KR102101921B1 - 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

연속 테라헤르츠파 발생장치는 고정된 파장의 제1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저와, 상기 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 발진하는 파장 가변 레이저와, 상기 제2 레이저광을 증폭하는 증폭기와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 혼합 및 분배하여 비팅광을 출력하는 광분배기를 포함하는 광원부와; 상기 제2 레이저광의 파장을 조절하는 파장 컨트롤러와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 포토디텍터와, 상기 비팅광에 대한 분석하는 광파장 검출기를 포함하는 광원 제어부와를 포함할 수 있다.

Description

연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법{CONTINUOUS TERAHERTZ WAVE GENERATING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 파장고정 레이저와 파장 가변 레이저를 사용하는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법에 관한 것이다.

테라헤르츠는 잠재된 발전 가능성이 매우 큰 분야이다. 특히 매우 중요한 전자파 자원으로 활용될 것으로 예상되고 있으며, 그 응용 범위가 크게 확장되고 있다.

연속 테라헤르츠 발생 중에 포토믹싱(Photomixing)을 이용한 방법은 두 레이저를 광전변환기에 입력하여 비팅 주파수 즉 두 주파수 차이에 해당하는 전자기파를 발생시키는 기법으로 반도체의 조합으로 만들어지고 있다. 위 방법은 발진 특성이 연속적이고, 주파수 가변이 가능한, 매우 좁은 대역폭을 가지는 테라헤르츠파를 생성하기에 적합하며, 발생하는 테라헤르츠를 검출하기 위하여 광지연라인 같은 광경로변경 장치를 이용하여 검출기에서 발생되는 테라헤르츠를 검출할 수 있다. 그러나 광지연라인의 이용은 시스템 구성의 저가, 소형화 그리고 연속 검출을 추구하기 위해서 많은 걸림돌이 되고 있다. 또한 광지연 라인의 사용은 사용 시 진동의 발생으로 위상변조 및 노이즈가 발생할 수 있고 기계적인 결함 또한 발생할 수 있어 시스템 구성에 어려움이 따른다.

일본공개특허공보 제2010066380호 미국등록특허공보 제8138477호 미국등록특허공보 제9279723호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고속으로 주파수가 가변되는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 노이즈 발생 없이 두 파장의 위상을 정확하게 조절할 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광원부에서 출력되는 비팅 광원의 세기가 조절되고 안정된 비팅 광원을 출력할 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 연속 테라헤르츠파 발생장치가 제공된다. 연속 테라헤르츠파 발생장치는 고정된 파장의 제1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저와, 상기 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 발진하는 파장 가변 레이저와, 상기 제2 레이저광을 증폭하는 증폭기와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 혼합 및 분배하여 비팅광을 출력하는 광분배기를 포함하는 광원부와; 상기 제2 레이저광의 파장을 조절하는 파장 컨트롤러와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 포토디텍터와, 상기 비팅광에 대한 분석하는 광파장 검출기를 포함하는 광원 제어부와; 외부 바이어스의 인가를 위한 함수 발생기와, 상기 외부 바이어스에 의한 구동에 따라 상기 비팅광을 테라헤르츠파로 변환하는 송신 안테나와, 수신된 상기 비팅광을 이용하여 상기 송신 안테나와 사이에 존재하는 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신하는 수신 안테나와, 상기 광원부와 상기 수신 안테나 사이에서 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 위상 변조기를 포함하는 테라헤르츠파 발생부와; 상기 수신 안테나로 수신된 상기 샘플을 통과한 출력 테라헤르츠파를 상기 함수 발생기의 교류 신호에 따라 트리거되어 검출하는 락인 증폭기와, 검출된 상기 출력 테라헤르츠파의 위상 및 진폭을 분석하는 분석부를 포함하는 분광신호 분석부를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법이 제공된다. 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법은 고정된 파장의 제1 레이저광과 상기 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 혼합하여 비팅광을 출력하는 단계와; 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 단계와; 상기 비팅광에 대하여 분석하는 단계와; 외부 바이어스에 의하여 상기 비팅광을 테라헤르츠파로 변환하여 샘플로 송신하는 단계와; 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 단계와; 위상 차이가 조절된 상기 비팅광을 이용하여 상기 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신하는 단계와; 상기 수신된 테라헤르츠파를 검출하고 분석하는 단계와; 상기 제2 레이저광의 파장을 조절하여 상기 테라헤르츠파의 주파수를 튜닝하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고속으로 주파수가 가변되는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 노이즈 발생 없이 두 파장의 위상을 정확하게 조절할 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광원부에서 출력되는 비팅 광원의 세기가 조절되고 안정된 비팅 광원을 출력할 수 있는 연속 테라헤르츠파 발생장치 및 방법이 제공될 수 있다.

