에 따른 제7 실시예에서, 믹싱 빔에 의해 테라헤르쯔 CW 빔을 발생시키는 것이 아니라, 테라헤르쯔 영역까지 범위의 주파수를 갖는 임펄스(impulse)를 발생시켜서 시간 영역 계측(Time Domain Spectroscopy:TDS)을 수행한다.

도 15에는 집적 모듈의 구성이 도시되어 있다. 기판(301) 위에는 반도체 모드 록 레이저(360)가 실장되고, 약 0.3 psec의 폭을 갖는 펄스가 반도체 모드 록 레이저(360)로부터 방출되어 광도파로(361)에 결합된다. 전파된 레이저 빔 중 하나는 테라헤르쯔 발생기(306)에 조사되고, 약 0.5 psec정도의 펄스폭을 가진 전자기파(366)로 변환되어 전송로를 통해서 전파된다. 광도파로(361)에서 분기를 통해서 획득된 레이저 빔의 나머지 전부는 광 지연부(362)를 통해서 참조번호 364로 나타낸 것처럼 검출기(363)에 조사된다. 광 검출기(363)는 테라헤르쯔 발생기(306)와 같은 구조를 갖는 광전도 스위치 소자이다. 따라서, 광 검출기(363)에서, 레이저 펄스가 조사되는 타이밍에서만, 포토 캐리어가 발생하므로, 전송로를 통해서 전파된 전자기파의 전계의 크기에 따라 전류가 흘러서 신호의 형태로 검출된다. 따라서, 지연 부(362)의 지연량을 변화시킴으로써 테라헤르쯔 펄스의 전계 강도의 시간 변화를 계측할 수 있다. 지연부(362)는 지연 도파로 및 광 스위치(미도시), 굴절률 을 변화시키는 소자 등으로 구성될 수 있다. 검출 방법으로서는, 본 실시예의 방법 이외에, EO 결정을 광 검출기(363) 전에 구비하여, 테라헤르쯔 펄스 강도의 시간 변동을 EO 결정의 코켈스(Pockels) 효과에 근거한 변동으로 변경하고, 펄스 레이저로부터의 레이저 빔의 분기를 통해서 획득된 빔의 투과 광강도를 광 검출기(363)로 측정하는 방법을 이용해도 된다.

본 실시예에서도, 제6 실시예와 같이, 스파이럴형 안테나(351)에서 공간으로 전자기파 펄스를 방사시켜서 시료(352)로부터 반사 전자기파를 측정하여 임펄스 응답을 체크함으로써, 비접촉 방식으로 시료(352) 내부의 캐리어 농도, 유전율, 이동도 등을 검사할 수 있다. 발생기와 검출기의 2개의 모듈을 대향시켜서 투과 측정을 행해도 좋다. 이들 방법은 반도체, 특히 유기 반도체, 및 도전성 고분자막의 평가에 적합하다. 제6 실시예와 같이 시료가 빔으로 스캔되면, 시료의 2차원 분포도 검사할 수 있다. 또한, 지연시간을 측정하면, 시료의 고정밀한 리모트 위치 센싱도 가능해진다. 테라헤르쯔 펄스 폭이 0.5 psec일 경우에, 펄스 폭의 절반 정도의 지연량을 검출할 수 있다면, 0.5 × 10^-12/2 ×(3×10⁸) = 750㎛의 정밀도로 시료의 위치를 검출할 수 있다.

이들 TDS를 수행하는 경우에는, 제5 실시예에서 설명한 바와 같이 동기 검파를 행하면서 빔 지연량을

의 오더로 변화시켜서 순차적으로 트레이스(trace)를 수행하면, 반드시 고속 전자회로를 사용하지 않아도 된다.

제8 실시예

상술한 실시예에서는, 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 전자기파를 이용해서 센싱을 행하기 위한 소형의 집적 모듈의 구성에 관해서 설명해 왔다. 이 집적 모듈은 종래의 예에서 설명한 바와 같이 물질을 검사하기 위한 2차원의 투과 또는 반사 이미징 장치, 혹은 근거리 위치 센싱 레이더 등, 보다 휴대성이 좋은 장치로서 적용될 수 있다. 이 집적 모듈이 이미징 장치로서 이용될 경우에는, 소지품의 시큐리티 체크 혹은 IC 카드의 검사 시스템, 지문 센서, 혹은 혈류, 피부, 눈 등을 진단하기 위한 의료 진단 시스템 등으로서 설치 스페이스를 요구하지 않고 모든 장소에서 간단하게 검사를 수행할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 집적 모듈을 위치 센싱을 위해 사용할 경우에도, 집적 모듈은 휴대 기기에 내장된 형태로 제공될 수 있다. 따라서, 집적 모듈은 디스플레이 장치 혹은 컴퓨터 등으로의 무선 입력부, 리모트 컨트롤 장치, 혹은 게임 등에 있어서의 포인팅 디바이스 등에 응용 가능하다.

