KR101039126B1 - 테라헤르츠파 평행판 도파관 - Google Patents

테라헤르츠파 평행판 도파관 Download PDF

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전태인
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한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 한 쌍의 금속판이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성하는 테라헤르츠파 평행판 도파관에 관한 것이다.
본 발명에 따른 한 쌍의 금속판이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성하는 테라헤르츠파 평행판 도파관은, 서로의 간격이 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어지는 입력단 또는 출력단 중 적어도 어느 하나가 금속판에 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 그 구조를 간단히 할 수 있으며, 종래의 반사 손실과 결합 손실을 극복함으로써, 테라헤르츠파의 전파 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

테라헤르츠파 평행판 도파관{Terahertz parallel-plate waveguide}
본 발명은 한 쌍의 금속판이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성하는 테라헤르츠파 평행판 도파관에 관한 것이다.
테라헤르츠(Terahertz)파는 마이크로웨이브와 광파의 중간 영역에 위치하는 근 적외선영역의 전자기파이다. 0.1~10THz 정도의 주파수를 가지고 있으며 파장으로는 0.03~3mm, 에너지로는 0.4~40meV에 해당하는 영역으로, 과거 발생과 검출의 기술적 한계로 전자기파의 영역 중 유일하게 미지의 영역으로 남아 연구가 되지 않았다. 그러나 테라헤르츠의 광원인 펨토초 레이저가 개발됨에 따라 발생과 검출이 가능해지고 최근에는 전 세계적으로 테라헤르츠 대역에 관한 연구가 기초적인 학문으로서의 성격에서 벗어나 응용기술로 발전하고 있다.
테라헤르츠파 대역은 마이크로웨이브와 광파의 대역 중간에 위치하고 있어 빛의 직진성과 전자기파의 투과성을 모두 가지고 있으며, 마이크로파나 광파가 투과할 수 없는 물질을 쉽게 투과하고 수분에 잘 흡수되는 특성을 가지고 있기 때문에 의학, 의공학, 생화학, 식품공학, 공해감시 및 보안검색 등의 산업에 점차 확장되며 중요성이 날로 증대되고 있다. 또한, 테라헤르츠 도파관, 필터, 공진기와 같은 수동소자의 활발한 연구로 이를 이용한 응용연구인 나노기술, 정보기술, 생명기술, 환경기술, 우주기술 및 군사기술 등 여러 기술 간의 융합 기술 발전에 광범위하게 적용이 가능하다.
특히, 도파관의 경우 집적회로의 기판과 기판사이에서 근거리 전송과 장비들 간의 전송에 있어서 반드시 개발되어야 하며, 최근에 테라헤르츠 영역에서의 수동소자로 단일 모드 전파가 가능한 원형 금속 도파관(circular metal waveguide)], 사각형 금속 도파관(rectangular metal waveguide), 단결정 크리스탈 광섬유(single-crystal sapphire fibers), 평면 전송선(transmission line)], 단일 금속선(single metal wire), 동축케이블(coaxial cable), 평행판 도파관(parallel-plate waveguide) 등이 보고되어 있다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 한 쌍의 금속판(110a, 110b), 즉 평행판이 대향 배치되어 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성한다. 평행판 도파관은 상기의 도파관 중에서도 군속도 분산이 거의 없는 TEM(transverse electromagnetic) 단일 모드의 전파가 가능하며, 평행판 사이에 테라헤르츠파의 에너지를 집속시킬 수 있다. 특히, 분광학, 센싱 및 필터, 슈퍼 프리즘(super-prism) 및 브래그 공진(Bragg resonances) 등에서 연구되고 있는 바와 같이, 테라헤르츠 영역에서 활용도가 가장 높은 도파관이다.
종래의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 테라헤르츠파를 집속시키고 방사시키기 위해 입력단과 출력단에 고저항의 원통형의 실리콘 렌즈(high resistivity cylindrical silicon lens, 120a, 120b)를 형성한다. 구체적으로, 간격이 100㎛ 이하인 평행판 사이에 테라헤르츠파를 집속키기 위해, 입력단으로 실리콘 렌즈(120a)를 사용하고, 평행판 사이를 진행한 테라헤르츠파를 공기 중으로 방사시키기 위해, 출력단으로 실리콘 렌즈(120b)를 사용한다. 이 실리콘 렌즈(120a, 120b)는 테라헤르츠 영역에서 일정한 굴절률과 낮은 흡수율을 가지며 테라헤르츠파의 집속 및 방사를 제어한다.
