KR101672971B1

KR101672971B1 - 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치

Info

Publication number: KR101672971B1
Application number: KR1020150002240A
Authority: KR
Inventors: 엄주범; 김치훈; 이병일; 신인희; 한명수; 박형주
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2016-11-07
Also published as: KR20160085414A

Abstract

본 발명은 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치에 관한 것으로서, 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과, 제1파장과 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과, 제1광원에서 출사되는 광을 복수개의 제1 분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제1광분배기와, 제2광원에서 출사되는 광을 복수개의 제2분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제2광분배기와, 제1광분배기의 제1분배채널과 제2광분배기의 제2분배채널을 통해 입력되는 광을 제1공통채널을 통해 출력하는 복수개의 광합파기와, 광합파기 각각에 대응되게 마련되어 제1공통채널을 통해 비팅되어 출력되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생하는 다수의 송신 광전도체 안테나를 구비한다. 이러한 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치에 의하면, 동시에 병렬적으로 발생되는 다수의 테라헤르츠파에 의해 시료의 측정시간을 현저히 줄일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치{multi-terahertz wave transmitter and detection apparatus using the same}

본 발명은 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치에 관한 것으로서, 상세하게는 테라헤르츠파의 주파수를 병렬적으로 생성하여 시료에 조사할 수 있는 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치에 관한 것이다.

테라헤르츠파(Terahertz Wave)는 마이크로파와 적외선 사이에 위치하는 전자기파로서, 주파수는 대략 0.1~10 THz(Terahertz)의 구간으로 정의된다.

테라헤르츠파는 스펙트럼 위치상 전파의 유전체 투과성과 광파의 직진성을 동시에 가진다. 수분에 흡수가 잘 되는 테라헤르츠파는 영상과 분광 및 통신 분야 등에서 새로운 기술로 적용이 가능하다. 테라헤르츠파를 이용하여 불투명한 사물의 내부를 투시하거나, 분자 운동 에너지 레벨의 생체 메커니즘과 우주 신호 등을 분석할 수 있다. 또한, 테라헤르츠파를 사용하면 마이크로파 및 밀리미터파보다 훨씬 우수한 초고속 근거리 무선 통신이 가능해진다.

테라헤르츠파 발생 기술로서, 지금까지 개발된 펄스 광원 기술로는 광전도체 안테나 (Photoconductive Antenna)와 광정류(Optical Rectification) 방식 등이 있다. 테라헤르츠파를 발생하기 위한 연속파 광원 기술로 포토믹서(Photomixer)와 핫홀 레이저(Hothole Laser), 자유전자 레이저(Free Electron Laser), 양자 캐스케이드 레이저(Quantum Cascade Laser) 등이 있다.

테라헤르츠 시영역 분광법은 테라헤르츠 펄스파를 이용하여 물질을 분석하는 방법으로 테라헤르츠 신호의 진폭과 위상을 동시에 알 수 있으므로 물질의 유전율 또는 두께를 근사 없이 계산할 수 있다.

그런데, 테라헤르츠 펄스형 분광 시스템은 고가의 펨토초 레이저를 이용하여 구성하므로 시스템의 크기가 커지고 가격이 비싸지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복 및 보완하기 위하여 개발된 테라헤르츠 주파수영역 분광 시스템은 테라헤르츠 연속파를 이용하여 물질을 분석하는데, 펄스형 대비 크기가 작고 가격이 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다.

두개의 상호 다른 파장의 광을 이용하여 테라헤르츠파를 발생시키는 방식은 국내 공개특허 제10-2012-0020961호 등 다양하게 게시되어 있다.