이로써, 안정적인 테라헤르츠파의 발생이 가능하고, 테라헤르츠파 발생장치의 경박단소화가 가능하며, 반도체 샘플의 종류 별 분광학적 특성 및 반도체 샘플 별 테라헤르츠파에 대한 특성 분석이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변조기를 포함하는 연속 테라헤르츠파 발생장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 검출 신호를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 200 GHz와 500 GHz에서의 연속 테라헤르츠파 발생장치의 검출 신호를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 락인 증폭기의 시정수 조절에 따른 검출 신호를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 락인 증폭기의 시정수 조절에 따른 함수 발생기의 주파수 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 반도체 샘플에 대하여 측정된 실측 데이터를 도시한 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 복수의 반도체 샘플의 시간 영역에서의 검출 신호를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 각 반도체 샘플의 주파수 영역에서의 검출 신호를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 α-lactose 샘플에 대한 흡광도 스펙트럼 데이터에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예예 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.

또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.

또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변조기를 포함하는 연속 테라헤르츠파 발생장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치는 광원부(100), 광원 제어부(200), 테라헤르츠파 발생부(300) 및 분광신호 분석부(400)를 포함할 수 있다.

광원부(100)는 테라헤르츠파 발생부(300)에 비팅광을 제공하며, 파장 고정 레이저(110), 파장 가변 레이저(120), 증폭기(130) 및 광분배기(140)로 구성될 수 있다.

파장 고정 레이저(110)는 고정된 제 1 파장(λ1)을 가지는 제1 레이저광을 발진하고, 파장 가변 레이저(120)는 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는, 즉 고정된 제1 파장을 제외한 다수의 파장(λ2 ~ λn)을 가지는 제2 레이저광을 발진한다. 파장 고정 레이저(110)는 DFB 레이저(distributed feedback laser diode)로 구현될 수 있고, 파장 가변 레이저(120)는 제2 레이저광의 파장을 연속적으로 고속으로 변조할 수 있다.

증폭기(130)는 제2 레이저광을 증폭할 수 있다. 제1 레이저광과는 달리 제2 레이저광은 그 세기가 약하게 출력될 수 있기 때문에 원하는 비팅광을 얻기 위하여 제2 레이저광은 증폭되어야 한다. 본 실시예에 따른 증폭기(130)는 에르븀 증폭기(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)로 구현될 수 있다.

광분배기(140)는 증폭된 제1 레이저광과 제2 레이저광을 혼합 및 분배하여 비팅광을 출력한다. 광분배기(140)에서 방출된 비팅광은 테라헤르츠파로 변환하는 테라헤르츠파 발생부(300)로 제공된다.

비팅광의 안정적인 제어를 위하여 본 실시예에 따른 광원 제어부(200)는 파장 컨트롤러(210), 포토디텍터(220) 및 광파장 검출기(230)를 포함할 수 있다.