하지만, 실리콘 렌즈는 높은 굴절률로 인해 표면에서 대략 30%의 반사 손실을 발생시키며, 실질적으로 양단 모두 실리콘 렌즈를 사용하게 되므로 그 반사 손실은 50%에 달하는 문제점이 있다. 또한, 평행 도파관과 실리콘 렌즈를 서로 밀착시켜 결합하는 과정에서 평행판 사이의 도파로와 실리콘 렌즈의 중앙이 불일치하는 등, 평행 도파관과 실리콘 렌즈의 결합 손실이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 렌즈 때문에 구조적으로 간단해야할 도파관이 복잡하게 되는 문제점이 있다.
결국, 상술한 손실로 인해 테라헤르츠파의 전파 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 종래의 실리콘 렌즈를 채용함에 따른 반사 손실과 결합 손실을 극복하여 테라헤르츠파의 전파 효율을 향상시키며, 그 구조를 간단히 할 수 있는 테라헤르츠파 평행판 도파관을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 한 쌍의 금속판이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성하는 테라헤르츠파 평행판 도파관은, 서로의 간격이 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어지는 입력단 또는 출력단 중 적어도 어느 하나가 금속판에 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 평행면과 경사면의 경계면이 만곡되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 평행면과 경사면이 이루는 각도가 1°이상 10°이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관을 진행하는 테라헤르츠파는 TEM 모드 테라헤르츠파인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관에 상기의 입력단 또는 출력단 중 어느 하나만 형성되는 경우, 타단은 실리콘 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해 본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관은 그 구조를 간단히 할 수 있으며, 종래의 반사 손실과 결합 손실을 극복함으로써, 테라헤르츠파의 전파 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 실험 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 입력단의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 피크 투 피크(Peak to Peak)값을 나타낸 피크 투 피크 곡선이다.
도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 입력단의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 경계면에 따른 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 경계면에 따른 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 10b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 10c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 결합 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠 평행판 도파관을 제작한 사진이다.
본 발명의 테라헤르츠파 평행판 도파관은, 입력단과 출력단으로 사용되는 실리콘 렌즈 대신에, 평행면에 대해 경사면을 가지는 입력단 또는 출력단을 형성함으로써, 그 구조를 간단히 하며, 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
<제1 실시예>
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관(200)은 한 쌍의 금속판(210a, 210b)이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성한다. 또한, 입력단(210c)이 평행면을 이루는 금속판(210a, 210b)에 일체로 형성된다. 이때의 입력단(210c)은 서로의 간격이 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어진다. 즉, 금속판 각각을 평행면과, 일단이 평행면에 대해 경사진 경사면으로 형성하고, 이들을 간격을 가지고 서로 마주보도록 체결시킴으로써, 입력단 일체형 평행판 도파관을 형성한다. 타단, 즉 출력단(210d)은 종래와 마찬가지로, 실리콘 렌즈(220)로 구성하여 형성한다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관은, 종래의 실리콘 렌즈를 채용하는 대신에 경사진 구조의 금속판으로 입력단을 형성한다. 이와 같이 형성되는 입력단을 통하여, 평행하게 진행하는 외부의 테라헤르츠파가 평행판 도파관으로 입사하게 되면, 경사면에 의해 전반사가 일어난다. 전반사의 각은 전반사될 때 마다 증가하므로, 평행판 도파관 내부로 테라헤르츠파를 집속시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에서는 입력단으로 사용되는 실리콘 렌즈를 제거함으로써, 반사 손실과 결합 손실을 방지하여 효율을 향상시킬 수 있는 한편, 그 구조를 간단히 할 수 있다. 이는 다음의 도 3 내지 도 4c를 통해 기술하는 실험 데이터에 의해서 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 실험 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실험에 사용된 도파관은, 향상된 효율을 확인하기 위해 종래의 평행판 도파관(100)을 레퍼런스(reference)로 하고, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관(200)을 비교 대상으로 한다.
