KR102082979B1 - Terahertz Modulator and Manufacturing Method of Producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 테라헤르츠파 변조기 및 그것의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위상절연체의 고유 특성을 이용하여 플라즈몬 공진 주파수가 변화되는 구조를 구현함으로써, 초고속 및 높은 효율로 테라헤르츠파를 변조할 수 있는 새로운 테라헤르츠파 변조기에 관한 기술이다.The present invention relates to a terahertz wave modulator and a method of manufacturing the same, and more particularly, by implementing a structure in which the plasmon resonance frequency is changed by using inherent characteristics of the phase insulator, thereby modulating the terahertz wave at a very high speed and high efficiency. Technology for a new terahertz wave modulator.
테라헤르츠 전자기파는 주파수가 테라헤르츠 영역에 있는 전자기 파동을 의미한다. 테라헤르츠파는 파장이 약 수백 마이크로미터 단위로, 통신에서 사용되는 주파수 대역의 파장보다 짧으나, 가시광선 및 적외선보다 긴 파장을 보유한다. 테라헤르츠파의 발생 방법은 다른 마이크로파 및 가시광선 영역에 비해 크게 제한되므로 테라헤르츠 주파수를 발생시킬 수 있는 새로운 기술이 요구된다.Terahertz electromagnetic waves are electromagnetic waves whose frequency is in the terahertz region. Terahertz waves, on the order of hundreds of micrometers, are shorter than those in the frequency bands used in communications, but have wavelengths longer than visible and infrared light. The method of generating terahertz waves is greatly limited compared to other microwave and visible light regions, and thus a new technology capable of generating terahertz frequencies is required.
기존의 테라헤르츠파 제어 기술은 물질 표면의 전하 농도를 게이트 전압으로 조절하여 테라헤르츠파 신호의 흡수 정도를 조절하는 방식으로 표면 전하 농도를 까지 밖에 조절 할 수 없으며, 수 %의 변조율 밖에 달성할 수 없었다.Conventional terahertz wave control technology adjusts the surface charge concentration by controlling the degree of absorption of the terahertz wave signal by adjusting the charge concentration of the material surface to the gate voltage. It can only be adjusted up to and only a few percent modulation rate can be achieved.
그래핀은 모든 주파수에서 테라헤르츠파 투과도가 일정하다. 또한, 그래핀은 수송체 농도를 변화시켜도 투과도 세기만 변화시킬 수 있다. 그래핀은 단일 그래핀 플라즈몬 구조를 한번 만들면 변조 영역이 고정된다. 그래핀으로 복합 주파수를 변조하기 위해서는 복수의 플라즈몬 구조를 만들어야 하지만, 이 경우 서로 다른 구조에서 일어나는 산란으로 인해 오히려 변조 효율이 크게 감소한다. 그래핀은 주파수 별 특성이 크게 변화하지 않기 때문에 테라헤르츠 주파수 별 세기 변조에 적합하지 않다. 그래핀 만을 이용할 경우, 표면 전하 농도를 까지 조절하여 100%에 가까운 변조가 가능하다. 그래핀은 테라헤르츠파 흡수 특성이 전영역에서 광범위하게 나타나므로 선택적 주파수 변조가 불가능하며, 수 십 V의 전압이 필요하여 효율성이 현저히 떨어진다.Graphene has constant terahertz wave permeability at all frequencies. In addition, graphene can only change the permeability intensity even by changing the transporter concentration. Graphene has a single graphene plasmon structure once, and the modulation region is fixed. In order to modulate the complex frequency with graphene, a plurality of plasmon structures must be made, but in this case, the modulation efficiency is greatly reduced due to scattering in different structures. Graphene is not suitable for terahertz frequency modulation because it does not change much by frequency. If only graphene is used, the surface charge concentration Modulation up to 100% is possible. Graphene does not have selective frequency modulation because its terahertz wave absorption characteristics are widespread in the whole range, and it requires a voltage of several tens of volts, which significantly reduces efficiency.
위상절연체는 플라즈몬-포논 간섭으로 인해 특정 주파수에서 변조 효율이 매우 크게 나타나지만, 그 외 주파수의 효율은 높지 않다. 주파수 변조 효율이 큰 지점은 물질의 특성에 따라 나타나는 것이기 때문에 게이트 전압을 가하더라도 변화를 관찰할 수 없다. 아울러, 위상절연체 자체는 전기적인 게이팅의 효율이 매우 낮다. 위상절연체 플라즈몬 구조도 한번 만들어지면 그래핀과 같이 변조 영역이 단일 주파수로 한정된다.Phase insulators show very high modulation efficiency at certain frequencies due to plasmon-phonon interference, but the efficiency of other frequencies is not high. The point where the frequency modulation efficiency is high is that it appears according to the properties of the material, so no change can be observed even when the gate voltage is applied. In addition, the phase insulator itself has very low electrical gating efficiency. Once the phase insulator plasmon structure is made, the modulation region is limited to a single frequency like graphene.
테라헤르츠파의 광범위한 흡수 특성을 특정 주파수로 한정하기 위한 플라즈몬 구조의 경우, 흡수 특성이 증대되는 효과가 있지만 변조 주파수가 고정되어 복수의 플라즈몬 구조를 개별적, 반복적으로 제작해야하는 한계가 있다.The plasmon structure for limiting the terahertz wave's broad absorption characteristics to a specific frequency has an effect of increasing absorption characteristics, but has a limitation in that a plurality of plasmonic structures must be manufactured individually and repeatedly because the modulation frequency is fixed.
테라헤르츠 소자 응용 분야는 크게 테라헤르츠파 발생기(THz generator), 테라헤르츠파 검출기(THz detector), 테라헤르츠파 변조기(THz modulator)로 구분할 수 있다. 이중 테라헤르츠파 발생기 및 테라헤르츠파 검출기 분야는 세계적으로 연구가 활발히 진행되어 실용화단계에 도달해 있다. 하지만, 테라헤르츠파 변조기 분야는 세계적으로 연구 초기 단계이고, 상용화 단계로 가기 위해 새로운 소자 개념 및 구현이 필요하다.Terahertz device applications can be broadly divided into terahertz wave generators (THz generators), terahertz wave detectors (THz detectors) and terahertz wave modulators (THz modulators). Dual terahertz wave generators and terahertz wave detectors have been actively researched around the world and have reached the stage of practical use. However, the field of terahertz wave modulators is in the early stages of research worldwide, and new device concepts and implementations are needed to move to commercialization.
테라헤르츠파 변조기의 성능지표는 변조 효율과 관련되며, 이는 변조 깊이(modulation depth)를 이용하여 정량적으로 분석할 수 있다. 이 정량적 분석 방식에는 현재까지 광학적 변조 방식과 전기적 변조 방식이 존재한다.Performance indicators of terahertz wave modulators relate to modulation efficiency, which can be quantitatively analyzed using modulation depth. To this quantitative analysis, there exist optical modulation and electrical modulation.
