KR102278849B1 - 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템은 빔 스플릿터와 트랜스시버를 포함한다. 상기 빔 스플릿터는 광학 펄스를 펌프 펄스 및 프로브 펄스로 분리하도록 구성된다. 상기 트랜스시버는 송신기 스위치 및 수신기 스위치를 포함한다. 상기 펌프 펄스는 송신기 스위치로 향하도록 하고 상기 프로브 펄스는 수신기로 향한다. 상기 펌프 펄스가 상기 송신기 스위치에 부딪칠 때, 전자기 방사선은 상시 트랜스시버로부터 방출된다. 상기 전자기 방사선은 펄스된 형태 또는 연속파 형태에서의 테라헤르쯔 방사선일 수 있다.

Description

전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템 {SYSTEM FOR TRANSMITTING AND RECEIVING ELECTROMAGNETIC RADIATION}
본 발명은 전자기파 방사선을 송신하고 수신하는 트랜스시버(transceivers)에 관한 것으로, 특히 테라헤르쯔 방사선을 송신하고 수신하는 트랜스시버에 관한 것이다.
본 발명은 전체적으로 참조로서 본 문서에 병합되는 2013년12월17일에 출원된 미국 가출원 번호 61/917,151의 출원일의 우선권을 주장한다.
본 발명은 미국 항공 우주국 (NASA)에 의하여 수여된 계약 NNX 12CA81C 하에서 미국 정부의 지지에 의하여 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리를 가진다.
고속의 광학 펄스가 반도체에서 전자-전공 쌍들을 생성하는 광전도성 스위치에 부딪쳐서 생성되는 결과로 초래되는 대전 입자(charge carrier)가 방사 안테나(radiating antenna)의 광전도성 부분 사이에서 흐르도록 할 때, 테라헤르츠 펄스는 장치에 의하여 생성될 수 있다. 이는 차례로 안테나로부터 전자기 펄스를 방출한다. 반도체 안의 딥 레벨 트랩(deep level traps)으로부터 초래되는 고속 입자 트랩핑 스피드 (fast carrier trapping speed) 로 인해 광학 펄스가 제거될 때 상기 대전 입자 집단은 빠르게 소멸된다. 이는 초고속 테라헤르쯔 전자기의 반응이 발생하는 것을 초래한다. 사용되는 전형적인 반도체는 저온 성장된 갈륨 비소 (low temperature grown gallium arsenide), 저온 성장된 인듐 갈륨 비소 (low temperature grown indium gallium arsenide), 및 기술되는 특징을 구비한 다른 적합한 재료를 포함한다. 상기 반도체 재료는 전형적으로 입력되는 광학 펄스를 효율적으로 흡수하기에 적절한 디렉트 밴드 간격(direct band gap)을 구비하도록 디자인된다.
상기 방출된 테라헤르쯔 전자기 방사선을 검출하는 수신 안테나는 종종 구성 및 치수에 있어서 송신 안테나와 유사하다. 수신 안테나와 송신 안테나의 주요한 차이는 수신 안테나가 상기 안테나의 광도전성 간격(gap) 또는 스위치에서 작지만 측량 가능한 전기장을 형성하는 입력되는 전자기 방사선을 수신한다는 것이다. 상기 전기장으로부터 초래되어 적용되는 전압 바이어스(voltage bias)는 수신 안테나에서 광도전성 스위치를 연결하고 유도된 전류를 측정함으로써 준비된다.
이러한 테라헤르쯔 시스템은 대체로 펌프-프로브 작동 방법(pump-probe method of operation)을 사용한다. 기본적으로 2개의 안테나가 사용된다. 상기 송신 안테나는 광학 펄스에 의하여 "펌프"되고 상기 테라헤르쯔 방사선을 방출한다. 상기 수신 안테나는 제1 펄스로부터 지연된 시간에 맞추어 제2 펄스에 의하여 "프로브"된다. 이러한 시간 지연은 테라헤르쯔 파장의 시작과는 다른 지연 시간에서 목표 대상에 의하여 수정된 후에 테라헤르쯔 파장의 샘플링을 허용하며 종종 변화가능하다. 전체의 결과가 되는 파장은 펌프 펄스에 상대적인 프로브 펄스의 시간 지연을 스캔함으로써 재구성될수 있다.
도 1을 참조하면, 종전의 시스템(10)은 공지의 펌프 프로브 시스템이다. 이의 주요한 구성으로서, 이러한 시스템(10)은 테라헤르쯔 방사선(14)을 송신하기 위한 송신기(12)와 송신기(12)에 의하여 방출된 테라헤르쯔 방사선(14)의 일부(18)를 수신하기 위한 수신기(16)를 포함하다. 테라헤르쯔 방사선을 송신하고 수신하는 모듈의 예시는 본 문서에 전체로서 결합되는 미국 특허 6,816,647에 공개되어 있다.
송신기(12) 및 수신기(16)를 여기(excite)하는데 사용되는 광학 펄스는 광학 섬유 (20, 22)에 의해 제공되며, 이러한 광학 섬유(fiber)는 단일 모드 섬유(fiber)일 수 있다. 렌즈(24)는 플레이트 또는 샘플(28)을 향하여 테라헤르쯔 방사선(26)을 안내한다. 상기 플레이트 또는 샘플(28)은 테라헤르쯔 방사선(30)을 박막(32)으로 반사하고, 상기 박막(32)은 차례로 상기 반사된 방사선(30)을 상기 수신기(16)로 반사한다. 이러한 모듈은 파이버 피그테일(fiber fig tailed)되고 짧은(10-14 ~10-12 second) 광학 펄스를 고속 광도전성 스위치에 송신한다. 상기 송신기(12)의 경우에는 짧은 광학 펄스가 테라헤르쯔 (1010 -1013 Hz) 방사선(26)의 펄스를 생성하도록 스위치를 가동시킨다. 이러한 시스템은 박막(32)과 같은 부분적인-반사 빔 스틀릿터를 사용하여 송신 및 수신되는 테라헤르쯔 빔의 빔경로들을 중첩하도록 한다.