종래의 평행판 도파관(100)의 입출력단으로 사용되는 실리콘 렌즈는, 고저항의 원통형 실리콘 렌즈로서 테라헤르츠파의 영역에서 일정한 굴절률(n=3.418)과 작은 흡수율(α=0.05㎝-1 이하)로 테라헤르츠파의 집속과 방사를 위해 구비한다. 또한, 실리콘 렌즈는 높이 9.1mm, 반지름 5mm, 길이 15mm 이며, 굴절률에 의해 테라헤르츠파가 집속되도록 최적의 규격으로 제작한다.
종래의 평행판 도파관(100)은 재질이 알루미늄이며, 길이 30mm, 폭 30mm, 각각의 금속판 두께는 10mm로 제작한다. 또한, 테라헤르츠파가 진행하는 면, 즉 서로 마주보는 금속판의 평행면은 기계적 가공에 의한 스크래치를 없애기 위해서 고광택 금속연마제로 깨끗하게 연마(polishing)한다.
또한, 테라헤르츠파를 평행판 사이의 100㎛ 간격에 집속시키고 방사히기 위하여 상기의 실리콘 렌즈를 입력단과 출력단에 결합하며, 실리콘 렌즈를 부착할 때 평행판 사이의 간격과 실리콘 렌즈의 중앙부분이 일치하도록 현미경을 통해 확인을 하면서 결합한다. 결합시 실리콘 렌즈와 평행판 사이에 미세한 공간이 생기지 않도록 힘을 가하여 부착한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관(200)은 재질이 알루미늄이며, 입력단을 제외한 평행판 부분은 종래의 평행판 도파관(100)과 동일하게 하여 제작한다. 또한, 금속판을 경사지게 가공하여 입력단을 형성하며, 평행면과 경사면이 이루는 각도인 경사각 θ를 3˚, 5˚, 10˚, 15˚, 20˚로 달리하고 마주보는 금속판도 같은 각도로 하여, 서로 다른 경사각을 갖는 복수의 평행판 도파관(200)을 제작한다. 또한, 서로마주보는 금속판의 평행면은 종래와 마찬가지로 표면을 깨끗하게 연마하고, 출력단은 종래와 동일한 조건을 만들기 위해 실리콘 렌즈를 같은 방법으로 결합한다.
이와 같이 구비된 테라헤르츠파 평행판 도파관을 실험하기 위한 장치는, 일반적인 테라헤르츠 시간영역 분광법 시스템(THz-TDS system)이며, 테라헤르츠파가 진행하는 두 포물면 반사경(parabolic mirror, 310) 사이에 평행판 도파관(100, 200)을 도 3과 같이 위치시켜 실험을 진행한다.
테라헤르츠 시간영역 분광법 시스템은 532nm의 파장을 가지고 최대 5W의 출력을 낼 수 있는 다이오드 펌프드 CW 레이저(Diode Pumped CW laser)가 모드 잠금된 티타늄 사파이어 펄스 레이저(Ti:Sapphire pulse laser)로 파장 800nm, 펄스폭 80fs, 반복률 83MHz을 가진다. 이 발생된 레이저 빔은 빔 스플리터(beam splitter)로 펌프 빔(pump beam)과 프로브 빔(probe beam)으로 나누어져, 펌프 빔은 테라헤르츠파를 발생시키기 위해 송신기(transmitter chip, 320)로, 프로브 빔은 테라헤르츠파를 검출하기 위해 수신기(receiver chip: 330)로 도달하게 된다. 이때, 두 빔의 경로 길이를 일치시켜 테라헤르츠 펄스가 같은 시간에 수신기(330)에 도달하게 한다. 한편, 펌프 빔의 경로에 시간 지연기(delay line)를 설치하여 펌프 빔의 길이를 조절하며, 이 두 빔 사이의 시간적 차이를 이용해 테라헤르츠파를 랩뷰 프로그램(labview program)을 이용하여 스캐닝하면 테라헤르츠파의 파형을 얻을 수 있다.