종래 전기적 제어를 이용한 테라헤르츠파 변조기는 표면의 디랙 전하 농도 조절을 이용하는데, 이 방법은 수십 볼트(V) 이상의 전력이 소모되므로 효율이 좋지 않았다. Conventional terahertz wave modulators using electrical control use the surface of the Dirac charge concentration control, this method consumes more than a few tens of volts (V), the efficiency was not good.
한편, 종래의 가장 우수한 광학적 변조 방식은 위상절연체의 플라즈몬 구조 및 디랙 전하와 벌크-디랙 전하 상호작용을 이용하여 변조율을 높이는 방법을 이용하는데, 이 방법의 변조 깊이의 최대 효율(modulation depth record high)은 2,400% 였다.On the other hand, the most conventional optical modulation method uses a plasmon structure of the phase insulator and a method of increasing the modulation rate by using the dirac charge and the bulk-dirac charge interaction, and the modulation depth record high of this method (modulation depth record high) ) Was 2,400%.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 위상절연체의 고유 특성을 이용하여 플라즈몬 공진 주파수가 변화되는 구조를 구현함으로써, 초고속 및 높은 효율로 테라헤르츠파를 변조할 수 있는 새로운 테라헤르츠파 변조기를 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention by implementing a structure in which the plasmon resonance frequency is changed by using the intrinsic characteristics of the phase insulator, terahertz at high speed and high efficiency It is to provide a new terahertz wave modulator that can modulate the wave.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 테라헤르츠파 변조기는, 기판과; 상기 기판과 결합되며, 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체와; 상기 위상절연체와 결합되며, 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체를 포함하고, 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화하면 플라즈몬-포논 상호작용에 의해 입력되는 테라헤르츠파의 상쇄 정도가 변화되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the terahertz wave modulator according to the present invention includes a substrate; A phase insulator coupled to the substrate and having a structure in which plasmons resonate at a predetermined terahertz wave frequency; A conductivity variable coupled to the phase insulator and configured to change the plasmon resonant frequency of the phase insulator when the electrical conductivity changes, and inputted by the plasmon-phonon interaction when the plasmon resonant frequency of the phase insulator changes. The degree of cancellation of the terahertz wave is characterized by a change.
또한, 기판과; 상기 기판에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 배열되는 위상절연체와; 상기 위상절연체와 결합되며, 그래핀으로 구성된 전도도 가변체를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the substrate; A phase insulator having a structure in which plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency on the substrate; It is coupled to the phase insulator, characterized in that it comprises a conductivity variable consisting of graphene.
또한, 상기 위상절연체는 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be characterized in that the structure of the form in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency.
또한, 상기 전도도 가변체는 테라헤르츠파가 투과될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the terahertz wave can be transmitted.
또한, 상기 전도도 가변체는 광 펄스를 수신하면 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the electrical conductivity is changed when receiving an optical pulse.
또한, 상기 전도도 가변체는 그래핀인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the graphene.
또한, 상기 위상절연체는 1자(strip) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be in the form of a strip.
또한, 상기 위상절연체의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the phase insulator may be characterized in proportion to the separation distance from other adjacent phase insulators.
또한, 상기 위상절연체는 +자(cross) 형태로 돌출 또는 요입된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be protruded or recessed in a cross shape.
또한, 상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 좌방향 또는 우방향으로 연장된 부위의 길이와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator may be characterized in proportion to the length of the portion extending in the left or right direction.
또한, 상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator may be characterized in proportion to the separation distance from other adjacent phase insulators.
또한, 상기 전도도 가변체는 상기 위상절연체와 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be physically coupled to the phase insulator.
또한, 상기 전도도 가변체에 결합되며, 상기 전도도 가변체를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The method may further include a gating layer coupled to the conductivity variable and electrically gating the conductivity variable.
또한, 상기 전도도 가변체 및 상기 게이팅층을 통해 전압이 인가되면, 상기 전도도 가변체의 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, when a voltage is applied through the conductivity variable and the gating layer, the electrical conductivity of the conductivity variable may be changed.
또한, 상기 게이팅층은 이온겔(Ion gel)인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the gating layer may be characterized in that the ion gel (Ion gel).
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 테라헤르츠파 변조기의 제조방법은, 기판에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체를 결합하는 단계와; 상기 위상절연체에 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, in order to achieve the above object, the method of manufacturing a terahertz wave modulator according to the technical idea of the present invention includes the steps of: combining a phase insulator having a structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency; Coupling a conductivity variable to the phase insulator such that the plasmon resonance frequency of the phase insulator changes when electrical conductivity changes.
또한, 기판에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체를 배열하는 단계와; 상기 위상절연체에 그래핀으로 구성된 전도도 가변체를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include arranging a phase insulator having a structure in which plasmons resonate at a predetermined terahertz wave frequency on a substrate; And coupling the conductivity variable composed of graphene to the phase insulator.
또한, 상기 위상절연체는 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 상기 기판에 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be characterized in that a structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency is arranged on the substrate.
또한, 상기 전도도 가변체는 테라헤르츠파가 투과될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the terahertz wave can be transmitted.
또한, 상기 전도도 가변체는 광 펄스를 수신하면 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the electrical conductivity is changed when receiving an optical pulse.
또한, 상기 전도도 가변체는 그래핀인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be characterized in that the graphene.
또한, 상기 위상절연체는 1자(strip) 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be in the form of a strip.
또한, 상기 위상절연체의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the phase insulator may be characterized in proportion to the separation distance from other adjacent phase insulators.
또한, 상기 위상절연체는 +자(cross) 형태로 돌출 또는 요입된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the phase insulator may be protruded or recessed in a cross shape.
또한, 상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 좌방향 또는 우방향으로 연장된 부위의 길이와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator may be characterized in proportion to the length of the portion extending in the left or right direction.
또한, 상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator may be characterized in proportion to the separation distance from other adjacent phase insulators.
또한, 상기 전도도 가변체는 상기 위상절연체와 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the conductivity variable may be physically coupled to the phase insulator.
또한, 상기 위상절연체에 상기 전도도 가변체가 결합되는 단계 후, 상기 전도도 가변체를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층을 상기 전도도 가변체에 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, after the coupling of the conductivity variable to the phase insulator, the method may further comprise coupling a gating layer electrically gating the conductivity variable to the conductivity variable.
또한, 상기 게이팅층은 이온겔(Ion gel)인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the gating layer may be characterized in that the ion gel (Ion gel).
나아가, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 테라헤르츠파 변조기를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법은, 제1실시예로서, 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 광 펄스를 상기 테라헤르츠파 변조기에 조사하는 단계와; 변조될 대상의 테라헤르츠파를 상기 테라헤르츠파 변조기에 조사하는 단계를 포함하고, 상기 테라헤르츠파 변조기는 기판과, 상기 기판과 결합되며 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체와, 상기 위상절연체와 결합되며 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체를 포함하는 것을 특징으로 한다.Furthermore, in order to achieve the above object, a method of modulating a terahertz wave by using a terahertz wave modulator according to the technical idea of the present invention is, as a first embodiment, an optical pulse corresponding to a terahertz wave to be modulated. Irradiating with the terahertz wave modulator; Irradiating the terahertz wave modulator of the object to be modulated to the terahertz wave modulator, wherein the terahertz wave modulator is coupled to the substrate and has a structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency. And an conductivity variable coupled to the phase insulator and causing the plasmon resonance frequency of the phase insulator to change when the electrical conductivity changes.