이러한 구성의 한가지 문제점은 송신 및 회귀하는 신호가 상기 박막(32)과 마주칠때 테라헤르쯔 파워의 대략 75%가 손실된다는 것이다. 송신된 신호는 처음 박막(32)과 마주칠 때 그의 신호의 절반이 손실되다. 절반이 박막(32)을 통과하여 프로브(probe)되는 플레이트 또는 샘플(28)로 지나가면서 나머지 절반이 반사되고 손실된다. 상기 회귀 신호(30)는 절반이 박막(32)에 의하여 수신기(16)로 반사될 때, 동일한 손실을 직면하고, 나머지 절반은 상기 박막(32)을 통과하여 송신기(12)에 도달하며 손실된다. 게다가, 시스템(10)의 구성은 또한 부피가 크고, 비싸며 정렬을 맞추기 어렵다. 또한, 상기 섬유(20, 22)는 송신기(12) 및 수신기(16)에 펄스를 송신하도록 길이에서 맞추어질 필요가 있다. 이러한 섬유(20, 22)는 하나의 섬유에 전해지는 온도 변화에 의해 유발되는 시간의 변동, 진동 효과 또는 트위스팅 또는 당김에 의하여 부가되는 단순한 스트레스가 나머지 하나의 섬유보다 클 때 문제가 될 수 있다.
시스템은 전자기 방사선을 송신하고 수신하기 위한 것으로 설명된다. 이러한 시스템은 빔 스플릿터 및 트랜스시버를 포함한다. 상기 빔 스플릿터는 광학 펄스를 펌프(pump) 펄스 및 프로브(probe) 펄스로 분리하도록 구성된다. 상기 트랜스시버는 송신기 스위치 및 수신기 스위치를 포함할 수 있다. 상기 펌프 펄스는 상기 송신기 스위치로 향하고 프로브 펄스는 상기 수신기 스위치로 향한다. 상기 펌프 펄스가 송신기 스위치에 부딪칠 때 전자기 방사선은 전자기 방사선은 상기 트랜스시버에서 방출된다. 상기 전자기 방사선은 펄스된 또는 연속적인 파형에서의 테라헤르쯔 방사선일 수 있다.
상기 광학 펄스는 단일 광 섬유(a single optical fiber)를 통해 빔 스플릿터로 제공될 수 있다. 상기 단일 광 섬유는 편광 유지 광 섬유(the polarizaion-maintaining fiber)일 수 있다. 광 펄스가 편광 유지 광 섬유 안에 있을 때 상기 펌프 펄스 및 프로브 펄스는 직각이 되고 편광될 수 있다.
송신기 스위치 및 수신기 스위치는 일반적으로 서로 분리될 수 있다. 상기 송신기 스위치와 수신기 스위치는 각각 분리되는 안테나를 구비할 수 있고 또는 단일의 안테나를 공유할 수 있다. 단일의 안테나가 이용된다면, 상기 송신기 스위치 및 수신기 스위치는 하이 패스 커패시터(high-pass capacitor)에 의하여 서로로부터 전기적으로 고립될 수 있다.
상기 시스템은 상기 송신기가 샘플로부터 송신되고 반사되는 방사선의 적어도 일부를 수신하는 반사 유형의 구성에서 사용될 수 있다. 그러나, 상기 시스템은 또한 2개의 트랜스시버가 사용되고 각각의 트랜스시버는 샘플의 맞은편에 위치하는, 송신하는 구성에서 사용될 수 있다. 제1 트랜스시버는 전자기 방사선을 샘플을 통과하여 제2 트랜스시버로 보낼 것이고, 반면에 제2 트랜스시버는 전자기 방사선을 샘플을 통과하여 제1 트랜스시버로 보낼 것이다.
본 발명의 추가적인 목적, 특징 및 장점은 본 명세서에 부가되어 본 명세서의 부분을 형성하는 도면 및 청구항을 참조하여, 다음의 설명을 검토하여 통상의 기술자에게 자명하게 될 것이다.
도 1은 테라헤르쯔 방사선을 송신하고 수신하는 종래의 시스템을 도시한다.
도 2는 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템을 도시한다.
도 3은 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 트랜스시버의 보다 더 상세한 도면을 도시한다.
도 4은 2개의 안테나를 구비하는 트랜스시버의 보다 더 상세한 도면을 도시한다.
도 5은 도 4의 트랜스시버의 2개의 안테나의 클로즈업된 도면을 도시한다.
도 6은 송신기 및 수신기 안테나의 절반 사이에 위치하는 보호 밴드 또는 쉴드에서의 변화를 구비하는 2개의 안테나를 구비한 트랜스시버의 보다 더 상세한 도면을 도시한다.
도 7은 단일의 안테나를 구비하는 트랜스시버의 클로즈업 도면을 도시한다.
도 8은 수직으로 위치하는 안테나를 구비한 트랜스시버를 도시한다.
도 9는 도 8의 수직으로 위치하는 안테나의 트랜스시버의 클로즈업 도면을 도시한다.
도 10a 및 10b는 상기 빔 스플릿터의 실례이다.
도 11 내지 13은 방사선을 송신하고 수신하는 시스템에 설치된 트랜스시버의 하나의 실시예에 대한 상세한 도면을 도시한다.
도 14는 도 13에 공개된 시스템의 측면도이다.
도 15은 트랜스시버에 제공되는 펌프 펄스 및 프로브 펄스의 보다 더 상세한 도면을 도시한다.