송신기(320)는 저온 성장시킨 GaAs 기판위에 금속으로 라인폭 10㎛, 두 라인의 간격이 80㎛인 공면(coplanar) 형태의 안테나 구조의 칩을 사용하고, 두 라인 양단에 80V의 전압을 걸어주어 펌프 빔을 (+) 전극에 위치시키면 테라헤르츠파가 안테나로부터 방사한다.
수신기(330)는 SOS(silicon on sapphire) 기판 상에 라인폭 10㎛, 두 라인 간격 30㎛, 다이폴 사이의 간격이 5㎛인 안테나 전극을 형성하고 프로브 빔을 조사하여, 테라헤르츠파가 SOS 칩에 도달하여 미세전류 펄스가 발생하면, 전류검출소자 로크인 증폭기(lock-in amplifier)에 의해 전류를 측정하여 간접적으로 테라헤르츠파의 전계강도를 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관을 진행하는 테라헤르츠파는 진행방향으로 전계와 자계의 성분이 없는 TEM(Transverse Electromagnetic) 모드의 테라헤르츠파가 사용된다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 전파특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 3을 통해 상술한 종래의 평행판 도파관과 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관을 제작하여 테라헤르츠 시간영역 분광법 시스템으로 측정한 결과를 나타낸 것으로, 도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 입력단의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이고, 도 4b는 도 4a의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 피크 투 피크(Peak to Peak)값을 나타낸 피크 투 피크 곡선이며, 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 입력단의 경사각에 따른 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다. 여기서, 도 4c는 시간영역의 그래프를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform, FFT) 하여 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 실선은 경사각에 따른 본 발명의 제1 실시예의 평행판 도파관을 전파한 시간영역 그래프이고, 점선은 종래의 평행판 도파관을 전파한 시간영역의 그래프이다. 실제 데이터는 0 ~ 16psec 까지 측정하였고, 테라헤르츠파의 크기변화를 확인하기 위해 3 ~ 6psec 까지 데이터만을 취득하여 경사각에 따른 테라헤르츠파를 동시에 나타낸 것이다. 육안으로도 각도에 따라 확실히 피크 투 피크값의 차이가 구별된다. 수치적으로 값을 나타내어보면, 경사각 θ가 차례로 20˚, 15˚, 10˚, 5˚, 3˚일 때 피크 투 피크값은 차례로 501pA, 589pA, 736pA, 1093pA, 1380pA로 나타나며, 경사각이 작을수록 테라헤르츠파의 세기가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 종래의 평행판 도파관의 피크 투 피크값은 788pA이므로 경사각이 10˚ 보다 작을 때 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관은 종래 보다 크기가 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 경사각에 따른 반칙폭을 보면 경사각이 차례대로 0.31psec, 0.31psec, 0.32psec, 0.31psec, 0.32psec이고, 종래의 반칙폭은 0.40psec이다. 이는 경사각을 가지는 구조에서 경사각에 따른 분산의 영향이 거의 없음을 나타내고 있으며, 종래 보다 분산이 적음을 나타내고 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 경사각에 상관없이 중심주파수가 1THz 이고 에너지가 4THz 까지 존재하는 것을 알 수 있으며, 그 크기 역시 경사각이 작아질수록 커짐을 알 수 있다. 측정된 최대경사각 20˚와 최소경사각 3˚의 크기가 거의 3배 차이가 나는 것을 확인할 수 있으며, 크기가 가장 큰 3˚일 때 종래와 비교해보면 1THz에서 60% 향상된 것을 확인할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관은 경사각에 상관없이 TEM 모드의 전파가 가능하고, 경사각이 작아질수록 테라헤르츠파의 세기가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 종래와 비교하여 경사각이 10˚ 이하 일 때는 종래보다 결합효율이 향상됨을 알 수 있었다. 특히, 경사각이 3˚일 때 종래와 비교하면 60% 향상된다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤츠파 평행판 도파관의 평행면과 경사면이 이루는 각도, 즉 경사각은 1°이상 10°이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 경사진 입력단은 종래의 입력단으로 사용된 실리콘 렌즈의 기능을 행할 수 있는 구조이므로, 실리콘 렌즈의 반사 손실을 제거하게 되면서 그 결합 효율이 크게 향상시킬 수 있다.