또한, 상기 광 펄스는 상기 전도도 가변체를 향해 조사되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the light pulse may be characterized in that it is irradiated toward the conductivity variable.
또한, 제2실시예로서, 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 제어신호를 상기 테라헤르츠파 변조기에 인가하는 단계와; 변조될 대상의 테라헤르츠파를 상기 테라헤르츠파 변조기에 조사하는 단계를 포함하고, 상기 제어신호는 전압 신호이고, 상기 테라헤르츠파 변조기는 기판과, 상기 기판과 결합되며 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체와, 상기 위상절연체와 결합되며 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체와, 상기 전도도 가변체에 결합되며 상기 전도도 가변체를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, as a second embodiment, the step of applying a control signal corresponding to the terahertz wave to be modulated to the terahertz wave modulator; Irradiating the terahertz wave modulator of the object to be modulated to the terahertz wave modulator, wherein the control signal is a voltage signal, and the terahertz wave modulator is coupled to the substrate and at a predetermined terahertz wave frequency. A phase insulator having a structure in which a plasmon resonates, a conductivity variable coupled to the phase insulator and configured to change a plasmon resonance frequency of the phase insulator when the electrical conductivity changes, and a conductivity variable coupled to the conductivity variable It characterized in that it comprises a gating layer to electrically gate.
또한, 상기 전압 신호는 상기 전도도 가변체에 배치된 전극에 인가되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the voltage signal may be applied to an electrode disposed on the conductivity variable.
또한, 상기 신호는 광 펄스 신호를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the signal may be characterized in that it further comprises an optical pulse signal.
본 발명에 의한 테라헤르츠파 변조기 및 그것의 제조방법에 따르면,According to the terahertz wave modulator and the manufacturing method thereof according to the present invention,
첫째, 종래 위상절연체를 이용한 테라헤르츠파 변조기(modulator)는 구조물(pattern)의 물리적인 크기에 따라 주파수 변조를 실시했기 때문에 원하는 주파수 대역만큼 별개의 소자를 제작해야 했으나, 본 발명은 하나의 소자를 이용하여 연속적인 주파수 변조가 가능하다.First, since the terahertz wave modulator using the phase insulator has been modulated according to the physical size of the structure, a separate device has to be manufactured as many as desired frequency bands. Continuous frequency modulation is possible.
둘째, 본 발명의 배열된 위상절연체는 테라헤르츠파에 공진되는 구조를 1자(strip)형태로 제작이 가능하기 때문에 제조에 매우 용이하다.Secondly, the arranged phase insulator of the present invention is very easy to manufacture because it is possible to manufacture a structure resonant to terahertz waves in the form of a single strip.
셋째, 본 발명은 배열된 위상절연체들이 서로 그래핀을 통해 연결되고, 이온겔(ion gel)을 통해 그래핀이 전기적 게이팅되어 위상절연체의 물리적인 크기를 조절하는 효과를 얻음으로써, 플라즈몬 고유 진동수 조절에 의한 새로운 방식의 스펙트럼 쉬프트(shift)를 실현하였다.Third, according to the present invention, the arranged phase insulators are connected to each other through graphene, and the graphene is electrically gated through an ion gel to obtain an effect of controlling the physical size of the phase insulator, thereby adjusting the plasmon natural frequency. A new method of spectral shift is realized.
넷째, 본 발명은 전기적 제어 시 전압을 수 볼트(V)를 소모하므로 종래보다 현저하게 적은 전력으로 테라헤르츠파를 변조할 수 있게 된다.Fourth, the present invention consumes a few volts (V) of voltage during electrical control, and thus it is possible to modulate terahertz waves with significantly less power than before.
다섯째, 본 발명에 광 펄스 조사 및 전압 인가 제어를 동시에 이용하면, 플라즈몬-포논 상호작용 모델을 이용해 계산했을 때, 주파수 1.8THz 근처에서 종래보다 현저히 향상된 변조 깊이(modulation depth)를 획득할 수 있는 것으로 나타났다.Fifth, when the light pulse irradiation and the voltage application control are simultaneously used in the present invention, a modulation depth significantly improved than the conventional one can be obtained at the frequency of 1.8 THz when calculated using the plasmon-phonon interaction model. appear.
여섯째, 본 발명은 초고속 광 펄스를 이용하여 피코초 수준의 광변조가 가능하다.Sixth, the present invention is capable of optical modulation of the picosecond level by using an ultra-fast light pulse.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 구성을 분리하여 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기에 광 펄스 또는 전압을 인가하여 투과되는 테라헤르츠파를 변조하는 상황을 시각적으로 나타낸 사시도.
도 3은 한 개의 위상절연체 구조물 유닛(unit)의 길이 관계를 나타낸 도면.
도 4은 도 3의 길이 관계를 이용하여 실제 제작된 위살절연체 구조물의 배열 사진과, 위상절연체 구조물 유닛의 w(너비)와 플라즈몬의 공진 주파수의 관계를 나타낸 도면.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 6는 본 발명의 제1실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법의 적용 예를 나타낸 도면.
도 7는 본 발명의 제1실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법의 적용 예를 나타낸 도면.1 is a perspective view showing a separate configuration of a terahertz wave modulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view visually illustrating a situation of modulating a terahertz wave transmitted by applying an optical pulse or a voltage to a terahertz wave modulator according to an embodiment of the present invention; FIG.
3 shows the length relationship of one phase insulator structure unit.
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement photograph of a gastric insulator structure actually manufactured using the length relationship of FIG. 3, and a relationship between w (width) of a phase insulator structure unit and a resonance frequency of plasmon. FIG.
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a terahertz wave modulator according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing an application example of a method of modulating a terahertz wave by using a terahertz wave modulator according to a first embodiment of the present invention.