도 16은 송신 유형 구성에 사용되는 시스템으로, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템을 도시한다.
도 2 및 3을 참고하면, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템(10)을 보여준다. 주요 구성요소로서, 상기 시스템(110)은 광학 펄스(114)를 출력하도록 구성되는 레이저 소스(112)를 포함한다. 이러한 광학 펄스(114)는 펌프 및 프로브 광학 지연 시스템에 제공될 수 있고 빔 컴바이너(beam combiner)를 사용하여 결합될 수 있으며, 이의 출력은 펌프 및 프로브 펄스를 분리하는 빔 스플릿터(116)로 제공된다. 광학 펄스(114)는 광학 섬유(118)를 사용하여 빔 스플릿터에 제공될 수 있다. 일반적으로 광학 섬유(118)는 편광 유지 광 섬유일 수 있으나, 또한 단일 모드 광학 섬유일 수 있다. 광학 펄스는 독립적이고, 수직으로-편광된 펌프 및 프로브 레이저 펄스를 포함할 수 있다.
광학 섬유(118)가 사용되는 경우에, 분산 사전 보상기(117)는 광학 펄스(114)가 광학 섬유(118)를 통하여 전파하면서 초래되는 광학 펄스(114)의 분산을 보상하기 위하여 사용될 수 있다. 분산 사전 보상기의 예로서 미국 특허 6,320,191에 보여지고 기술되고 이는 본 문서에서 전체로서 결합된다.
그러나, 광학 펄스(114)는 광학 섬유(118)에 의하는 것뿐만 아니라, 다른 수단을 통하여 빔 스플릿터(116)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 광학 펄스(114)는 자유공간(free space) 또는 자유 공간과 광학 섬유의 조합을 통해 빔 스플릿터(116)에 제공될 수 있다. 섬유(118)가 사용되는 경우, 광학 펄스(114)는 수직적인 방식으로 배열되는 2개의 분리된 성분, 펌프 펄스 및 프로브 펄스를 구비한다. 이는 2개의 분리되는 광학 펄스들이 섬유(118)에 제공되는 것을 허용한다.
상기 빔 스플릿터(116)는 광학 펄스(114)를 펌프 펄스(120) 및 프로브 펄스(122)로 나눈다. 트랜스시버(124)는 펌프 펄스(120)와 프로브 펄스(122)를 수신한다. 후에 더욱 자세하게 기술되는 바와 같이, 상기 트랜스시버(124)는 송신기 스위치(126) 및 수신기 스위치(128)를 포함한다. 수직적으로-편광된 펌프 펄스(120) 및 프로브 펄스(122)가 섬유((118)를 나가서 디모듈레이트(demodulate)되거나 또는 2개의 펄스(120 및 122)를 송신기 스위치(126) 및 수신기 스위치(128) 각각으로 안내하도록 유도하는, 복굴절 윈도우일 수 있는 빔 스프릿터(116)에 의하여 공간적으로 분리될 때, 트랜스시버(124)는 활성화될 수 있다.
트랜스시버(124)는 적어도 하나 이상의 광학 섬유 케이블이 들어와서 레이저의 방출을 안테나의 광전도성 스위치 또는 간격(gaps)에 모으도록 하는 적절한 렌즈를 구비하는 안테나의 가까이에 단단하게 장착되는 것을 허용한다. 게다가, 이러한 실행에서 신호 처리를 증폭하고 수행하는 전자장치가 모듈 안에 장착된다.
상기 섬유(118)를 나가는 제1 레이저 펄스인, 상기 펌프 펄스(120)는 트랜스시버 안테나 시스템과 통합되고 하이퍼(hyper) 반구형 렌즈(129)에 의하여 테라헤르쯔 펄스(130)를 방출하는 송신기 스위치(126)로 안내된다. 상기 섬유를 나가는 제2 펄스인, 프로브 펄스(122)는 상기 트랜스시버 안테나 시스템과 통합되는 수신기 스위치(128)에 안내된다. 플레이트 또는 샘플(132)로부터의 반사 후에 하이퍼 반구형 렌즈(129)에 의하여 트랜스시버(124)로 회귀하는 송신된 테라헤르쯔 신호(130)의 일부(134)는 트랜스시버(124)에 의하여 수신되고 프로브 펄스(122)에 의하여 여기될 때(excited) 수신기 스위치(128)에 의하여 검출되거나 샘플링된다.
송신기 및 수신기 스위치(126 및 128)는 트랜스시버 안테나 시스템(124)과 통합되고 서로 전기적 및 광학적으로 고립될 뿐만 아니라 공간적으로 분리된다. 스위치(126 및 128) 사이의 바람직한 간격(spacing)은 상기 레이저의 파장 (~ 1㎛) 만큼 짧은 것에서부터 가장 짧은 측정 가능한 테라헤르쯔 파장(기판의 굴절률이 3.5라고 가정할 때, 기판에서 ~25㎛) 만큼 긴 것의 범위일 수 있다. 상기 간격에서의 이러한 범위는 송신된(130) 및 수신된(134) 테라헤르쯔 신호가 필수적으로 중첩되는 빔 통로를 따라 왜곡 없이 전파하는 것을 허용할 뿐만 아니라 양호한 펌프-프로브 분리가 크로스 토크(cross talk)를 방지하는 것을 허용한다. 상기 빔 스플릿터(116)는 2개의 초점을 상기 스위치 사이에서의 공간과 동일한 양에 의하여 분리하는 두께로 제조된다.