테라헤르츠파는 제1 레이저광과 제2 레이저광의 파장 차이에 대응하여 생성될 수 있고, 원하는 주파수 대역의 테라헤르츠파를 위하여는 제1 레이저광과 제2 레이저광의 파장 차이가 가변되어야 한다. 샘플을 통과하는 다양한 주파수 대역의 테라헤르츠파를 얻기 위하여는 고정된 파장을 갖는 제1 레이저광이 아닌 파장이 가변될 수 있는 제2 레이저광을 제어해야 하고, 파장 컨트롤러(210)는 연속적으로 주파수가 변경되는 테라헤르츠파의 출력을 위하여 제2 레이저광의 파장을 제어할 수 있다. 파장 컨트롤러(210)는 사용자에 의하여 튜닝될 수 있고, 원하는 주파수 범위가 설정되면 자동적으로 제2 레이저광의 파장이 변경될 수도 있다. 이렇게 연속적으로 파장의 조절이 가능하기 때문에 주파수 범위에 따른 연속적인 테라헤르츠파의 발생이 가능해진다.

포토디텍터(220)는 제1 레이저광과 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다. 포토디텍터(220)를 통하여 연속적으로 제1 레이저광과 제2 레이저광의 세기가 모니터링 되고, 이를 피드백됨으로써 비팅광의 광파워를 일정하게 유지시킬 수 있다.

광파장 검출기(230)는 송신 안테나(320)로 전달되는 비팅광에 대한 분석을 수행하며, 이는 광스펙트럼 분석기로 구현될 수 있다. 광파장 검출기(230)에서는 비팅광의 스펙트럼이 실시간으로 모니터링되고 피드백 회로를 통하여 지속적으로 파장의 스펙트럼이 유지될 수 있으며, 이를 통해 송신 안테나(320)로 전달되는 비팅광의 성질이 제어될 수 있다.

비팅광을 이용하여 테라헤르츠파를 발생시키는 테라헤르츠파 발생부(300)는 함수 발생기(310), 송신 안테나(320), 수신 안테나(330) 및 위상 변조기(340)를 포함하여 구성될 수 있다.

비팅광은 두 개의 경로를 거쳐 송신 안테나(320) 및 수신 안테나(330)로 전달된다. 제1 레이저광과 제2 레이저광이 혼합된 비팅광은 송신 안테나(320)로 전달되어 테라헤르츠파로 발생되고, 비팅광의 일부는 위상 변조기(340)를 거쳐 수신 안테나(330)로 전달된다. 함수 발생기(310) 및 송신 안테나(320)를 통하여 생성된 테라헤르츠파는 수신 안테나(330)로 수신되며, 수신 안테나(330)에 수신된 테라헤르츠파를 검출하기 위해서는 위상 변조기(340)를 거쳐 수신되는 비팅광이 존재해야 한다.

함수 발생기(310)는 외부 바이어스를 송신 안테나(320)에 제공하고, 락인 증폭기(420)로 트리거를 위한 교류 신호를 출력할 수 있다. 또한, 함수 발생기(310)는 전압과 파형에 대한 레퍼런스 정보를 송신 안테나(320)와 후술되는 위상 변조기(340)로 동일하게 출력한다. 이러한 함수 발생기(310)의 역할을 통하여 비팅광의 위상이 일정하게 유지될 수 있고, 안정적인 테라헤르츠파의 출력 및 검출이 가능해진다.

송신 안테나(320)는 외부 바이어스에 의한 구동에 따라 비팅광을 테라헤르츠파로 변환하는 광전도체를 포함할 수 있다. 광전도체는 비팅광을 광전류로 변환하고, 광전류가 안테나를 통하여 테라헤르츠파로 복사될 수 있다.

수신 안테나(330)는 비팅광을 수신하고, 동시에 수신된 비팅광을 이용하여 송신 안테나(320)와 사이에 존재하는 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신한다. 수신 안테나(330) 역시 광전도체 및 안테나로 구성될 수 있다. 연속 테라헤르츠파 발생장치에서 발생되는 테라헤르츠파는 샘플, 예를 들어 반도체 샘플을 통과하는데, 이러한 샘플은 샘플 스테이지에 놓여 스테이지가 움직임에 따라 연속적으로 그 특성이 검출될 수 있고, 이러한 검출은 샘플에 대한 파괴 없이 비파괴로 구현될 수 있다.