도 16a 및 도 16b는 센싱 시스템의 사용방법을 간단하게 설명하는 사시도이다. 도 16a에서, 상술한 집적 모듈을 탑재한 카드(372)를 삽입구(371)를 통해서 분석 장치(370) 내에 장착하여 모듈 위에 실은 또는 모듈의 위쪽에 있는 시료를 분석할 수 있다. 또는, 모듈 장치에 메모리를 탑재하고, 모듈 장치를 분석 장치(370)에 장착했을 때에 미리 검사해 둔 정보를 분석하는 방식를 채용해도 된다.

또한, 도 16b에 도시한 바와 같이, 상술한 집적 모듈을 탑재한 카드에 무선장치를 설치하고, 무선통신(373)으로 정보를 적당하게 분석 장치에 송신하는 방식, 휴대전화 등에 모듈을 탑재한 카드를 접속해서 분석 장치에 정보를 송신하는 방식 등을 채용해도 된다.

밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 전자기파를 사용하는 이러한 소형의 모듈을 채용함으로써, 각 개인이 용이하게 수행할 수 있고, 건강 상태 체크, 인증 및 시큐리티 체크, 정보 기기로의 데이터 및 위치 정보의 입력 등을 어디든지 수행할 수 있는 시스템을 실현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 주로 밀리미터파에서 테라헤르쯔파 범위의 전자기파를 사용한 센싱을 수행하는 기능을 하며, 전자기파의 공간 전파의 상태의 가변 제어, 즉 안테나의 방사 강도 및 빔 편향, 턴-온/턴-오프 등의 제어가 용이한, 소형 저소비 전력 집적 모듈 등으로서 용이하게 구성될 수 있는 고주파 전기 신호 제어장치를 실현할 수 있다. 그 결과, 생체 정보 검사 시스템, 수화물 시큐리티 체크 시스템, 재료 해석을 수행하는 투과/반사 이미징 시스템, 무선으로 위치 정보를 센싱하는 레이더 시스템, 각종 정보기기에 데이터를 입력하기 위한 포인팅 디바이스 등에 고주파 전기 신호 제어장치를 적용하여, 이들 장치 또는 시스템의 휴대성을 향상시킬 수 있다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
레이저 빔을 발생시키는 레이저 장치와,

상기 레이저 빔을 전파시키는 광도파로와,

상기 레이저 빔을 상기 레이저 빔보다 낮은 주파수를 가진 전기 신호로 변환하는 소자로서 기능하는, 전기 신호를 발생시키는 발생기와,

상기 전기 신호를 전파시키는 전송로와,

상기 전송로로부터 상기 전기 신호를 검출하는 검출기를 구비하고,

상기 레이저 장치, 상기 광도파로, 상기 발생기, 상기 전송로 및 상기 검출기가 동일 기판 위에 집적화되는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기 발생기는 상기 레이저 빔을 전파시키는 광도파로에 결합되도록 도파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
삭제
제 14 항에 있어서,

상기 광도파로를 구성하는 유전체 부재와 상기 전송로를 구성하는 유전체 절연층이 동일 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기 레이저 장치는 서로 다른 발진 파장을 가진 2개의 장치를 포함하고,

상기 2개의 장치로부터 출사된 빔은 상기 동일 기판 위에 형성된 Y-분기 광도파로에서 서로 혼합되며,

상기 2개의 장치 간의 주파수 차에 해당하는 주파수를 가진 전기신호를 상기 발생기로부터 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기 레이저 장치는 단 펄스를 발생시키도록 되어 있는 반도체 모드 록 레이저로 구성되고,

상기 발생기에 의해 단 펄스의 전기 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 18 항에 있어서,

상기 반도체 모드 록 레이저의 광 출력을 상기 동일 기판 위에 형성된 광도파로를 통해서 상기 검출기로 인도할 수 있고,

상기 반도체 모드 록 레이저의 광 출력을 상기 검출기로 인도하는 광도파로에는 지연량을 변화시키는 광 지연부가 설치되며,

지연량을 변화시키면서 단 펄스의 전기 신호의 시간 파형을 계측하는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기 전송로에, 공간으로의 전자기파 방사, 공간으로부터의 전자기파 수신이 가능한 안테나를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 20 항에 있어서,

상기 안테나로부터 방사된 전자기파의 방향을 편향하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기 전기 신호의 주파수로서 밀리미터파대에서 테라헤르쯔파대(30GHz~30THz) 범위의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 전기 신호 제어장치.
제 13 항에 기재된 전기 신호 제어장치를 이용하여, 상기 전기신호를 전파시키기 위한 전송로 위에 위치된 물체의 표면 혹은 내부의 구성 원소, 유전율 분포 상태, 위치 정보 등을 계측하는 것을 특징으로 하는 고주파 센싱 시스템.
제 20 항에 기재된 전기 신호 제어장치를 이용하여, 공간으로의 전자기파의 전파를 제어해서 무선으로 물체의 표면 혹은 내부의 구성 원소, 유전율 분포 상태, 위치 정보 등을 계측하는 것을 특징으로 하는 고주파 센싱 시스템.
30 GHz부터 30 THz까지의 주파수 범위를 갖는 전자기파를 발생시키는 전자기파 발생장치로서,