상기 수직으로 편광된 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)는 광섬유 편광 빔 컴바이너(115, a fiber optic polarizing beam combiner)를 사용하여 섬유(118)의 입력 단부(119)에서 사전에 결합될 수 있다. 섬유(118)의 출력 단부(121)로부터 나간 후에, 상기 펄스들은 수직적으로 편광된 펄스 행렬을 펌프 펄스(120) 및 프로브 펄스(122)의 2개의 평행 빔으로 나누도록 유발하는 빔 스플릿터(116)로 들어간다. 상기 펌프 펄스(120) 및 상기 프로브 펄스(122)는 초점이 맞추어질 때 2개의 공간적으로 분리되는 위치(spots)를 형성한다. 2개 대신 단일의 섬유 (118)를 사용하는 것은 스트레칭 또는 트위스팅, 진동, 온도 편차 등으로부터의 섬유 스트레스를 포함하는 환경적인 요인으로부터 발생할 수 있는, 펌프 및 프로브 펄스 (120 및 122) 사이에서의 시간 에러를 제거한다. 광학 펄스 (120 및 122)가 변환기(transducer)를 활성화하도록 공간적으로 분리되어 있을 수 있으나, 다른 파장 또는 비-수직(non-orthogonal) 편광 상태 등을 이용하여 상기 빔을 분리하는 것 또한 가능하다.
스위치(126 및 128)를 형성하는 광도전성 간격은 안테나의 중간점에서 통합될 수 있다. 광도전성 스위치(126 및 128)는 전형적으로 상기 스위치가 "개방(open)" 상태 또는 오프(off) 상태일 때는 높은 저항을 구비하고 상기 스위치가 레이저 펄스에 의하여 활성화될 때 발생하는 "닫힌(close)" 상태 또는 온(on) 상태일 때는 높은 전도성을 구비하도록 디자인되는 고속의 반도체 재료에 간격(gap)을 형성하는 한 세트의 전극을 포함한다. 상기 반도체 재료는 온 상태에서 스위치의 광조사(photo-initiated)의 지속시간을 서브피코세컨드(subpicosecond) 지속시간으로 제한하는 매우 짧은 캐리어 수명에 의하여 특징이 된다.
그러나, 시스템(110)은 광도전성 뿐만 아니라 전기-광학의 테라헤르쯔 생성 및 샘플 시스템에도 적용 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 상기 시스템(110)은 광도전성 테라헤르쯔 샘플링 게이트(gate)를 구비하는 전기-광학의 테라헤르쯔 생성기 또는 전기-광학 샘플링 게이트를 구비하는 광도전성 테라헤르쯔 생성기를 이용하거나, 또는 광도전성 테라헤르쯔 생성기 및 샘플링 게이트를 구비하거나 또는 전기-광학 테라헤르쯔 생성기 및 샘플링 게이트를 구비할 수 있다. 트랜스시버(124)가 종래의 안테나 (즉, 쌍극자 또는 나선형 등등)를 포함하는 것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 송신기가 전기-광학 크리스탈(crystal) 안에서 테라헤르쯔 펄스를 생성하는 체렌코프 기술(Cherenkov technique)에 기초하고 수신기는 샘플링되는 광학 펄스가 입력되는 테라헤르쯔 신호와 동시전파(co-propagate)하도록 함으로써, 상기 테라헤르쯔 신호를 탐색(probe)하도록 동일한 크리스탈을 사용하게 하는 것이 가능하다.
게다가, 광학 섬유(118)의 사용은 상기 펄스(114)를 레이저 소스(112)에서부터 트랜스시버(124)에 가이드하도록 광 섬유(118)의 신축성 있는 움빌리컬(umbilical)을 제공함으로써 이동의 자유를 허용한다. 가장 일반적으로 사용되는 광 펄스 행렬의 소스는 섬유 레이저(a fiber laser)이므로, 레이저 소스(112)로서그러한 레이저를 사용하는 것이 가능하다. 트랜스시버(124)는 노이즈를 감소시키기 위하여 가능한 한 광도전성 안테나에 가깝게 하여 증폭 전자장치를 포함할 수 있고, 움빌리컬은 전형적으로 파워를 제공하고 초래하는 전기 신호를 시스템의 나머지에 전도하는 전기 컨덕터들을 구비한다. 상기 안테나 조립체는 또한 다양한 렌즈 조립체(전형적으로 실리콘 하이퍼 반구형 또는 폴리머 렌즈)를 포함한다. 펄스의 정교한 타이밍(timing) 및 펄스 길이의 제어는 더 높은 분석 결과를 제공한다. 그러한 것으로, 분산 보상의 일부 형태는 2개의 광학 펄스가 그들의 수직-편광 광학 통로를 따라 이동할 때 상기 2개의 광학 펄스에서 분산을 처리하도록 종종 요구된다.
도4 및 5를 참조하면, 도 4는 트랜스시버(124)의 부분이 되는 트랜스시버 칩(125)의 하나의 예를 설명한다. 여기에서, 공간적으로 분리되고 전기적으로 고립된 송신기 스위치(126)와 수신기 스위치(128)는 2개의 나비 넥타이형 안테나 절반들의 중간점에서 보여진다. 도 5에서 가장 잘 보여지는 것처럼, 상기 송신기 안테나(126)는 상부에서 절반의 나비넥타이형 안테나이고 수신기 안테나(128)는 하부에서 절반의 나비넥타이형 안테나이다. 앞에서 기술한 것처럼, 펌프 펄스(120) 및 프로브 펄스(122)는 송신기 스위치(126) 및 수신기 스위치(128) 각각에 초점이 맞추어진다. 안테나 136 및 138 그리고 그렇게 해서 송신기 스위치(126) 및 수신기 스위치(128)의 분리는 대략 10 micrometers이다. 그들의 광도전성 간격은 대략 1 micrometer이다.