이러한 송신 안테나(320)와 수신 안테나(330)는 InGaAs 물질의 보우(bow)-타이(tie) 형태인 포토컨덕티브(photoconductive antenna) 안테나 또는 GaAs 물질의 로그(log)-어프릴(aprial) 형태의 안테나를 포함할 수 있다.

위상 변조기(340)는 광원부(100)와 수신 안테나(330) 사이에서 제1 레이저광과 제2 레이저광의 위상 차이를 정확하게 조절할 수 있다. 또한, 위상 변조기(340)는 제1 레이저광과 제2 레이저광의 위상에 대한 노이즈를 제거하고, 송신 안테나(320)와 수신 안테나(330)로 전달되는 비팅광의 위상 편차, 위상 차이를 최소하는 역할을 수행한다. 즉, 위상 변조기(340)를 통하여 비팅광의 위상 편차가 최소화 되기 때문에 송신 안테나(320) 및 수신 안테나(330)로 전달되는 비팅광의 광학 경로를 동일한 유효 광학 지연 시간을 갖도록 제어될 수 있다.

이를 통해 기존의 광지연라인을 제거하면서 연속 테라헤르츠파 발생장치 구성의 소형화를 구현할 수 있다.

한편, 위상 변조기(340)는 함수 발생기(310)로부터 전압, 최적의 주파수 및 주파수 파형(예컨대, 삼각파, 사각파, 톱니파)에 대한 레퍼런스에 대한 정보를 얻을 수 있고, 이에 기초하여 제1 레이저광과 제2 레이저광의 위상 차이를 조절할 수 있다.

위상 변조기(340)는 함수 발생기(310)에 의하여 제어될 수 있고, 안정적인 테라헤르츠파 검출을 위하여 필수적인 구성이다. 위상 변조기(340)는 수신 안테나(330)로 전달되는 비팅광을 조절하는 역할을 하는데, 위상 변조기(340)에서 검출된 비팅광이 불안정하다면 위상 변조기(340)로 인가되는 변수가 조절되어 비팅광을 안정적으로 출력할 수 있도록 한다.

이러한 위상 변조기(340)는 광섬유 지연기 및 광변조기 중 하나로 구현될 수 있다.

정리하면, 테라헤르츠파 발생부(300)는 제 1 파장과 제 2 파장의 파장 차이값에 대응하는 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.

한편, 테라헤르츠파 발생부(300)는 광분배기(140)와 송신 안테나(320) 사이와 광분배기(140)와 위상 변조기(340) 사이에 각 비팅광의 편광입자를 조절하는 다수의 편광 조절기(350)를 더 포함할 수 있다.

분광신호 분석부(400)는 수신 안테나(330)로부터 출력된 출력 테라헤르츠파를 검출하여 분석한다. 이를 위하여 분광신호 분석부(400)는 프리 증폭기(410), 락인 증폭기(420) 및 분석부(430)를 포함할 수 있다.

프리 증폭기(410)는 수신 안테나(330)와 락인 증폭기(420) 사이에서 출력 테라헤르츠파를 기설정된 이득으로 증폭하는 역할을 한다.

락인 증폭기(420)는 함수 발생기(310)의 교류 신호에 따라 트리거되어 기설정된 주파수 대역의 증폭된 반도체 샘플의 테라헤르츠파 신호를 추출하여 검출 신호를 출력하며, 후술되는 바와 같이 시정수 조절을 통하여 출력 테라헤르츠파의 고주파를 제거할 수 있다. 락인 증폭기(420)는 함수 발생기(310)와 동기화 되고, 함수 발생기(310)와 동기화된 락인 증폭기(420)의 바이어스에 대응하는 테라헤르츠파가 발생할 수 있다.

이에 따라 프리 증폭기(410)에서 소정 이득으로 증폭된 반도체 샘플의 테라헤르츠파 신호는 함수 발생기(310)의 교류 신호를 이용하여 트리거되어 락인 증폭기(420)에 의해 추출된 후 분석부(430)로 전달될 수 있다.