7 is a view showing an application example of a method of modulating a terahertz wave using a terahertz wave modulator according to a first embodiment of the present invention.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 테라헤르츠파 변조기 및 그것의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.A terahertz wave modulator and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific form disclosed, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
위상절연체(120)는 플라즈몬-포논 간섭에서 발생되는 플라즈몬 꺼짐 구간과, 광 펄스의 여기 시 발생되는 벌크 준위와 표면 준위의 전하 전이 특성의 차이를 이용하여 특정 주파수에서 매우 큰 변조 효율을 이끌어낼 수 있다. 또한, 위상절연체(120) 표면의 전하 밀도를 바꿔주면 플라즈몬 꺼짐 구간을 다른 주파수로 바꾸는 것이 가능하기 때문에 여러 주파수에서 변조 효율을 극대화하는 것이 가능하다. 따라서, 위상절연체(120)를 이용해서 선택적으로 주파수 플라즈몬을 변조하는 것이 가능하게 된다.The
그래핀과 위상절연체(120)에 개별적으로 플라즈몬 구조를 만들면 특정 주파수에서만 플라즈몬 변조 효율이 높게 나타나기 때문에 주파수의 변조를 필요로 하는 실제 환경에서는 사용성이 좋지 않다. 하지만, 본 발명은 위상절연체(120)와 그래핀의 접합 구조를 만들어 구조적인 한계를 뛰어넘었다. 구체적으로, 위상절연체(120)를 적절한 크기의 구조물로 식각하면 플라즈몬 주파수가 테라헤르츠 영역에 존재하게 된다. 먼저, 위상절연체(120)를 기판(110)위에서 배열되게 제작한다. 위상절연체(120)의 너비를 w라 할 때, 위상절연체(120) 위에 그래핀을 접합하고 이온겔(ion gel)을 이용하여 그래핀을 선택적으로 게이팅하면, 위상절연체 마이크로리본 구조물(120)의 너비가 마치 w, 2w, 3w 등으로 변화되는 것과 같은 효과를 얻어낼 수 있다. 그래핀을 전극으로 이용하고, 이온겔을 이용하여 게이팅을 실시하면 그래핀에 전자들이 공급이 되어 위상절연체(120)의 표면 플라즈몬 주파수가 변조되는 것이다. 플라즈몬의 주파수는 위상절연체(120) 크기에 반비례하는 관계이기 때문에 위상절연체(120)의 크기를 증가시키면 플라즈몬 주파수를 작게 만들 수 있다. 즉, 위상절연체 배열(120)과 그래핀의 접합 구조를 이용하면 변조 주파수가 고정되는 단점이 극복되어 물리적인 하나의 플라즈몬 공진 구조로 복합 주파수를 변조할 수 있게 된다. 즉, 주파수에 따라 여려 소자를 반복적으로 제작할 필요가 없게 된다. 따라서, 위상절연체들(120)에서 발생되는 플라즈몬을 그래핀을 이용하여 연결시키고, 그래핀의 게이팅을 제어하면 연속적으로 테라헤르츠파의 튜닝이 가능한 변조기(100)를 개발할 수 있다.If the plasmon structure is separately formed on the graphene and the
광 펄스(펄스 레이저)를 조사하여 위상절연체(120)에 디랙 전자를 공급해 줌으로서 플라즈몬의 광학적 변조가 가능하다. 위상절연체(120)를 레이저로 광 여기 시키면 벌크 준위에서 전자들이 생기고, 그 전자들이 표면 준위로 유입되어 디랙 전자를 공급한다. 광학적인 방법으로 공급된 디랙 전자는 플라즈몬 주파수를 쉬프트(shift)하므로, 변조 효율을 증가시킬 수 있음이 보고된 바 있다.The optical modulation of the plasmon is possible by irradiating an optical pulse (pulse laser) to supply derac electrons to the
본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 전기적 변조 방법과 광학적 변조 방법을 선택적으로 또는 동시에 이용하여 테라헤르츠파의 변조가 가능하다. 특히, 전기적 변조와 광학적 변조를 동시에 이용하면 매우 높은 테라헤르츠파 변조 효율을 유도할 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)를 설명한다.A
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 기판(110)과, 기판(110)과 결합되며 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체(120)와, 위상절연체(120)와 결합되며 전기 전도도가 변화될 때 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체(130)를 포함하고, 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수가 변화하면, 플라즈몬-포논 상호작용에 의해 입력되는 테라헤르츠파의 상쇄 정도가 변화되는 것을 특징으로 한다.1 and 2, a
도면과 같이, 기판(110), 위상절연체(120) 및 전도도 가변체(130)는 층상의 구조를 가질 수 있다.As shown in the drawing, the
기판(110)은 테라헤르츠파가 투과되는 소재가 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판(110)의 소재는 Al2O3 사파이어, Si계열 등이 적용될 수 있다.The
플라즈몬은 수송체 농도에 비례하여 크기가 나타나는데, 일반 금속은 수송체의 농도가 매우 높기 때문에 많은 플라즈몬이 유도될 수 있다. 하지만, 일반 금속은 수송체의 농도를 변화시키는 것이 불가능하여 플라즈몬의 크기를 변조할 수는 없다. 한편, 일반 반도체는 일반 금속과 대비하여 수송체의 농도가 상대적으로 매우 적어 플라즈몬이 형성되기 어려운 문제가 있다. 하지만, 일반 반도체는 광 여기를 통해 수송체의 농도를 증가시킬 수 있고, 수송체 농도가 증가되면 플라즈몬이 형성되기 때문에 결과적으로 플라즈몬의 크기를 변조할 수 있게 된다. 이 실시예에 이용되는 위상절연체(120)는 표면 준위에서 금속의 특성이 나타나고, 벌크 준위에서 반도체의 특성이 나타나, 금속과 반도체가 갖는 장점을 모두 이용할 수 있다. 위상절연체(120)에 광 여기를 하면 벌크 준위가 표면 준위로의 전자 공급 저수지로서의 역할을 하게 되어 표면 전하 농도가 크게 증가된다. 또한, 위상절연체(120)는 디랙 플라즈몬-포논 간섭에 의해 플라즈몬이 거의 형성되지 않는 특정 주파수 지점이 있다. 위상절연체(120)는 표면 준위에서 전하 농도가 증가될 때 디랙 플라즈몬-포논 간섭에 의해 플라즈몬의 중앙 주파수가 증가하게 되는데, 이는 이전에 플라즈몬이 형성되지 않았던 주파수에서 매우 높은 변조 효율을 이끌어 낼 수 있게 된다.Plasmons appear to be proportional to the concentration of the transporter. Since ordinary metals have very high transporter concentrations, many plasmons can be induced. However, ordinary metals are unable to change the concentration of the transporter and thus cannot modulate the size of the plasmon. On the other hand, the general semiconductor has a problem that it is difficult to form plasmon because the concentration of the carrier is relatively very low compared to the general metal. However, general semiconductors can increase the concentration of the transporter through photoexcitation, and as the concentration of the transporter increases, plasmons are formed, and as a result, the size of the plasmon can be modulated. The
위상절연체(120)의 소재는 위상절연체 특성을 가지는 소재 중 선택되어 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 Bi2Se3가 이용되었다.The material of the
위상절연체(120)는 플라즈몬에 공진되는 형태의 구조물이 기판(110)위에 배열되는 것으로 실시된다. 즉, 일정한 형상을 가지는 위상절연체(120)가 일 방향 또는 행열방향으로 일정하게 나열되는 것으로 실시될 수 있다. 플라즈몬 공진을 목적으로 형성된 위상절연체(120)의 배열 형태를 이용하면 위상절연체(120) 고유의 플라즈몬-포논 상호 작용 및 벌크 준위에서 표면 준위로 전하가 공급되는 현상을 통해 특정 주파수를 선택적으로 증폭하는 것이 가능하다. 또한, 위상절연체의 배열(120)에 테라헤르츠파가 입력될 때 테라헤르츠파를 흡수할 뿐만 아니라, 변조기(100)를 투과하는 테라헤르츠파, 즉 출력되는 테라헤르츠파를 변조할 수 있게 된다.The
도 3 및 도 4를 참조하면, 위상절연체(120)는 다양한 형태를 가질 수 있는데, 실험을 위해 이 실시예는 1자(strip) 형태와 +자(cross) 형태로 제작되었다.Referring to FIGS. 3 and 4, the