<제2 실시예>
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관(300)은 평행면과 경사면의 경계면이 만곡 처리된다. 이는 테라헤르츠파 평행판 도파관이 초소형 구조물이기 때문에, ㎛ 단위에서 보면 평행한 부분과 경사진 부분이 만나는 경계면이 급격한 모서리를 형성하므로, 이 경계면의 구조 때문에 100㎛ 라는 좁은 공간에서 입사되는 테라헤르츠파의 반사파가 생기게 되며, 이 반사파는 결국 평행판 도파관의 손실을 가져오게 될 수 있는 점을 감안한 것이다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에서는 경계면의 모서리를 완만하게 만들어 테라헤르츠파가 100㎛의 좁은 공간사이를 지날 때 반사파의 손실을 줄일 수 있다.
다음의 도 6a 및 도 6b는 경계면을 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관과, 만곡 처리한 평행판 도파관의 전파특성을 비교한 것으로, 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관은 도 3을 통해 상술한 경사각이 10˚인 평행 도파관과 동일하게 제작한 것이고, 만곡 처리한 평행판 도파관은 상기 경사각이 10˚인 평행 도파관의 경계면 부근을 직경이 80Φ를 가지도록 둥글게 가공하여 곡률 처리하여 제작한 것이다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 경계면에 따른 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 실선은 만곡 처리한 평행판 도파관이고, 점선은 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관이다. 본 발명의 제1 실시예와 동일한 조건의 환경에서 실험을 행하였을 때, 만곡 처리한 평행판 도파관의 반칙폭은 0.32psec, 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관의 반칙폭은 0.32psec로 측정된다. 이에 따라, 분산이 없는 TEM 모드의 테라헤르츠파가 전파됨을 알 수 있다. 또한, 피크 투 피크값은 만곡 처리한 평행판 도파관이 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관 보다 15% 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 경계면에 따른 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 중심주파수 역시 1 THz, 에너지 역시 4THz 까지 존재하는 것을 알 수 있다. 주파수영역에서 비교해 보았을 때 만곡 처리한 평행판 도파관이 대략 13% 정도 향상됨을 알 수 있다. 즉, 경계면을 둥글게 가공한 결과 만곡 처리하지 않은 평행판 도파관 보다 전파효율이 향상된 것을 확인 할 수 있으며, 경계면의 구조가 변화 되어도 TEM 모드의 테라헤르츠파가 전파됨을 알 수 있다.
<제3 실시예>
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관(400)은 한 쌍의 금속판(410a, 410b)이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성한다. 또한, 출력단(410d)이 평행면을 이루는 금속판(410a, 410b)에 일체로 형성된다. 이때의 출력단(410d)은 서로의 간격이 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어진다. 즉, 금속판 각각을 평행면과, 일단이 평행면에 대해 경사진 경사면으로 형성하고, 이들을 간격을 가지고 서로 마주보도록 체결시킴으로써, 출력단 일체형 평행판 도파관을 형성한다. 타단, 즉 입력단(410c)은 종래와 마찬가지로, 실리콘 렌즈(420)로 구성하여 형성한다.
이와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관은, 종래의 실리콘 렌즈를 채용하는 대신에 경사진 구조의 금속판으로 출력단을 형성한다. 이 경사면 구조의 출력단을 사용하면, 평행판 내부에서 전파되어 온 테라헤르츠파가 출력단의 경사면에 의해 반사된다. 출력단의 경사면에서 전반사될 때 마다 테라헤르츠파는 점점 작은 전반사 각을 가지게 된다. 이에 따라, 테라헤르츠파는 입사할 때와 동일하게 평행하게 진행하게 되어 공기 중으로 방사된다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에서는 출력단으로 사용되는 실리콘 렌즈를 제거함으로써, 반사 손실과 결합 손실을 방지하여 효율을 향상시킬 수 있는 한편, 그 구조를 간단히 할 수 있다.