분석부(430)는 검출된 출력 테라헤르츠파의 위상 및 진폭을 분석하며, 이를 사용자가 시인할 수 있는 그래프로 도식화 할 수 있다.

또한, 분석부(430)는 반도체 샘플의 테라헤르츠파 신호를 연속적으로 고속 획득하면서, 반도체 샘플 별 테라헤르츠파 신호를 기반으로 위상 변조기(340)의 위상을 단속할 수 있다. 분석부(430)는 테라헤르츠파의 파워의 세기를 검색하고 검색된 결과를 토대로 테라헤르츠파의 파워의 세기가 기 정해진 임계치를 초과하는 것을 방지하는 위상 변조기(220)의 위상을 단속할 수 있다. 이에 따라 테라헤르츠파의 파워 세기가 기설정된 임계치를 초과하지 않으면서 안정적인 테라헤르츠파가 발생될 수 있다.

또한, 분석부(430)는 획득된 반도체 샘플의 테라헤르츠파 신호를 디지타이저(digitizer)하고, 평균화할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 연속 테라헤르츠파 발생장치에서 안정적으로 발생되는 테라헤르츠를 이용하여 물질의 특성을 분석할 수 있고, 샘플에 대한 비파괴 이미지를 제공할 수 있다. 또한, 정확한 파장 가변이 가능하고, 뛰어난 분해능을 바탕으로 물질에 대한 테라헤르츠파의 투과 특성을 획득할 수 있고 이를 통해 각각의 물질 성질에 따른 주파수별 특성을 분석할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 검출 신호를 도시한 그래프이다.

도 2의 수신 안테나(330)에서 출력된 테라헤르츠파의 주파수를 연속적으로 조절, 즉 튜닝하면서 얻어낸 데이터를 도식화한 것으로, 본 발명에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 재현성을 확인하기 위해서 테라헤르츠 튜닝을 한 번 스캔 했을 경우와 3번 스캔 후 각 데이터의 평균을 표현한 것이다.

도시된 바와 같이, 테라헤르츠파의 주파수를 한 번 튜닝했을 때와 3번 연속했을 때의 진폭은 거의 유사한 값을 나타내고 있으며, 이로써 본 발명에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 신뢰성을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 200 GHz와 500 GHz에서의 연속 테라헤르츠파 발생장치의 검출 신호를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 도 3의 데이터는 테라헤르츠파에 대하여 연속 튜닝한 것이 아닌 특정 주파수 예를 들어, 200GHz, 500GHz에서 얻어진 결과를 도시한 것이다. 즉, 무작위 적인 특정 주파수로 레이저를 튜닝한 후 테라헤르츠를 얻은 결과를 통하여 본 발명에 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 안정성과 재현성을 확인할 수 있다. 도시된 바와 같이, 200GHz 및 500GHz에서도 1번 스캔한 그래프와 3번 연속 스캔한 테라헤르츠파의 출력이 일관성을 보이고 있고, 이를 통해 연속 테라헤르츠파 발생장치의 재현성이 양호하다는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 락인 증폭기의 시정수 조절에 따른 검출 신호를 도시한 그래프이다.

출력 테라헤르츠파는 락인 증폭기(420)의 시정수에 따라 고주파가 발생하는 경우가 있다. 즉, 짧은 시정수에서 노이즈 신호가 섞여 데이터가 불안정 할 수 있으며, 시정수 조절을 통하여는 고주파를 제거할 수 있다. 이 경우, 시정수 조절을 통하여 락인 증폭기(420)는 로우패스필터 역할을 할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 시정수가 1ms 및 300us 일 때 보다 짧은 100us의 시정수에서 고주파가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 데이터가 출력되는 경우, 락인 증폭기(420)의 시정수를 제어하여 고주파를 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 락인 증폭기의 시정수 조절에 따른 함수 발생기의 주파수 관계를 도시한 그래프이다.