그런데, 이러한 방식은 한 개의 채널을 이용하여 시료를 분석하기 때문에 검사하는 시료 전체를 스캔하기 위해서는 많은 시간이 걸리는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상호 다른 주파수의 광을 분배 및 결합하여 주파수가 같은 테라헤르츠파를 병렬적으로 다수 생성하여 시료의 측정시간을 단축시킬 수 있는 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치는 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과; 상기 제1파장과 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과; 상기 제1광원에서 출사되는 광을 복수개의 제1 분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제1광분배기와; 상기 제2광원에서 출사되는 광을 복수개의 제2분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제2광분배기와; 상기 제1광분배기의 제1분배채널과 상기 제2광분배기의 제2분배채널을 통해 입력되는 광을 제1공통채널을 통해 출력하는 복수개의 광합파기와; 상기 광합파기 각각에 대응되게 마련되어 상기 제1공통채널을 통해 비팅되어 출력되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생하는 다수의 송신 광전도체 안테나;를 구비한다.

바람직하게는 상기 송신 광전도체 안테나 각각에서 발생되는 테라헤르츠파를 측정대상 시료에 집속시키는 제1집속렌즈;를 구비한다.

또한, 상기 제1 및 제2광원은 상호 다른 파장의 광을 각각 출사하는 분포 궤환형 레이저 다이오드가 적용된다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 테라 헤르츠파 검사장치는 제1파장의 광을 출사하는 제1광원과; 상기 제1파장과 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과; 상기 제1광원에서 출사되는 광을 복수개의 제1 분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제1광분배기와; 상기 제2광원에서 출사되는 광을 복수개의 제2분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제2광분배기와; 상기 제1광분배기의 제1분배채널과 상기 제2광분배기의 제2분배채널을 통해 입력되는 광을 제1공통채널을 통해 출력하는 복수개의 광합파기와; 상기 광합파기의 제1공통채널을 통해 출력되는 광을 제1 및 제2 중계채널로 분배시켜 출력하는 복수개의 제3광분배기와; 상기 제1중계채널 각각에 대응되게 마련되어 상기 제3광분배기의 제1중계채널을 통해 전송되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생하는 다수의 송신 광전도체 안테나와; 상기 송신 광전도체 안테나 각각에서 발생되는 테라헤르츠파를 측정대상 시료에 집속시키는 제1집속렌즈와; 상기 제2중계채널 각각에 대응되게 마련되며 상기 제2중계채널로부터 전송된 광에 여기되며, 상기 시료를 통과하는 신호에 대응되는 신호를 출력하는 다수의 수신 광전도체 안테나와; 상기 수신 광전도체 안테나들로부터 수신된 신호를 처리하는 측정부;를 구비한다.

상기 시료를 통과한 신호를 집속시켜 상기 수신 광전도체 안테나 각각으로 전송하는 제2집속렌즈;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치에 의하면, 동시에 병렬적으로 발생되는 다수의 테라헤르츠파에 의해 시료의 측정시간을 현저히 줄일 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치가 적용된 테라 헤르츠파 검사장치를 나타내보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치 및 이를 적용한 테라 헤르츠파 검사장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 테라 헤르츠파 검사장치(100)는 멀티 테라헤르츠파 발생장치(110)와, 수신 광전도체 안테나(171) 및 측정부(180)를 구비한다.

멀티 테라헤르츠파 발생장치(110)는 제1광원(111), 제2광원(112), 제1광분배기(121), 제2광분배기(122), 광합파기(131), 제3광분배기(141), 송신 광전도체 안테나(150)를 구비한다.

제1광원(111)은 제1파장(λ1)의 광을 출사한다.

제2광원(112)은 제1파장(λ1)과 다른 제2파장(λ2)의 광을 출사한다.

여기서, 제1광원(111)과 제2광원(112)은 제1파장과 제2파장의 광을 각각 출사하는 분포 궤환형 레이저 다이오드(DFB LD; distributed feedback laser diode)가 적용된다.

제1광분배기(121)는 제1광원(111)에서 출사되는 제1파장의 광을 복수개의 제1 분배채널(121a)을 통해 광을 분배출력한다.

제2광분배기(122)는 제2광원(112)에서 출사되는 제2파장의 광을 복수개의 제2분배채널(122a)을 통해 광을 분배출력한다.

제1광분배기(121) 및 제2광분배기(122)는 1×n으로 된 광섬유 커플러가 적용될 수 있고, n값은 2이상으로 적절하게 적용하면 된다.