그들의 가까운 근접성을 고려할 때, 2개의 나비 넥타이 절반은 테라헤르쯔 주파수에서 단일의 안테나로서 수행한다. 광학과 테라헤르쯔 파장들 사이에서 1000-배 차이는 이렇게 송신기 스위치(126) 및 수신기 스위치(128)가 테라헤르쯔 수행을 현저히 악화시키지 않고 전기적으로 및 광학적으로 고립될 뿐만 아니라 물리적으로 분리되는 것을 가능하게 한다. 도 6을 참조하면, 회색으로 보여지는, 추가적인 고립이 송신기 및 수신기 안테나 절반들 사이에 위치하는 보호 밴드 또는 쉴드에 의하여 제공될 수 있다. 송신기 및 수신기 안테나 절반들 사이에서 위치하는 보호 밴드 또는 쉴드에 있어서의 변화는 본 상세한 설명에서 기술하는 다른 예에도 동일하게 적용될 수 있다. 이는 고 이득 증폭기가 송신기 스위치(126)에 의하여 포화되는 것(being saturated) 없이 수신기 스위치(128)에 포함되도록 할 수 있다. 송신기 스위치(126)는 초기 테라헤르쯔 펄스를 생성하기 위하여 스위치 간격을 가로질러 인가되는 상대적으로 큰 직류 바이어스(DC bias)를 구비한다. 상기 송신기 스위치(126)와 수신기 스위치(128)를 고립시킴으로써, 어떠한 직류 전압도 수신기 스위치를 가로질러 적용되지 않고 산탄 잡음(shot noise) 및 레이저 변동 소음을 제거하고 수신기 스위치(128)로부터 가장 크게 가능한 신호대비잡음비율을 생성한다. 상기 2개의 안테나(126 및 128)는 듀얼 송신기 또는 듀얼 수신기 또는 하나의 송신기 및 하나의 수신기의 조합으로서 구성될 수 있다.
도 7은 트랜스시버 칩(125)의 또 다른 예를 보여준다. 단일의 안테나 간격(gap)에서 통합되고, 공간적으로 분리되고 전기적으로 고립되는 송신기 스위치(126)와 수신기 스위치(128)를 구비한 단일의, 보통 크기의 나비 넥타이 안테나(140)가 묘사된다. 송신기 스위치(126)에 대한 바이어스는 유전체층을 가로질러 광도전성 간격(gap)에 인가된다. 바이어싱의 배열에 의존하여, 상기 스위치의 하나 또는 양쪽의 측면이 고립될 수 있다. 여기에서, 도 7에 양쪽 측면이 고립되어 있다. 도 4 및 도 5에서, 2개의 스위치(126 및 128)의 분리는 대략 10 micrometers 이고 그들의 광도전성 간격은 대략 1 micrometer이다.
송신기 바이어스 패드의 치수는 과류손(parasitic losses)을 감소시키기 위하여 작게 유지된다. 광도전체 간격에 적용되는 바이어스와 부딪치는 펌프 펄스(12))에 의하여, 상기 갭의 전도성은 수십 옴(ohms)으로 떨어지고 서브피코세컨드(subpicosecond) 전기 펄스가 전열층을 통과하여 안테나(140)에 결합된다. 그후 상기 안테나(140)는 테라헤르쯔 펄스를 송신하면서, 정상상태로서 방출한다. 수신기 스위치(128)는 위에서 기술한 것과 유사하게 수행한다. 송신기 스위치(126)와 통합된 결합 커패시터(coupling capacitor)가 충분하게 작다면, 수신기 스위치에 의하여 측정되는 신호는 실질적으로 왜곡이 없을 것이다. 송신기 스위치(126)와 수신기 스위치(128)는 하이 패스 커패시터 (142 및 144)에 의하여 서로로부터 전기적으로 고립될 수 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 트랜스시버 칩(125)의 또 다른 예가 보여진다. 송신기 스위치(126)에 대한 안테나(146)는 수신기 안테나(128)에 대한 안테나(148)에 수직이다. 절연층(150)이 안테나(146 및 148) 사이에 놓여진다. 기본적으로, 안테나(146 및 148)는 서로에 대하여 90도이다. 그것은 펌프 펄스(120)가 수신기 안테나(148)에 수직인 편광된 테라헤르쯔 펄스를 생성할 것이란 것을 의미한다. 테라헤르쯔 빔이 그의 수직적인 편광된 상태에서 변경되지 않으면, 어떠한 것도 수신기 안테나(148)에 수신될 수 없을 것이다.
테라헤르쯔 펄스가 복굴절 매체를 통과하면, 그러한 것들이 플라스틱, 목재 생산품 또는 다른 임의의 테라헤르쯔 통과 매개물에서의 스트레스(stress) 또는 피로(fatigue)에 의하여 초래될 것이란 것이 가능하다. 그러한 예는 부품 또는 재료에서의 결함을 결정하기 위하여 복굴절에서의 변화가 검출되고 이미지화되는 것을 가능하게 할 것이다. 안테나(146 및 148)가 공통의 중심점을 공유하고 스위치(126 및 128)가 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)와 적절하게 인접하여 가까이 있으면서 적절히 정렬이 이루어지는 한, 이러한 수직적인 구성은 왜곡이 없이 기능할 수 있다. 더욱이, 안테나들(146 및 148) 사이의 각도 (및 이에 의한 편광)의 관계는 정렬되고 수직적인 편광 상태로 제한되는 것은 아니다. 안테나들(146 및 148) 사이의 임의의 각도 관계가 가능할 것이다. 또한, 2개의 안테나(146 및 148)는 2개의 송신기 또는 2개의 수신기 또는 하나의 송신기 및 하나의 수신기의 조합으로서 구성될 수 있다.