이와 같이, 경사진 구조는 입력단 뿐만 아니라 출력단으로도 적용 가능하며 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 다음의 도 8a 및 도 8b를 통해 기술하는 실험 데이터에 의해서 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 전파특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 3을 통해 상술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 입력단이 경사면을 이루는 평행판 도파관을 제작하는 한편, 이와 마찬가지로 본 발명의 제3 실시예에 따른 출력단이 경사면을 이루는 평행판 도파관을 제작하여, 테라헤르츠 시간영역 분광법 시스템으로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 실선은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관을 전파한 것이고, 점선은 본 발명의 제3 실시예에 따른 평행판 도파관을 전파한 것이다. 삽입된 그래프는 피크 투 피크값를 비교 확인하기 위한 것이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관의 반칙폭은 0.33psec이고, 본 발명의 제3 실시예에 따른 평행판 도파관의 반칙폭 역시 0.33psec로 측정된다. 이는 서로 다른 구조의 두신호가 동일한 형태로 전파되었다는 것을 말해준다.
도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 전체적으로 보았을 때 본 발명의 제3 실시예에 따른 평행판 도파관의 그래프는 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관의 그래프와 마찬가지로 주파수영역의 왜곡 없이, 중심주파수가 1 THz 이고 4 THz까지 에너지가 존재한다.
따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 평행판 도파관은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관과 전파특성이 동일하다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 결과에 따라 후술하는 본 발명의 제3 실시예에 따른 평행판 도파관도 구현 가능함을 알 수 있다.
<제4 실시예>
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠 평행판 도파관을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관(500)은 한 쌍의 금속판(510a, 510b)이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성한다. 또한, 입력단(510c)과 출력단(510d)이 평행면을 이루는 금속판(510a, 510b)에 일체로 형성된다. 이때의 입력단(510c)과 출력단(510d)은 서로의 간격이 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어진다. 즉, 금속판 각각을 평행면과, 일단이 평행면에 대해 경사진 경사면으로 형성하고, 이들을 간격을 가지고 서로 마주보도록 체결시킴으로써, 입출력단 일체형 평행판 도파관을 형성한다.
상술한 각각의 실시예들을 통해서, 입출력단 중 일단이 경사진 구조로 형성된 테라헤르츠파 평행판 도파관은 경사각에 의해 결합 효율이 향상되며, 실제 TEM 모드 전파 역시 종래의 평행판 도파관과 같은 형태의 테라헤르츠파 파형이 나오는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 제4 실시예에서는 평행판 도파관으로 테라헤르츠파를 집속시키는 입력단과, 평행판 도파관으로부터 테라헤르츠파를 방사시키는 출력단을 모두 경사진 구조로 제작 가능하다. 이에 따라, 본 발명의 제4 실시예에서는 종래의 실리콘 렌즈를 모두 제거하여 금속판 단일 구조로 됨으로써, 평행판 도파관의 결합 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관도 상술한 경사각에 따른 전파특성, 평행면과 경사면의 경계면 만곡 처리 등에 따라 효율이 향상되는 것은 물론이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 전파특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 상술한 본 발명의 실시예들과 마찬가지로 재질은 알루미늄으로 하고, 길이 등의 수치는 동일하게 하고, 입력단과 출력단의 경사각은 3˚로 하였으며, 서로 마주보는 표면 역시 깨끗하게 연마하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관을 제작한 후, 테라헤르츠 시간영역 분광법 시스템으로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 10a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 시간영역 그래프이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관과, 종래의 평행판 도파관의 반칙폭은 차례대로 0.31psec, 0.33psec, 0.40psec이며, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관 역시 다른 평행판 도파관과 비교했을 때 그 전파특성이 동일함을 알 수 있다. 또한, 피크 투 피크값은 1616pA, 1114pA, 787pA 로 측정된 바와 같이, 결합 세기가 확실히 커졌음을 알 수 있다. 종래와 비교해보았을 때 본 발명의 제4 실시예와, 본 발명의 제1 실시예는 각각 138%, 38% 향상된 것을 알 수 있다.
도 10b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 테라헤르츠파의 주파수영역 그래프이다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관 역시 1THz의 중심주파수를 가지고, 그 에너지가 4THz 까지 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 왜곡이 없는 TEM 모드의 테라헤르츠파가 전파되었음을 확인할 수 있다.
도 10c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠파 평행판 도파관의 결합 효율을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 평행판 도파관의 간격 100㎛에서 30mm의 길이를 전파한 테라헤르츠파의 흡수손실이 약 13%에 해당하는 경우, 이 흡수손실을 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관과, 종래의 평행판 도파관 각각의 흡수손실과 비교한 비(ratio)로 구한 결합 효율이다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평행판 도파관과, 종래의 평행판 도파관 각각 결합효율이 56%, 42%, 27%로 나타났으며, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관의 손실이 가장 작음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평행판 도파관과, 종래의 평행판 도파관 비교하면, 결합 효율이 100% 이상 향상되었다.