도 5의 그래프에서, y축은 주파수는 함수 발생기(310)에서 조절되는 주파수 범위를 나타내고, x축은 락인 증폭기(420)에서 조절되는 시정수를 나타낸다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 락인 증폭기(420)의 시정수가 작으면 출력 테라헤르츠파에 노이즈 신호가 섞여 고주파와 같은 큰 신호가 검출될 수 있는데 시정수 조절을 통하여 노이즈 신호가 제거된 데이터를 얻을 수 있다.

도시된 바와 같이, 락인 증폭기(420)의 시정수가 100ms보다 작은 경우, 고주파가 발생하고, 시정수가 300ms이면 고주파가 제거된 테라헤르츠파가 검출되고 있다. 이러한 고주파 제거 효과는 함수 발생기(310)의 주파수 범위가 5-20kHz 범위, 좀더 세밀하게 5-15 kHz인 경우에서 두드러지는 것을 확인할 수 있다.

락인 증폭기(420)의 시정수는 별도의 컨트롤러에 의하여 조절될 수도 있고, 분석부(430)로부터 수신되는 피드백 신호에 따라서 제어될 수도 있다. 즉, 락인 증폭기(420)는 출력 테라헤르츠파의 검출과 동시에 고주파를 제거하는 로우패스필터의 역할을 수행함으로써 분석부(430)에서 샘플에 대한 테라헤르츠파 분석이 보다 정확하게 이루어질 수 있게 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 반도체 샘플에 대하여 측정된 실측 데이터를 도시한 그래프이다.

연속 테라헤르츠파 발생장치의 실험에 사용된 샘플은 반도체 샘플이며, 홀 효과 측정기(Hall effect measurement)에 의해서 반도체 샘플의 저항(Rs), 이동성(Mobility) 및 농도(N(/㎤) 등을 측정한 데이터이다. 이 데이터는 연속 테라헤르츠 발생장치에 적용될 실리콘 샘플을 정하고 우선 실리콘 샘플에 대한 물성을 정확하게 확인하기 위한 것으로, 각 반도체 샘플에 따라 각각 다른 물성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 복수의 반도체 샘플의 시간 영역에서의 검출 신호를 도시한 그래프이다. 도 7의 (a)는 반도체 샘플 중 NS2, NS4, PS2, PS4에 대한 시간 영역에 대한 검출 신호이고, 도 7의 (b)는 반도체 샘플 중 NS1, NS3, PS1, PS3에 대한 시간 영역에 대한 검출 신호를 나타내고 있다.

도 6에 나타난 바와 같이, 홀 효과 측정기로 물성을 분석 한 결과 NS2, NS4, PS2, PS4 샘플이 비교적 저항이 높게 측정이 되었는데 연속 테라헤르츠 발생장치로 스펙트럼 분석을 해본 결과, 저항이 높은 반도체 샘플(NS2, NS4, PS2, PS4)에서는 테라헤르츠 투과가 높게 관찰되었고(a), 낮은 저항의 반도체 샘플(NS1, NS3, PS1, PS3)에서는 테라헤르츠 흡수가 많이 나타나는 것을 관찰할 수 있다(b).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 각 반도체 샘플의 주파수 영역에서의 검출 신호를 도시한 그래프이다.

도 8은 반도체 샘플에 대한 투과도 그래프로서, 종전 스캔 범위인 0.1-0.8THz가 아닌 0.1-1THz로 주파수 범위를 넓혀서 반도체 샘플에 대한 검출 신호를 측정한 결과이다. 주파수 도메인에서도 반도체 샘플의 저항에 따라서 테라헤르츠 투과도가 명확하게 차이가 나는 것을 관찰할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 알파 락토스(α-lactose) 샘플에 대한 흡광도 스펙트럼 데이터에 대한 그래프이다.