도 10A 및 10B를 참조하면, 빔 스플릿터(116)의 보다 상세한 도면이 제공된다. 도 10A는 편광된 펌프 및 프로브 펄스 (120 및 122)와 빔 스플릿터(116) 사이의 관계에 대한 개념도이다. 빔 스플릿터(116)는 복굴적 크리스탈일 수 있다. 빔스플릿터(116)에 대하여 선호되는 크리스탈(crystal)은 이트륨 오르토바나듐산염(YVO4) 이나, 방해석(calcite)과 같은 다른 재료도 또한 사용될 수 있다.
광학 섬유(118)가 편광 유지 광 섬유(the polarizaion-maintaining optical fiber)인 경우, 상기 광 섬유(118)는 선형으로 편광된 광학 펄스가 선형 편광 상태를 유지하면서 전파하는 것을 허용한다. 편광 유지 광 섬유는 수직의 편광 상태를 지원하기 위하여 서로에 대하여 수직으로 방향지어지는 고속 및 저속의 축들을 구비한다. 상기 섬유(118)의 입력 단부에 편광 빔 컴바이너를 사용함으로써, 2개의 분리된 편광 유지 광 섬유를 제3 편광 유지 광 섬유로 결합하는 것이 가능하다. 2개의 분리된 섬유를 전파하는 편광된 펄스는 그 후 단일의 섬유(118)로 결합되어 각각에 대하여 독립적이며 수직으로 편광되어 전파할 수 있다. 이러한 단일의 섬유(118)는 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122) 모두의 전달을 지원할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 안테나(136 및 138)가 빽빽하게 채워지고 2개의 분리된 섬유 또는 듀얼 코어(dual cores)를 구비하는 단일의 섬유를 사용하여 활성화될 수 있는 한, 펌프 펄스(120) 및 프로브 펄스(122)는 수직이 아닐 수도 있다.
상기 섬유(118)의 출력 단부(121)에서, 빔 스플릿터(116)는 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)에 상응하는 2개의 편광 상태를 분리하기 위해 사용된다. 상기 빔 스플릿터(116)은 정상축(ordinary axis)을 따라 편광된 펄스로부터 빔 스플릿터(116)의 이상 축(extraordinary axis)을 따라 편광된 펄스를 측면방향으로 옮겨놓음으로써, 2개의 수직으로 편광된 레이저 펄스 (120 및 122)를 분리한다. 빔 스플릿터에 사용되는 크리스탈(crystal)의 두께는 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)의 초점의 변위(displcaement)를 결정하는 하나의 요인이다. 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)의 초점은 송신기 및 수신기 스위치(126 및 128)의 간격과 맞추어지도록 설정된다.
상기 빔 스플릿터(116)는 섬유(118)의 출력 단부(121)와 송신기 및 수신기 스위치(126 및 128) 사이에 위치한다. 또한, 상기 2개의 빔을 대략 상기 간격의 치수의 크기의 위치들로 초점을 모으는 포커싱 옵틱(focusing optic, 152)이 이러한 지역에 포함될 수 있다. 따라서, 광이 파이버(118)를 빠져나갈 때, 2개의 빔(120 및 122)을 초점이 맞추어지게 하고 분리하도록 함께 작동하는 포커싱 옵틱(152)과 빔 스플릿(116)의 영향을 받는다. 상기 포커싱 옵틱(152)과 빔 스플릿터(116)의 순서는 중요하지 않다. 하나의 예에서, 상기 빔 스플릿터(116)는 포커싱 옵틱(152)과 송신기 및 수신기 스위치(126 및 128) 사이에 위치한다. 포커싱 옵틱(152)은 도 10B에 보여지는 것과 같은 그린 렌즈(grin lens)일 수 있거나 또는 도 10A에 보여지는 것과 같은 광학 섬유(118)와 통합될 수 있다.
2개의 펄스(120 및 122)를 분리하는 선택적인 방법은 파장(wavelength)과 같이, 편광이 아닌 것도 가능하다. 추가적으로, 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)가 시간에서 분리되기 때문에, 그들이 일시적으로 고립되는 것처럼, 필연적으로 2개의 펄스를 물리적으로 고립시킬 필요는 없다. 펌프 펄스(120)가 위에서 기술한 것처럼 안테나에서 프로브 펄스(122)와 물리적으로 분리되지 않으면, 2개의 펄스 스트림(pulse streams) 모두가 2개의 안테나 모두에 영향(impact)을 줄 것이다. 이는 테라헤르쯔 펄스가 송신기 스위치(126)로부터 발사(launch)되었을 때 수신기 스위치(128)가 "활성화(active)" 인 것을 의미하고, 분리된 안테나로부터의 테라헤르쯔 펄스의 이동시간은 노이즈로 검출될 수 있는 테라헤르쯔 에너지가 수신기 스위치(128)에 거의 도달하지 않는 것을 의미한다. 단순히 진술하여, 상기 안테나에서 상기 2개의 광학 펄스(120 및 122)의 분리는 하나의 알려진 실행을 기술한다.
도 11 내지 15는 트랜스시버(124)를 설명한다. 도 11에 가장 잘 보여지는 것처럼, 트랜스시버 칩(125)이 실리콘 하이퍼 반구형 렌즈(silicon hyper hemispherical lens, 129)의 평평한 면에 장착된 것을 보여준다. 도 12는 트랜스시버 칩(125)을 트랜스시버 회로에 전기적으로 연결하는데 사용되는 알루미나 전이 캐리어(alumina transition carrier, 154)를 설명한다. 또한 빔 스플릿터(116)가 보여진다. 빔 스플릿터(116)를 회전시키는 능력(ability)은 송신기 및 수신기 스위치(126 및 128) 위로 펌프 및 프로브 펄스(120 및 122)의 2개의 레이저 위치를 정확하게 배열하는 것을 가능하게 한다. 선택적으로, 빔 스플릿터(116)는 또한 분리되는 구성요소일 필요는 없으며 트랜스시버 칩(125)의 기판에 통합될 수 있다.