레이저 장치;

상기 레이저 장치로부터 출력된 레이저 빔을 전파시키는 광도파로;

상기 광도파로를 통해 전파된 레이저 빔을 상기 전자기파로 변환하는 광전도 스위치; 및

상기 광전도 스위치에 의해 변환된 전자기파를 전파하기 위한 도체 부분으로 구성된 전송로를 포함하며,

상기 레이저 장치, 상기 광도파로, 상기 광전도 스위치 및 상기 전송로는 단일 기판 상에 형성되어 상기 기판의 평면 방향으로 집적화되며,

상기 광전도 스위치 상면에 있는 상기 광도파로의 모서리에서 제1 전극 및 제2 전극이 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 갭(gap)을 가지도록 형성되며,

상기 광도파로는 상기 광도파로를 통해 전파되는 레이저 빔이 상기 광전도 스위치의 상기 광도파로가 위치한 측면의 상기 갭에 상응하는 부분에 도달하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 기판과 상기 전송로를 구성하는 도체 부분 사이에 절연체가 형성되며,

상기 절연체와 상기 광도파로는 동일 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 기판과 상기 전송로를 구성하는 도체 부분 사이에 절연체가 형성되며,

상기 절연체와 상기 광도파로는 동일 평면에 형성된 동일한 감광성 물질로 이루어지며,

상기 광도파로는 마스크 패턴 형성 및 노광 단계를 통해 상기 광도파로가 상기 절연체보다 높은 굴절률을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 제1 및 제2 전극은 상기 전송로를 구성하는 도체 부분과 접속된 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 전송로를 통해 전파된 전자기파를 전기 신호로서 검출하기 위한 검출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제29항에 있어서,

상기 검출 수단은 쇼트키 배리어 다이오드, 제2 광전도 스위치, 및 EO 결정과 광검출기의 결합 가운데 하나인 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제29항에 있어서,

상기 전송로를 구성하는 도체 부분은 상기 광전도 스위치로부터 상기 검출 수단까지 연장되는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 레이저 장치는 서로 다른 발진 파장을 갖는 2개의 레이저 기기를 포함하며,

상기 광도파로는 Y-분기 광도파로이며,

상기 2개의 레이저 기기로부터 방출된 레이저 빔은 상기 Y-분기 광도파로에서 믹싱되고, 상기 광전도 스위치로 인가되어 상기 2개의 레이저 기기의 파장 간의 차이에 상응하는 전기신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
제25항에 있어서,

상기 레이저 장치는 펄스 레이저 빔을 방출하도록 구성되고,

상기 광도파로는 상기 레이저 장치로부터 방출된 펄스 레이저 빔을 전파하며 상기 펄스 레이저 빔을 2개의 펄스 레이저 빔으로 분할하도록 구성되며,

상기 2개의 펄스 레이저 빔 가운데 하나는 상기 광전도 스위치에 의하여 전자기파로 변환되며,

상기 2개의 펄스 레이저 빔 가운데 다른 하나는 상기 검출 수단으로 인가되며,

상기 검출수단으로 인가하기 위한 광도파로는 광지연부를 구비하며,

상기 단(短)펄스 전기 신호의 시간 파형은 상기 지연량이 상기 광지연부에 의해 변화되는 동안 측정되는 것을 특징으로 하는 전기신호 발생장치.
제25항 내지 제33항 가운데 어느 하나의 항에 있어서,

전자기파를 공간으로 방사하고 상기 공간으로부터 전자기파를 수신하여 상기 검출 수단으로 인가할 수 있는 안테나를 더 포함하며, 상기 안테나는 상기 전송로에 제공되는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치.
삭제
삭제
30 GHz부터 30 THz까지의 주파수 범위를 갖는 전자기파를 발생시키는 전자기파 발생장치를 제조하는 방법으로서,

기판을 배치하는 단계;

상기 기판상에 레이저 장치, 광전도 스위치 및 검출기를 형성하는 단계;

상기 기판상에서, 상기 레이저 장치, 상기 광전도 스위치 및 상기 검출기를 포함하는 평면에 광투과성 절연층을 형성하는 단계;

마스크 패턴을 형성한 후 노광을 수행함으로써, 광도파로가 상기 레이저 장치로부터 상기 광전도 스위치까지 연장되도록 형성되어 있는 상기 광투과성 절연층 영역이, 주변 영역보다 높은 굴절률을 갖도록 하는 단계;

상기 광전도 스위치의 상면의 상기 광도파로측 가장자리 상에, 한 쌍의 전극을 상기 한 쌍의 전극 사이에 갭(gap)을 가지도록 형성하는 단계; 및

도체 부분으로 구성되어 상기 광전도 스위치에서 상기 검출기까지 연장되는 전송로를 형성하는 단계를 포함하는 전자기파 발생장치 제조방법.
제37항에 있어서,

상기 기판을 배치하는 단계는, 반-절연성(semi-insulating) GaAs 기판 상에 AlGaAs 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 발생장치 제조방법.