즉, 도 9는 알파 락토스 샘플에 대한 테라헤르츠파의 흡수 스펙트럼이다. 알파 락토스의 농도는 10%, 30%, 50%, 70% 및 90%, 그리고 1.8mm로 농도를 다르게 제작하였고, 그 결과 0.5THz를 중심으로, 보다 구체적으로는 0.53THz에서 농도 별로 흡수 정도가 명확하게 차이 나는 것을 확인 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 위상 변조기를 이용한 연속 테라헤르츠파 발생장치에 관한 것으로, 파장 고정 레이저 및 파장 가변 레이저를 이용하여 연속 테라헤르츠파를 생성함에 있어 위상 변조기를 이용하여 테라헤르츠파의 파워 세기를 단속하여 안정적인 테라헤르츠파를 발생할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존에 광지연라인의 사용으로 발생되는 단점인 시스템 소형화와 시스템 구성의 저가화의 어려움을 해결할 수 있으며, 연속가변 레이저광을 이용하여 원하는 주파수의 연속테라헤르츠를 안정적으로 발생시킬 수 있고, 이를 통해 샘플 물질의 테라헤르츠 영역에서의 정밀한 분광 정보 특성을 얻을 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예예 따른 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법을 설명하기 위한 제어 흐름도이다. 도 10을 참고하여 본 발명에 따른 테라헤르츠파 발생장치를 제어하는 방법을 정리하면 다음과 같다.

우선, 광원부를 통하여 고정된 파장의 제1 레이저광과 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 혼합하여 비팅광을 출력한다(1010).

이러한 혼합광은 송신 안테나와 수신 안테나로 전달되기 전에 광원의 특정이 제어될 수 있다.

예를 들어, 포토디텍터는 제1 레이저광과 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다(1020). 포토디텍터는 컴퓨터 장치로 구현되는 분석부로부터 피드백 신호를 수신하여 각 레이저 광원에서 출력되는 광의 세기를 일정하게 제어한다.

또한, 광파장 검출기는 광분배기에서 혼합된 비팅광에 대하여 분석할 수 있다(1030).

이렇게 세기와 특성이 제어되는 혼합광인 비팅광은 외부 바이어스에 의하여 테라헤르츠파로 변환되어 샘플로 송신된다(1040). 테라헤르츠파를 생성하는 송신 안테나는 함수 발생기에서 인가되는 외부 바이어스에 의하여 구동될 수 있는 광전도체와 안테나를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 비팅광은 송신 안테나로 전달되는 경로 이외에 수신 안테나로 수신되는 경로를 거치게 되고, 광원부와 수신 안테나 사이에 연결되어 있는 위상 변조기에서 제1 레이저광과 제2 레이저광의 위상 차이가 조절된다(1050).

위상 변조기에 의하여 비팅광의 위상이 조절되고 노이즈가 제거될 수 있으며, 송신 안테나로 전달되는 광경로와 수신 안테나로 전달되는 광경로의 광지연 정도가 최소한으로 조절될 수 있다.

제1 레이저광과 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 단계는 분석부에서 제공되는 전압에 대한 정보를 레퍼런스로 삼아 수행될 수 있고, 위상 변조기 역시 피드백을 위한 전압에 대한 정보를 분석부에 제공할 수 있다.

수신 안테나는 위상 차이가 조절된 비팅광을 이용하여 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신할 수 있다(1060).

비팅광 및 송신 안테나에서 송신된 테라헤르츠파에 기초하여 샘플을 통과한 샘플에 대한 분광신호가 수신 안테나로 수신되면, 분석부에 의한 수신된 테라헤르츠파의 검출 및 분석이 수행될 수 있다(1070).

사용자는 원하는 주파수의 테라헤르츠파를 발생시키기 위하여 제2 레이저광의 파장을 조절하여 테라헤르츠파의 주파수를 튜닝할 수 있다(1080).

테라헤르츠파를 검출하고 분석하는 단계는 테라헤르츠파를 특정 교류 신호에 따라 트리거되어 검출하는 단계를 포함하는데, 이때 테라헤르츠파 검출에 사용되는 시정수를 제어하여 테라헤르츠파의 고주파를 제어할 수 있다(1090).

도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 11의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 연속 테라헤르츠파 발생장치에 적용되는 장치 등) 일 수 있다.

도 11의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.