도 13은 코바르(Kovar) 모듈 전방 벽(158)에 장착되는 것으로서 하이퍼 반구형 렌즈(129) 위의 트랜스시버 조립체(124)를 설명한다. 도 13의 측면도인 도 14는 바람직하게는 그린 렌즈인 포커싱 렌즈(152), 빔 스플릿터(116) 및 트랜스시버 칩(125) 사이의 관계를 보여준다. 도 15에서 보여지는 확장도면은 2개의 수직으로 편광된 빔(120 및 122)이 트랜스시버 칩(125)에 도달하면서 어떻게 그린 렌즈(152)에 의하여 초점이 맞추어지는지 및 빔 스플릿터(116)에 의하여 측방향으로 분리되는지를 보여준다. 펌프 펄스(120)는 우선 송신기 스위치(126)에 부딪치며 도달하고, 프로브 펄스(122)는 수신기 스위치(128)에 부딪치며 다음으로 도달한다. 방출되는 테라헤르쯔 방사선을 콜리메이트(collimate)하거나 거의 콜리메이트하여 효율을 증가시키기에 실용적으로 스위치(126 및 128) 및 광도전성 변환기가 침투된 하이퍼 반구형 실리콘 렌즈(129)의 초점에 가깝게 놓여지도록 최종적인 조립체가 장착된다.
이러한 것은 테라헤르쯔 파장보다 더 짧은 파장의 광학 방사선을 사용하여 수행된다. 이는 광학 방사선이 복수의 고립된 빔(120 및 122)으로 공간적으로 분리되는 것을 허용하고, 그 후 상기 복수의 고립된 빔들은 테라헤르쯔 생성 및 수신 스위치(126 및 128)를 활성화시키는 방사선의 광학 파장들 (또는 파장)보다 치수에서 실질적으로 더 긴 파장 또는 파장들의 분포를 각각 구비하는 복수의 테라헤르쯔 신호들을 생성 및/또는 측정하는데 사용되며, 이로써 복수의 테라헤르쯔 신호가 공통의 빔 경로를 공유하는 것을 가능하게 한다.
도 16을 참조하면, 1개의 측정 구성에서 2개 이상의 트랜스시버를 사용하는 것이 또한 가능하다. 트랜스시버(160)는 기본적으로 트랜스시버(124)와 동일한 시스템이므로 트랜스시버(124)에 대한 설명이 적용 가능하므로 자세하게는 설명하지 않을 것이다. 이러한 예에서, 트랜스시버(160)는 트랜스시버(124)와 동일한 레이저 소스(112)를 수신하고 공유한다. 빔 스플릿터(116)와 유사한 빔 스플릿터(162)가 섬유(164)로부터 광학 펄스(118)를 수신하고 상기 광학 펄스를 펌프 펄스(166) 및 프로브 펄스(168)로 분리한다. 트랜스시버(124)를 구비하는 것과 같이, 펌프 펄스(166)는 송신기 스위치(170)로 제공되고, 프로브 펄스(168)는 수신기 스위치(172)로 제공된다.
예로서, 트랜스시버(124)는 수신기 스위치(128)에 의하여 수신되는 부분(176) 및/또는 테스트중인 샘플(180)을 통과하여 샘플(180)의 반대편에 있는 제2트랜스시버(160)에 위치하는 수신기 스위치(172)로 송신될 수 있는 부분(178)을 구비하는 테라헤르쯔 펄스(174)를 발산(radiate)할 수 있다. 이러한 제2측정은 송신 모드에서 이루어진다. 이러한 구성으로, 반사 및 송신 테라헤르쯔 데이타 모두가 샘플(180)로부터 동시에 획득될 수 있다. 측정의 역방향 세트 또한 가능하며 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 이러한 구성에서 제2 트랜스시버(160)는 테라헤르쯔 펄스(182)를 발산할 수 있다. 이러한 펄스(182)는 제2트랜스시버(160)에 의한 반사 모드에서 뿐만 아니라 제1트랜스시버(124)에 의한 송신 모드에서 측정될 수 있다. 전체적으로, 4개의 측정, 송신에서 2개 및 반사에서 2개가 샘플(166)에서의 동일한 지점으로부터 동시에 이루어질 수 있다.
그러한 것과 같이, 송신기 및 수신기 스위치를 활성화하는 데 사용되는 모든 광학 펄스가 동일한 레이저 소스로부터 기원하고 그런 이유로 정확하게 동기화되기 때문에, 하나의 시스템에서 또 다른 시스템으로 테라헤르쯔 신호를 생성하고 수신하는 임의의 조합이 가능하다. 샘플의 양쪽 면에 장착되는 2개의 트랜스시버를 구비하기 위해 박막 구성을 사용하는 것이 본 발명에서 또한 가능하다. 이러한 구성으로, 다른 테라헤르쯔 편광이 샘플을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
최종적인 시스템은 2개의 분리된 안테나 시스템을 사용하는 전형적인 시스템 보다 여러 개의 장점을 부여한다. 첫 번째로, 필요한 재료가 보다 적어 비용을 감소시키고 시스템의 실행을 단순화한다. 단지 하나의 모듈, 하이퍼 반구형, 렌즈 시스템, 광학 섬유, 전기 움빌리컬(umbilical) 등은 결합 장치를 위하여 요구된다. 또 다른 장점은 상기 시스템이 반사 측정을 위하여 사용된다면, 2개의 분리된 안테나 모듈을 포함하는 시스템은 송신 안테나와 수신 안테나가 동일한 물리적 위치에 있을 수 없다는 사실을 극복하기 위하여 전형적으로 테라헤르쯔 빔에서 박막(pelicle)의 사용을 요구한다.