또한, 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠 평행판 도파관을 제작한 실제 사진으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 테라헤르츠 평행판 도파관은 단일의 금속판으로 이루어짐을 도시하고 있다.
<다른 실시예>
상술한 제1 실시예 내지 제4 실시예에서는 간격이 100㎛이며, TEM 모드 테라헤르츠파를 전파하는 평행판 도파관을 예를 들어 설명하였다. 본 발명의 다른 실시예에서는 필요에 따라 평행판 도파관의 간격과, 전파되는 테라헤르츠파의 모드를 달리할 수 있다. 즉, 간격, 모드 등의 조건을 달리하여도 평행판 도파관에 경사면 구조의 입력단 또는 출력단을 적용하는 것이 가능하다. 예컨대, 평행판 도파관의 간격이 1cm이고, 이때의 테라헤르츠파는 진행방향으로 자계 성분이 있는 TE(Transverse Electric) 모드인 경우, 경사면 구조를 적용하여 상술한 실시예들과 같은 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 평형판 도파관의 간격을 넓히면 TEM 모드뿐만 아니라 다양한 고차 모드가 발생되는데, 이 역시 본 발명에서 제안한 경사면 구조의 평행판 도파관을 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 평형판 도파관은 테라헤르츠파의 모드와 상관없이 적용된다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200, 300, 400, 500 : 테라헤르츠 평행판 도파관
210a, 210b, 410a, 410b, 510a, 510b : 금속판
210c, 410c, 510c : 입력단
210d, 410d, 510d : 출력단
220, 420 : 실리콘 렌즈

Claims (5)

  1. 한 쌍의 금속판이 대향 배치되어, 테라헤르츠파가 진행하는 평행면을 형성하는 테라헤르츠파 평행판 도파관에 있어서,
    상기 금속판에는, 서로의 간격이 상기 평행면의 간격까지 점진적으로 감소하는 한 쌍의 경사면으로 이루어지는 입력단 또는 출력단 중 적어도 어느 하나가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 평행판 도파관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평행면과 상기 경사면의 경계면은 만곡되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 평행판 도파관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평행면과 상기 경사면이 이루는 각도는 1°이상 10°이하인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 평행판 도파관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파는 TEM(transverse electromagnetic) 모드 테라헤르츠파인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 평행판 도파관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력단 또는 출력단 중 어느 하나만 형성되는 경우, 타단은 실리콘 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 평행판 도파관.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101330682B1 (ko) * 2011-10-26 2013-11-19 한국해양대학교 산학협력단 테라헤르츠파 대역 필터
CN103457009A (zh) * 2013-08-16 2013-12-18 上海理工大学 太赫兹低损耗弯曲波导
KR101576499B1 (ko) * 2014-06-02 2015-12-10 서울시립대학교 산학협력단 이중 경로 도파관, 분광 분석 장치 및 이를 이용한 파라미터 검출 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100890570B1 (ko) 2007-10-02 2009-03-25 한국해양대학교 산학협력단 테라헤르쯔 파 금속 도파로

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100890570B1 (ko) 2007-10-02 2009-03-25 한국해양대학교 산학협력단 테라헤르쯔 파 금속 도파로

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2009 Optical Society of America
2009년 한국해양대학교 대학원 졸업논문

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101330682B1 (ko) * 2011-10-26 2013-11-19 한국해양대학교 산학협력단 테라헤르츠파 대역 필터
US8913315B2 (en) 2011-10-26 2014-12-16 Korea Maritime University Industry-Academic Cooperation Foundation Terahertz band filter
CN103457009A (zh) * 2013-08-16 2013-12-18 上海理工大学 太赫兹低损耗弯曲波导
KR101576499B1 (ko) * 2014-06-02 2015-12-10 서울시립대학교 산학협력단 이중 경로 도파관, 분광 분석 장치 및 이를 이용한 파라미터 검출 방법

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