메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

1. 연속 테라헤르츠파 발생장치에 있어서,
   고정된 파장의 제1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저와, 상기 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 발진하는 파장 가변 레이저와, 상기 제2 레이저광을 증폭하는 증폭기와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 혼합 및 분배하여 비팅광을 출력하는 광분배기를 포함하는 광원부와;
   상기 제2 레이저광의 파장을 조절하는 파장 컨트롤러와, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 포토디텍터와, 상기 비팅광에 대한 분석하는 광파장 검출기를 포함하는 광원 제어부와;
   외부 바이어스의 인가를 위한 함수 발생기와, 상기 외부 바이어스에 의한 구동에 따라 상기 비팅광을 테라헤르츠파로 변환하는 송신 안테나와, 수신된 상기 비팅광을 이용하여 상기 송신 안테나와 사이에 존재하는 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신하는 수신 안테나와, 상기 광원부와 상기 수신 안테나 사이에서 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 광변조기에 해당하는 위상 변조기를 포함하는 테라헤르츠파 발생부와;
   상기 수신 안테나로 수신된 상기 샘플을 통과한 출력 테라헤르츠파를 상기 함수 발생기의 교류 신호에 따라 트리거되어 검출하는 락인 증폭기와, 검출된 상기 출력 테라헤르츠파의 위상 및 진폭을 분석하는 분석부를 포함하는 분광신호 분석부를 포함하고,
   상기 함수 발생기는 상기 위상 변조기로 최적의 주파수 및 주파수 파형에 대한 레퍼런스에 대한 정보를 출력하며,
   상기 위상 변조기는 상기 레퍼런스에 대한 정보에 기초하여 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 파장 컨트롤러에서 제2 레이저광의 파장이 변경됨으로써 연속적으로 주파수가 변경되는 테라헤르츠파가 출력되는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 락인 증폭기의 시정수가 조절됨으로써 상기 출력 테라헤르츠파의 고주파가 제거되는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 수신 안테나 및 상기 송신 안테나는 InGaAs 물질의 바우(bow)-타이(tie) 형태인 포토컨덕티브(photoconductive antenna) 안테나 또는
   GaAs 물질의 로그(log)-어프릴(aprial) 형태의 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 광분배기와 상기 송신 안테나 사이와 상기 광분배기와 상기 위상 변조기 사이에 각 비팅광의 편광입자를 조절하는 다수의 편광 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 연속 테라헤르츠파 발생장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 분광신호 분석부는 상기 수신 안테나와 상기 락인 증폭기 사이에서 출력 테라헤르츠파를 기설정된 이득으로 증폭하는 프리 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치.
10. 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법에 있어서,
    고정된 파장의 제1 레이저광과 상기 고정된 파장 이외의 다수의 파장으로 가변되는 제2 레이저광을 혼합하여 비팅광을 출력하는 단계와;
    상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 센싱하여 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 세기가 일정하게 유지되도록 제어하는 단계와;
    상기 비팅광에 대하여 분석하는 단계와;
    외부 바이어스에 의하여 상기 비팅광을 테라헤르츠파로 변환하여 샘플로 송신하는 단계와;
    광지연라인을 배제한 상태에서 광변조기를 이용해서 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 단계와;
    위상 차이가 조절된 상기 비팅광을 이용하여 상기 샘플을 통과한 테라헤르츠파를 수신하는 단계와;
    상기 수신된 테라헤르츠파를 검출하고 분석하는 단계와;
    상기 제2 레이저광의 파장을 조절하여 상기 테라헤르츠파의 주파수를 튜닝하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 단계는 외부에서 제공되는 전압 및 파형에 대한 정보에 기초하여 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광의 위상 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파를 검출하고 분석하는 단계는,
    상기 테라헤르츠파를 특정 교류 신호에 따라 트리거되어 검출하는 단계와;
    상기 테라헤르츠파 검출에 사용되는 시정수를 제어하여 상기 테라헤르츠파의 고주파를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 테라헤르츠파 발생장치의 제어방법.
    

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