박막의 존재는 테라헤르쯔 에너지의 손실을 초래하고 시스템에 복잡성을 추가한다. 그러한 시스템에서 상기 2개의 분리된 모듈은 시스템을 통과하는 테라헤르쯔 신호를 최대화하기 위하여 정렬을 요구한다. 본 발명에서 제시되는 시스템은 송신기 및 수신기가 동일한 테라헤르쯔 전자기 통로에 있어서 박막을 제거하며, 손실 및 정렬 요구를 감소시킨다. 미국 특허 8,436,310에서 검토되는 장점들이 참조로서 전체로 본 문서에 결합된다.
통상의 기술자는 위에서 기술한 설명이 본 발명의 원리들의 실행을 설명하는 것으로 의미한다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 의도를 벗어나지 않고 다음의 청구항에서 기술하는 것처럼, 수정, 변경 및 변화의 여지가 있다는 점에서 이러한 설명이 본 발명의 범위 또는 적용을 제한하려고 의도한 것은 아니다.
112: 레이저 소스 114: 광학 펄스
116: 빔 스플릿터 118: 광학 섬유
120: 펌프 펄스 122: 프로브 펄스
124: 트랜스시버 126: 송신기 스취치
128: 수신기 스위치 129: 하이퍼 반구형 렌즈

Claims (20)

  1. 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템에 있어서,
    광학 펄스를 펌프 펄스 및 프로브 펄스로 분리하도록 구성되는 빔 스플릿터로서, 상기 펌프 펄스는 펌프 펄스 초점을 갖고 상기 프로브 펄스는 프로브 펄스 초점을 갖는, 상기 빔 스플릿터;
    송신기 스위치 및 수신기 스위치를 구비하는 트랜스시버로서, 상기 펌프 펄스는 상기 송신기 스위치로 향하도록 하고 상기 프로브 펄스는 상기 수신기 스위치로 향하도록 하고; 상기 트랜스시버는, 상기 펌프 펄스가 상기 송신기 스위치에 부딪칠 때, 전자기 방사선을 방출하도록 구성되고 그리고 상기 프로브 펄스가 상기 수신기 스위치에 부딪칠 때, 상기 전자기 방사선을 검출하도록 구성되는, 상기 트랜스시버; 및
    상기 트랜스시버에 의해 방출되는 전자기 방사선을 샘플로 향하도록 하는 것 및 상기 샘플로부터의 전자기 방사선을 상기 트랜스시버로 향하도록 하는 것 둘 다를 하도록 구성되는 반구형 렌즈를 포함하고,
    상기 빔 스플릿터는 상기 송신기 스위치와 상기 수신기 스위치 사이의 공간과 동일한 양 만큼 상기 펌프 펄스 초점과 상기 프로브 펄스 초점을 분리하도록 구성되는 것인,
    전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    단일의 광학 섬유를 추가로 포함하고,
    상기 광학 펄스는 상기 단일의 광학 섬유에 통하여 상기 빔 스플릿터로 제공되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단일의 광학 섬유는 편광 유지 섬유인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 펌프 펄스 및 상기 프로브 펄스는 상기 편광 유지 섬유 안에 있을 때 수직으로 편광되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광학 펄스가 상기 단일의 광학 섬유를 통과하여 전파함에 따라 유발되는 상기 광학 펄스의 분산을 보상하기 위하여 상기 단일의 광학 섬유와 광통신하는 분산 보상기를 추가로 포함하는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 방사선은 테라헤르쯔 방사선인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 테라헤르쯔 방사선은 연속파 테라헤르쯔 방사선이거나 또는 펄스된 테라헤르쯔 방사선인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 스위치 및 수신기 스위치는 서로로부터 분리되어 있는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신기 스위치 및 수신기 스위치는 1 마이크로미터 내지 1 밀리미터의 거리만큼 서로로부터 분리되어 있는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 스위치 및 수신기 스위치 각각은 안테나를 구비하는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 송신기 스위치를 위한 상기 안테나는 상기 수신기 스위치를 위한 상기 안테나에 수직인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 송신기 스위치 및 수신기 스위치는 단일의 안테나를 이용하는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상시 송신기 스위치 및 수신기 스위치는 하이-패스 커패시터(high-pass capacitor)에 의하여 서로로부터 전기적으로 절연되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플릿터는 복굴절 윈도우(birefringent window)인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복굴절 윈도우는 이트륨 오르토바나듐산염(YVO4) 또는 방해석(calcite)으로부터 제조되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    단일의 광학 섬유로부터의 상기 광학 펄스의 초점을 맞추기 위하여 상기 단일의 광학 섬유와 상기 빔 스플릿터 사이에 위치하는 포커싱 옵틱(focusing optic)을 추가로 포함하는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 포커싱 옵틱은 그린 렌즈(grin lens)인, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스시버는 상기 반구형 렌즈의 평평한 면에 장착되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 수신기 스위치는 상기 송신기 스위치에 의하여 방출되고 샘플로부터 반사되는 전자기 방사선의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
  20. 전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템에 있어서,
    광학 펄스를 펌프 펄스 및 프로브 펄스로 분리하도록 구성되는 빔 스플릿터;
    송신기 스위치 및 수신기 스위치를 구비하는 트랜스시버; 및
    상기 송신기 스위치에 의하여 방출되고 샘플을 통과하는 전자기 방사선의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는 제2 트랜스시버를 포함하고,
    상기 펌프 펄스는 상기 송신기 스위치로 향하도록 하고 상기 프로브 펄스는 상기 수신기 스위치로 향하도록 하며,
    상기 펌프 펄스가 상기 송신기 스위치에 부딪칠 때, 상기 트랜스시버는 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는,
    전자기 방사선을 송신하고 수신하는 시스템.
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