광합파기(131)는 제1광분배기(121)의 제1분배채널(121a)과 제2광분배기(122)의 제2분배채널(122a)을 통해 입력되는 광을 제1공통채널(131a)을 통해 출력한다.

광합파기(131)의 적용 개수는 제1분배채널(121a)의 적용개수와 동일하게 마련되면 된다.

광합파기(131)는 2×1 광섬유 커플러가 적용될 수 있다.

여기서 광합파기(131)의 제1공통채널(131a)을 통해 출력되는 신호는 제1파장과 제2파장의 광이 비팅된 신호이다.

제3광분배기(141)는 제1공통채널(131a)을 통해 출력되는 광을 송신 광전도체 안테나(150)와 수신 광전도체 안테나(171)로 각각 공급하기 위해 광을 분배하도록 적용되었다.

제3광분배기(141)는 광합파기(131)의 제1공통채널(131a)을 통해 출력되는 광을 제1 및 제2 중계채널(142)(143)로 분배시켜 출력한다.

제1공통채널(131a)을 통해 출력되는 광은 대응되는 송신 광전도체 안테나(150)로 입사된다.

한편, 광합파기(131)와 제3광분배기(141)는 2×2 광커플러로 대체될 수 있음은 물론이다.

즉, 참조부호 131, 131a 및 141로 표기된 부분이 하나의 2×2 광커플러로 적용되면 된다.

참조부호 145는 광섬유를 통해 전송되는 광의 편광을 뒤틀림등 공지된 방식에 의해 조정하기 위한 편광조정부분으로 생략될 수도 있다.

송신 광전도체 안테나(PCA:Photoconductive Antenna)(150)는 제1중계채널(142) 각각에 대응되게 마련되어 제3광분배기(141)의 제1중계채널(142)을 통해 전송되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생한다.

즉, 제1중계채널(142)을 통해 두 개 파장의 비팅(Beating, 맥놀이)된 레이저 광이 송신 광전도체 안테나(150)의 여기광(Exciting light)으로 사용되고, 송신 광전도체 안테나(150)는 여기광에 대응되는 테라헤르츠파를 시료(10)를 향해 방사한다.

송신 광전도체 안테나(150)들은 제1방향을 따라 상호 이격되게 배치되어 있다.

송신 광전도체 안테나(150)는 전극을 통해 바이어스가 인가된 상태에서 입사된 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있도록 되어 있고, 상세구조는 국내 등록특허 제10-1117211호, 국내 공개특허 제10-2013-0076732호 등 다양하게 알려져 있어 상세한 설명은 생략한다.

제1집속렌즈(155)는 송신 광전도체 안테나(150) 각각에서 발생되는 테라헤르츠파를 모두 측정대상 시료에 집속시킨다.

제3광분배기(141)의 제2중계채널(143)을 통해 출력되는 광은 지연조정기(144)를 통해 지연시켜 수신 광전도체 안테나(171)로 전송된다.

지연조정기(144)은 광이 전송되는 광경로상의 광섬유를 상호 분리시키고, 분리된 이격거리를 조정하여 지연시간을 조정하는 방식 등 다양한 구조가 적용될 수 있다.

제2집속렌즈(161)은 시료(10)를 통과한 신호를 집속시켜 수신 광전도체 안테나(171) 각각으로 전송한다.

수신 광전도체 안테나(171)는 제2중계채널(143) 각각에 대응되게 마련되며 제2중계채널(143)을 통해 전송된 광에 여기되며, 시료를 통과한 테라헤르츠파에 대응되는 전기적 신호를 전극을 통해 출력한다.

수신 광전도체 안테나(171)는 송신 광전도체 안테나(150)와 동일 구조로 되어 있고, 전극에 바이어스를 인가하지 않고 전극을 통해 생성되는 신호를 출력하는 방식만 차이가 있다.

측정부(180)는 각 수신 광전도체 안테나(171)들로부터 수신된 신호를 처리하며, 증폭기, 락인앰프(Lock-in amp) 및 처리부를 구비한다.