1자 형태로 기판(110)에 배열된 위상절연체(120)는 너비와 인접한 다른 위상절연체(120)와의 이격 거리를 비례하게 제작함으로써 위상절연체(120)가 공진하는 플라즈몬을 선택할 수 있었다. 특히, 이 실시예의 위상절연체(120)는 너비(w)가 인접한 다른 위상절연체(120)와의 이격 거리와 동일하게 제작되었다. 1자 형태의 위상절연체(120)의 크기와 공진되는 테라헤르츠파의 관계는 실제 샘플을 제작하여 테스트한 결과 아래 표와 같이 확인되었다.The
1자 형태의 위상절연체(120)의 크기가 커질수록 공진되는 테라헤르츠 주파수가 작아짐을 확인할 수 있다.As the size of the single-shaped
한편, +자 형태로 기판(110)에 배열된 위상절연체(120)는 +자 형태가 기판(110)으로부터 돌출되거나, 위상절연체(120) 층에서 +자 형태가 기판(110) 방향으로 요입되게 형성시킬 수 있는데, 바비넷의 원리(Babinet's principle)와 동일하게 +자 형태의 돌출/요입에 관계없이 +자 형태의 크기에 따라 위상절연체(120)가 공진하는 테라헤르츠파 영역이 동일하게 나타났다.On the other hand, the
+자 형태로 기판(110)에 배열된 위상절연체(120)는 상하방향으로 연장된 부위의 너비가 좌우방향으로 연장된 부위의 길이와 비례하게 형성된다. 이 실시예의 위상절연체(120)는 +자 형태 중 상하방향 또는 좌우방향으로 연장된 부위의 너비가 직교하는 방향으로 연장된 부위의 길이보다 1/3 크기인 것으로 형성되었다. 또한, 위상절연체(120) 간의 이격 거리는 +자 형태 중 상하방향 또는 좌우방향으로 연장된 부위의 너비와 비례한다. 이 실시예는 상하방향 또는 좌우방향으로 연장된 부위의 너비(w)와, 좌측 또는 우측에 위치한 다른 위상절연체(120)와의 이격 거리가 동일하게 제작되었다. +자 형태의 위상절연체(120)의 크기와 공진되는 테라헤르츠파의 관계는 실제 샘플을 제작하여 테스트한 결과 아래 표와 같이 확인되었다.The
+자 형태의 위상절연체(120)에서도 크기가 커질수록 공진되는 테라헤르츠 주파수가 작아짐을 확인할 수 있었다.In the + -shaped
이때, 너비는 구조물에서 상대적으로 길이가 작은 영역을 의미하고, 길이는 구조물에서 상대적으로 길이가 큰 영역을 의미한다. 위 설명에서 너비와 길이는 서로 수직된다.In this case, the width refers to a region having a relatively small length, and the length refers to a region having a relatively large length in the structure. In the above description, the width and length are perpendicular to each other.
위상절연체(120)의 크기는 수 마이크로미터(μm) 단위이므로, 위상절연체(120)는 지름이 적어도 1mm 이상 되는 기판(110) 위에 수십 내지 수만 개가 배열된다.Since the size of the
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 전도도 가변체(130)는 그래핀이 적용되었다. 그래핀은 원자단위 두께의 2차원 전도성 물질로서, 전기적 특성이 우수하고, 투명도가 높아 테라헤르츠파가 투과되는 성질이 있다. 특히, 광 펄스를 그래핀에 조사하면 그래핀의 전자의 온도가 상승하면서 그래핀의 전기 전도도가 함께 증가하게 된다. 위상절연체의 배열(120)과 그래핀이 결합된 소자에 광 펄스를 조사하면 그래핀의 전기 전도도가 증가하게 되고, 이때, 위상절연체(120) 간의 전기적 커플링이 증가되어 플라즈몬 공진 주파수의 변화가 유도된다. 또한, 위상절연체의 배열(120)과 그래핀이 결합된 소자에서 전압이 공급됨으로써 그래핀이 게이팅되면, 이때에도 위상절연체(120) 간의 전기적 커플링이 증가되어 플라즈몬 공진 주파수의 변화가 유도된다. 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수의 변화는 플라즈몬-포논 상호작용에 의한 테라헤르츠파의 상쇄작용을 더 강화시켜 변조기(100)를 투과하는 테라헤르츠파를 변조시킬 수 있게 된다.Referring back to FIGS. 1 and 2, in one embodiment of the present invention, the
그래핀은 전자상태밀도(DOS)가 다른 물질에 비해 작아 외부 게이트에 의해 도핑조절이 용이하다. 실리콘 백게이트 형태로 게이팅이 실시되려면 수십 볼트(V) 이상의 큰 전압이 인가되어야 하지만, 그래핀은 단지 수 볼트(V)의 전압으로도 게이팅이 가능하다. 그래핀은 높은 전하 밀도로 세미-메탈의 성질을 가지기 때문에 테라헤르츠파 영역에서 넓은 흡수 스펙트럼을 보인다. Graphene has a smaller electronic density (DOS) than other materials, and is easily doped by an external gate. Gating in the form of a silicon backgate requires a large voltage of more than a few tens of volts (V), but graphene can be gated with just a few volts (V). Graphene exhibits a broad absorption spectrum in the terahertz wave region because of its semi-metal nature with high charge density.
전도도 가변체(130)는 위상절연체들(120)과 물리적으로 결합된다. 전도도 가변체(130)는 배열을 위해 서로 이격되게 배치된 위상절연체들(120)과 물리적으로 연결되어 각 위상절연체(120)의 플라즈몬이 서로 연결될 수 있는 다리 기능을 하게 된다. 전도도 가변체(130)는 모든 위상절연체(120)와 연결되기 위해, 위상절연체(120)가 배열된 영역 전체를 덮을 수 있는 대면적으로 구성되는 것이 바람직하다.The
또한, 전기적 제어를 통해 Fano dip 위치 변조도 가능하다. Fano dip은 넓은 플라즈몬 에너지 스펙트럼(broad plasmon energy spectrum)과 불연속 포논 스펙트럼(discrete phonon spectrum)사이의 두 개의 스펙트럼이 커플링이 되면 비대칭(asymmetric) 스펙트럼을 만들어지는데, 이러한 모양의 스펙트럼을 의미한다. Fano dip 위치 변조를 이용하여 변조 깊이(modulation depth)에서 정의된 를 제어할 수 있다. 이 두 가지 요소의 변조를 이용하면 변조 깊이를 향상 시킬 수 있다(변조 깊이의 정의는 위키피디아, 논문 등에서 기 공지됨. Wagner, M. et al. Ultrafast dynamics of surface plasmons in InAs bytime-resolved infrared nanospectroscopy. Nano Lett. 14, 4529??4534 (2014); Wagner, M. et al. Ultrafast and nanoscale plasmonic phenomena in exfoliatedgraphene revealed by infrared pump-probe nanoscopy. Nano Lett. 14, 894??900 (2014); Rotenberg, N., Caspers, J. N. & van Driel, H. M. Tunable ultrafast control ofplasmonic coupling to gold films. Phys. Rev. B 80, 245420 (2009); Rotenberg, N., Betz, M. & van Driel, H. M. Ultrafast control of grating-assistedlight coupling to surface plasmons. Opt. Lett. 33, 2137??2139 (2008)).In addition, the electronic control enables the Fano dip position modulation. Fano dip creates an asymmetric spectrum when two spectra are coupled between the broad plasmon energy spectrum and the discrete phonon spectrum, meaning a spectrum of this shape. Defined at modulation depth using Fano dip position modulation Can be controlled. Modulation of these two factors can be used to improve modulation depth (definition of modulation depth is well known in Wikipedia, thesis, etc. Wagner, M. et al. Ultrafast dynamics of surface plasmons in InAs bytime-resolved infrared nanospectroscopy. Nano Lett. 14, 4529 ?? 4534 (2014); Wagner, M. et al. Ultrafast and nanoscale plasmonic phenomena in exfoliated graphene revealed by infrared pump-probe nanoscopy.Nano Lett. 14, 894 ?? 900 (2014); Rotenberg, N., Caspers, JN & van Driel, HM Tunable ultrafast control of plasmonic coupling to gold films.Phys. Rev. B 80, 245420 (2009); Rotenberg, N., Betz, M. & van Driel, HM Ultrafast control of grating -assistedlight coupling to surface plasmons.Opt. Lett. 33, 2137 ?? 2139 (2008)).
성능 지표인 변조 깊이는 [수학식 1]과 같이 산출된다.The modulation depth, which is a performance index, is calculated as shown in
[수학식 1] [Equation 1]
이때, 외부 전압 및 광펄스에 의해 변화된 플라즈몬 에너지 레벨을 의미하는 은 이고, 외부 전압 및 광펄스가 조사되지 않았을 때의 상태의 플라즈몬 에너지 레벨을 의미하는 는 이다. 즉, 변조 깊이는 외부 환경변화에 의해 플라즈몬 에너지가 얼마나 변화하였는지 보여주는 성능 지표가 된다.At this time, it means a plasmon energy level changed by the external voltage and the light pulse silver , Which means the plasmon energy level of the state when no external voltage and light pulse are irradiated. Is to be. That is, the modulation depth is a performance indicator showing how the plasmon energy is changed by the external environment change.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 광학적 제어 파라미터는 [수학식 2]와 같다.Optical control parameters of the
[수학식 2] [Equation 2]
는 표면 전하밀도이다. 본 발명의 실시예는 표면 전하밀도는 광학적 및 전기적 변조로 제어 할 수 있으므로, 광학적 전하밀도인 과 전기적 전하밀도인 의 합으로 나타난다. Is the surface charge density. In the embodiment of the present invention, since the surface charge density can be controlled by optical and electrical modulation, And electrical charge density It appears as the sum of.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 전기적 제어 파라미터는 [수학식 3]과 같다.In addition, the electrical control parameter of the
[수학식 3] [Equation 3]
은 디랙 전하밀도이다. Is the Dirac charge density.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 전도도 가변체(130)에 결합되며, 전도도 가변체(130)를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층(140)을 더 포함할 수 있다. 이 실시예는 게이팅층(140)으로 이온겔(Ion gel)이 이용되었다. 이온겔은 게이트 효과(gate effect)를 위해 이용된 젤 형태의 물질이다. 이온겔을 이용한 게이팅은 High-K 특성으로 작은 게이트 전압으로도 그래핀 도핑을 쉽게 조절할 수 있어 저항 조절이 용이하다. 또한, 이온겔은 테라헤르츠파가 투과되기 때문에 변조 소자에 적합하다. 이온겔은 테라헤르츠파가 투과되므로 광 펄스 조사 방법 및 전압 제어 방법을 모두 이용하여 변조기(100)를 제어할 수 있게 된다.In addition, the
그래핀과 이온겔 사이에는 그래핀의 결합된 전극이 포함되는데, 전극에 전압 공급 회로를 연결한 후 전압을 공급하면, (+)전극에 (-)이온이 쌓이고, (-)전극에 (+)이온이 쌓이게 된다. 전압이 인가되면, 전도도 가변체(130)의 전기 전도도가 변화된다. 전도도 가변체(130)의 전기 전도도가 변화될 때 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수가 변화하게 되는데, 이때, 플라즈몬-포논 상호작용에 의해 입력되는 테라헤르츠파도 대응하여 상쇄되는 정도가 변화하게 된다.Between the graphene and the ion gel includes a bonded electrode of graphene, if the voltage is supplied after connecting the voltage supply circuit to the electrode, (-) ions are accumulated on the (+) electrode, and (+) on the (-) electrode Ions will accumulate. When a voltage is applied, the electrical conductivity of the
위상절연체(120), 그래핀 및 이온겔의 성질을 이해하는 당업자라면, 기판(110)과, 기판(110)에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 배열되는 위상절연체(120)와, 위상절연체(120)와 결합되는 그래핀으로 구성된 전도도 가변체(130)를 포함하는 소자를 이용할 때, 제어되는 광 펄스를 전도도 가변체(130)에 조사함으로써 테라헤르츠파가 제어된다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.Those skilled in the art to understand the properties of the
아울러, 전도도 가변체(130)에 결합되며, 전도도 가변체(130)를 전기적으로 게이팅하는 이온겔이 더 포함되면 광 펄스 대신 그래핀에 전압을 인가할 때에도 테라헤르츠파를 제어할 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.In addition, when the ion variable coupled to the
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 제조방법을 설명한다.Next, a method of manufacturing the
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)의 제조방법은 기판(110)에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체(120)를 결합하는 단계(S120)와, 위상절연체(120)에 그래핀으로 구성된 전도도 가변체(130)를 결합하는 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the method for manufacturing the
위 단계들은 반도체를 제조하는 공정을 응용하는 것으로 실시 가능하다.The above steps can be implemented by applying a process for manufacturing a semiconductor.