증폭기(181) 및 모드잠금 락인앰프(183)는 미세전류에 수신감도를 높이기 위해 적용되었고, 처리부(185)는 락인앰프(183)를 거쳐 출력되는 신호로부터 시료(10)에 대해 설정된 검사항목 예를 들면, 투과영상정보를 생성하여 표시부(미도시)와 같은 출력장치를 통해 표시한다.

이상에서 설명된 테라 헤르츠파 검사장치(100)에 의하면, 동시에 병렬적으로 발생되는 다수의 테라헤르츠파에 의해 시료(10)의 측정시간을 현저히 줄일 수 있는 장점을 제공한다.

110: 멀티 테라헤르츠파 발생장치
111: 제1광원 112: 제2광원
121: 제1광분배기 122: 제2광분배기
150: 송신 광전도체 안테나 171: 수신 광전도체 안테나
180: 측정부

Claims

테라헤르츠파를 생성하는 테라헤르츠파 발생장치에 있어서,
제1파장의 광을 출사하는 제1광원과;
상기 제1파장과 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과;
상기 제1광원에서 출사되는 광을 복수개의 제1 분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제1광분배기와;
상기 제2광원에서 출사되는 광을 복수개의 제2분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제2광분배기와;
상기 제1광분배기의 제1분배채널과 상기 제2광분배기의 제2분배채널을 통해 입력되는 광을 제1공통채널을 통해 출력하는 복수개의 광합파기와;
상기 광합파기 각각에 대응되게 마련되어 상기 제1공통채널을 통해 비팅되어 출력되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생하는 다수의 송신 광전도체 안테나와;
상기 송신 광전도체 안테나 각각에서 발생되는 테라헤르츠파를 측정대상 시료에 집속시키는 제1집속렌즈;를 구비하고,
상기 제1 및 제2광원은 상호 다른 파장의 광을 각각 출사하는 분포 궤환형 레이저 다이오드가 적용된 것을 특징으로 하는 병렬형 멀티 테라 헤르츠파 발생장치.
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제1파장의 광을 출사하는 제1광원과;
상기 제1파장과 다른 제2파장의 광을 출사하는 제2광원과;
상기 제1광원에서 출사되는 광을 복수개의 제1 분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제1광분배기와;
상기 제2광원에서 출사되는 광을 복수개의 제2분배채널을 통해 광을 분배출력하는 제2광분배기와;
상기 제1광분배기의 제1분배채널과 상기 제2광분배기의 제2분배채널을 통해 입력되는 광을 제1공통채널을 통해 출력하는 복수개의 광합파기와;
상기 광합파기의 제1공통채널을 통해 출력되는 광을 제1 및 제2 중계채널로 분배시켜 출력하는 복수개의 제3광분배기와;
상기 제1중계채널 각각에 대응되게 마련되어 상기 제3광분배기의 제1중계채널을 통해 전송되는 광에 여기되어 테라헤르츠파를 발생하는 다수의 송신 광전도체 안테나와;
상기 송신 광전도체 안테나 각각에서 발생되는 테라헤르츠파를 측정대상 시료에 집속시키는 제1집속렌즈와;
상기 제2중계채널 각각에 대응되게 마련되며 상기 제2중계채널로부터 전송된 광에 여기되며, 상기 시료를 통과하는 신호에 대응되는 신호를 출력하는 다수의 수신 광전도체 안테나와;
상기 수신 광전도체 안테나들로부터 수신된 신호를 처리하는 측정부;를 구비하고,
상기 제1 및 제2광원은 상호 다른 파장의 광을 각각 출사하는 분포 궤환형 레이저 다이오드가 적용된 것을 특징으로 하는 테라헤드츠파 검사장치.
제5항에 있어서,
상기 시료를 통과한 신호를 집속시켜 상기 수신 광전도체 안테나 각각으로 전송하는 제2집속렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 하는 테라헤드츠파 검사장치.
제5항에 있어서, 상기 광합파기와 상기 제3광분배기는 2×2 광커플러로 형성된 것을 특징으로 하는 테라헤드츠파 검사장치.