S120단계는 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 위상절연체(120)를 기판(110)에 배열시키는 것으로 실시된다. 기판(110) 위에 위상절연체 배열(120)층의 제작은 식각공정을 통해 실시될 수 있다.The step S120 is performed by arranging the
위상절연체(120)의 형태는 다양하게 실시될 수 있는데, 이 실시예에서는 1자 형태 또는 +자 형태를 가지는 것으로 실시되었다.The shape of the
S130단계에서 그래핀은 배열된 위상절연체들(120)과 물리적으로 결합된다. 그래핀은 기판(110) 상에 배열된 위상절연체들(120)과 모두 연결되기 위해, 위상절연체(120)가 배열된 넓이보다 더 넓은 크기를 가지는 것이 바람직하다.In operation S130, the graphene is physically coupled to the arranged
또한, S130 단계 후, 전도도 가변체(130)를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층(140)을 전도도 가변체(130)에 결합하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다. 게이팅층(140)은 이온겔(Ion gel)이 될 수 있다. 먼저, 그래핀의 양측에 전극을 배치(S135)한 후, 그래핀 및 전극을 모두 덮을 수 있게 이온겔이 결합된다.Further, after the step S130, the method may further include a step (S140) of coupling the
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법을 설명한다.Next, a method of modulating a terahertz wave using the
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법은 광 펄스를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 6, the method of modulating terahertz waves using the
도 6에는 변조기(100)에 테라헤르츠파를 조사하는 구성과 광 펄스를 조사하는 구성, 변조기(100)에서 출력된 테라헤르츠파를 수신하는 구성이 함께 표시되어 있음을 참고할 수 있다.Referring to FIG. 6, a configuration for irradiating terahertz waves to the
먼저, 테라헤르츠파 변조기(100)를 테라헤르츠파 및 광 펄스가 조사되는 경로에 고정하는 것으로 사전 준비를 한다. 이어서, 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 광 펄스를 변조기(100)에 조사한다. 광 펄스는 전도도 가변체(130)를 향해 조사되는 것이 바람직하다. 또한, 변조될 대상의 테라헤르츠파를 변조기(100)에 조사한다. 광 펄스 및 테라헤르츠파를 입력받은 변조기(100)는 변조된 테라헤르츠파를 출력하게 된다.First, the
이때, 테라헤르츠파 변조기(100)는 적어도 기판(110)과, 기판(110)과 결합되며 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체(120)와, 위상절연체(120)와 결합되며 전기 전도도가 변화될 때 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체(130)를 포함한다.In this case, the
본 발명의 제1실시예에 따른 변조기(100)에서 테라헤르츠파가 변조되는 세부 과정을 설명한다.A detailed process in which the terahertz wave is modulated in the
광 펄스를 생성하는 장치 또는 시스템을 이용하여 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 광 펄스를 생성한 후 변조기(100)의 전도도 가변체(130)에 조사한다. 이 실시예는 전도도 가변체(130)로서 그래핀이 이용되었다. 그래핀은 광 펄스가 수신되면 전자의 온도가 상승하면서 전기 전도도가 함께 증가하게 된다. 그래핀은 위상절연체들(120)의 플라즈몬을 연결시키는 다리 기능을 한다. 따라서, 그래핀의 전기 전도도가 증가하면 위상절연체들(120)의 전기적 커플링이 증가되어 플라즈몬 공진 주파수의 변화가 유도된다. 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수의 변화는 플라즈몬-포논 상호작용에 의한 테라헤르츠파의 상쇄작용을 더욱 강화시키게 되고, 이로써 입력되는 테라헤르츠파를 원하는 크기로 변조시킬 수 있게 된다.After generating an optical pulse corresponding to the terahertz wave to be modulated by using an apparatus or system for generating the optical pulse, the
이러한 광 펄스, 즉 펄스 레이저를 이용하는 광학적 변조는 수십 피코초의 초고속 변조 제어가 가능하다.Optical modulation using such optical pulses, that is, pulse lasers, enables ultra-fast modulation control of several tens of picoseconds.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법은 전압 제어를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 7, the method of modulating the terahertz wave using the
도 7에는 변조기(100)에 테라헤르츠파를 조사하는 구성과 전압을 인가하는 구성, 변조기(100)에서 출력된 테라헤르츠파를 수신하는 구성이 함께 표시되어 있음을 참고할 수 있다.Referring to FIG. 7, a configuration for irradiating terahertz waves to the
먼저, 테라헤르츠파 변조기(100)의 전극에 전압을 인가할 수 있는 전력 선로를 연결한다. 이어서, 변조기(100)를 테라헤르츠파가 조사되는 경로에 고정하는 것으로 준비를 한다. 이어서, 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 제어신호를 변조기(100)에 인가한다. 또한, 변조될 대상의 테라헤르츠파를 변조기(100)에 조사한다. 이때, 제어신호는 전압 신호를 포함한다. 전압 신호가 인가되면서 테라헤르츠파를 입력받은 변조기(100)는 변조된 테라헤르츠파를 출력하게 된다.First, a power line capable of applying a voltage to an electrode of the
이때, 테라헤르츠파 변조기(100)는 기판(110)과, 기판(110)과 결합되며 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체(120)와, 위상절연체(120)와 결합되며 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체(130)와, 전도도 가변체(130)에 결합되며 전도도 가변체(130)를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층(140)을 포함한다. 이 실시예는 전도도 가변체(130)로서 그래핀을 이용하였으며, 게이팅층(140)은 이온겔을 이용하였다.In this case, the
전압 신호는 전도도 가변체(130)에 배치된 전극에 인가된다. 일 실시예로는 그래핀과 이온겔의 사이 양단에 전극이 구성되고, 이 전극에 전압을 인가할 수 있는 선로를 연결할 수 있다.The voltage signal is applied to the electrode disposed in the
제어되는 전압을 공급하는 장치 또는 시스템을 이용하여 변조하고자 하는 테라헤르츠파에 대응되는 전압을 변조기(100)에 인가한다. 이온겔은 High-K 특성으로 작은 게이트 전압으로도 그래핀의 도핑을 쉽게 조절할 수 있다. 그래핀은 인가된 전압에 의해 전기 전도도가 함께 증가하게 된다. 그래핀의 전기 전도도가 증가하면 위상절연체들(120)의 전기적 커플링이 증가되어 플라즈몬 공진 주파수의 변화가 유도된다. 위상절연체(120)의 플라즈몬 공진 주파수의 변화는 플라즈몬-포논 상호작용에 의한 테라헤르츠파의 상쇄작용을 더욱 강화시키게 되고, 이로써 입력되는 테라헤르츠파를 원하는 크기로 변조시킬 수 있게 된다.A voltage corresponding to a terahertz wave to be modulated is applied to the
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)를 이용하여 테라헤르츠파를 변조하는 방법은 게이팅층(140)으로 이온겔과 같이 테라헤르츠파가 투과될 수 있는 소재가 적용될 경우, 제어신호에 광 펄스 신호를 더 포함한다. 광 펄스 신호가 추가로 변조기(100)에 조사되면, 그래핀의 전자의 온도가 상승하면서 전기 전도도가 함께 증가하게되고, 제1실시예에 따른 테라헤르츠파를 변조하는 방법과 같은 제어 효과를 얻을 수 있게 된다.In addition, the method for modulating the terahertz wave by using the
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 생체 이미지 생성 시스템, 비파괴 검사 시스템 등에 적용될 수 있다.The
생체 이미지 생성 시스템은 테라헤르츠파를 조영제가 도포된 인체 부위에 방사하는 발생부와, 인체 부위로부터 반사되는 테라헤르츠파를 기초로 이미징을 실시하기 위한 전기적 신호를 생성하는 검출부와, 상기 전기적 신호를 이용하여 인체의 외부 또는 내부의 이미지를 생성하는 이미지 생성부와 같은 구성을 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 발생부에 적용되는 것으로 실시된다.The biological image generating system includes a generator for radiating terahertz waves to a human body to which a contrast agent is applied, a detector for generating an electrical signal for imaging based on terahertz waves reflected from the human body, and generating the electrical signals. It includes a configuration such as an image generating unit for generating an image of the outside or inside of the human body by using. In this case, the
또한, 비파괴 검사 시스템은 테라헤르츠파를 발생시키고, 발생된 테라헤르츠파를 출사구를 통해 출력하는 파워 분배기와, 파워 분배기에서 출력되는 테라헤르츠파에 대응되는 안테나들을 포함하는 송신 안테나와, 송신 안테나에서 출사되어 시료를 통과하거나 상기 시료에서 반사되는 테라헤르츠파를 검출하기 위한 수신기와 같은 구성을 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 변조기(100)는 파워 분배기에 포함되는 것으로 실시된다.In addition, the non-destructive inspection system generates a terahertz wave, the power antenna for outputting the generated terahertz wave through the exit port, a transmission antenna including a antenna corresponding to the terahertz wave output from the power distributor, and a transmission antenna And a receiver-like configuration for detecting terahertz waves emitted from and passed through or reflected from the sample. At this time, the
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention may use various changes, modifications, and equivalents. It is clear that the present invention can be applied in the same manner by appropriately modifying the above embodiments. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention as defined by the limitations of the following claims.
100 : 테라헤르츠파 변조기
110 : 기판
120 : 위상절연체(배열된 위상절연체 구조물)
130 : 전도도 가변체
140 : 게이팅층100: terahertz wave modulator
110: substrate
120: phase insulator (arranged phase insulator structure)
130: conductivity variable
140: gating layer
Claims (36)
상기 기판과 결합되며, 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체와;
상기 위상절연체와 결합되며, 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체를 포함하고,
상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화하면, 플라즈몬-포논 상호작용에 의해 입력되는 테라헤르츠파의 상쇄 정도가 변화되고,
상기 위상절연체는 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 배열된 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.A substrate;
A phase insulator coupled to the substrate and having a structure in which plasmons resonate at a predetermined terahertz wave frequency;
A conductivity variable coupled to the phase insulator, the conductivity variable causing the plasmon resonance frequency of the phase insulator to change when electrical conductivity changes,
When the plasmon resonance frequency of the phase insulator is changed, the degree of cancellation of the terahertz wave input by the plasmon-phonon interaction is changed,
The phase insulator is a terahertz wave modulator, characterized in that the structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency is arranged.
상기 전도도 가변체는 테라헤르츠파가 투과될 수 있는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 1,
The conductivity variable is a terahertz wave modulator, characterized in that the terahertz wave can be transmitted.
상기 전도도 가변체는 광 펄스를 수신하면 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 3,
The conductivity variable terahertz wave modulator, characterized in that the electrical conductivity is changed when receiving a light pulse.
상기 전도도 가변체는 그래핀인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 4, wherein
The conductivity variable is a terahertz wave modulator, characterized in that the graphene.
상기 위상절연체는 1자(strip) 형태인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 1,
The terahertz wave modulator, characterized in that the phase insulator is in the form of a strip.
상기 위상절연체의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 7, wherein
And a width of the phase insulator is proportional to a distance between adjacent phase insulators.
상기 위상절연체는 +자(cross) 형태로 돌출 또는 요입된 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 1,
The phase insulator is a terahertz wave modulator, characterized in that protruding or recessed in the form of a cross.
상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 좌방향 또는 우방향으로 연장된 부위의 길이와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 9,
The terahertz wave modulator, characterized in that the width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator is proportional to the length of the portion extending in the left or right direction.
상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 10,
And a width of a portion extending in the vertical direction of the phase insulator is proportional to a distance between adjacent phase insulators.
상기 전도도 가변체는 상기 위상절연체와 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 1,
And said conductivity variable is physically coupled to said phase insulator.
상기 전도도 가변체에 결합되며, 상기 전도도 가변체를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 1,
A terahertz wave modulator coupled to the conductivity variable, further comprising a gating layer electrically gating the conductivity variable.
상기 전도도 가변체 및 상기 게이팅층을 통해 전압이 인가되면, 상기 전도도 가변체의 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 13,
The terahertz wave modulator, characterized in that the electrical conductivity of the conductivity variable is changed when a voltage is applied through the conductivity variable and the gating layer.
상기 게이팅층은 이온겔(Ion gel)인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기.The method of claim 14,
The gating layer is a terahertz wave modulator, characterized in that the ion gel (Ion gel).
기판에 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 구조를 가지는 위상절연체를 결합하는 단계와;
상기 위상절연체에 전기 전도도가 변화될 때 상기 위상절연체의 플라즈몬 공진 주파수가 변화되게 하는 전도도 가변체를 결합하는 단계;를 포함하고,
상기 위상절연체는 기 설정된 테라헤르츠파 주파수에서 플라즈몬이 공진하는 형태의 구조물이 상기 기판에 배열되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.In the method of manufacturing a terahertz wave modulator,
Coupling a phase insulator having a structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency to the substrate;
Coupling a conductivity variable to the phase insulator such that the plasmon resonance frequency of the phase insulator changes when electrical conductivity changes;
The phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the structure in which the plasmon resonates at a predetermined terahertz wave frequency is arranged on the substrate.
상기 전도도 가변체는 테라헤르츠파가 투과될 수 있는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 16,
The conductivity variable is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the terahertz wave can be transmitted.
상기 전도도 가변체는 광 펄스를 수신하면 전기 전도도가 변화되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 18,
The conductivity variable is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the electrical conductivity is changed when receiving an optical pulse.
상기 전도도 가변체는 그래핀인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 19,
The method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the conductivity variable is graphene.
상기 위상절연체는 1자(strip) 형태인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 16,
The phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the form of a strip (strip).
상기 위상절연체의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 22,
The width of the phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that it is proportional to the separation distance from other adjacent phase insulator.
상기 위상절연체는 +자(cross) 형태로 돌출 또는 요입된 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 16,
The phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the protruding or recessed in the form of a cross.
상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 좌방향 또는 우방향으로 연장된 부위의 길이와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 24,
The width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that proportional to the length of the portion extending in the left or right direction.
상기 위상절연체의 상하방향으로 연장된 부위의 너비는 인접한 다른 위상절연체와의 이격 거리와 비례한 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 25,
The width of the portion extending in the vertical direction of the phase insulator is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that proportional to the separation distance from the adjacent phase insulator.
상기 전도도 가변체는 상기 위상절연체와 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 16,
And said conductivity variable is physically coupled to said phase insulator.
상기 전도도 가변체를 전기적으로 게이팅하는 게이팅층을 상기 전도도 가변체에 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 16, wherein after the conductivity variable is coupled to the phase insulator,
And coupling the gating layer electrically gating the conductivity variable to the conductivity variable.
상기 게이팅층은 이온겔(Ion gel)인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 변조기의 제조방법.The method of claim 28,
The gating layer is a method of manufacturing a terahertz wave modulator, characterized in that the ion gel (Ion gel).
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KR20120040023A (en) * | 2010-10-18 | 2012-04-26 | 광주과학기술원 | Terahertz wave Resonator and Modulator Utilizing Metamaterial |
KR101727291B1 (en) | 2016-01-14 | 2017-04-14 | 연세대학교 산학협력단 | Method for generating a ultra terahertz using graphene metamaterial |
KR20170091403A (en) * | 2016-02-01 | 2017-08-09 | 연세대학교 산학협력단 | System and Method for Modulating Terahertz Pulse using Topological Insulator |
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