KR102501151B1 - 이중 모드 레이저를 이용하는 테라헤르츠파 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠파 생성 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 장치는 제 1 비팅 신호를 생성하는 제 1 단일 모드 레이저, 상기 제 1 비팅 신호를 변조하는 이득 조절 영역 및 제 2 비팅 신호를 생성하는 제 2 단일 모드 레이저를 포함하는 이중 모드 레이저 및 변조된 상기 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 공급되는 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호를 생성하는 포토 믹서를 포함하되, 상기 이득 조절 영역은 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저 사이에 형성되고, 상기 제 1 비팅 신호는 상기 제 1 단일 모드 레이저에서 상기 이득 조절 영역으로 출력되어 상기 이득 조절 영역에 공급되는 역방향 전압에 기반하여 변조된다.

Description

이중 모드 레이저를 이용하는 테라헤르츠파 생성 장치{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING TERAHERTZ WAVE USING DUAL MODE LASER}
본 발명은 테라헤르츠(terahertz) 무선 통신에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 이중 모드 레이저를 이용하는 테라헤르츠파 생성 장치에 관한 것이다.
모바일 기기의 이용 확대 및 멀티미디어 서비스의 증가로 인해 혁신적인 차세대 통신을 위한 광대역 근거리 무선 통신의 필요성이 대두되고 있다. 통신량이 증가함에 따라, 무선 통신의 속도 또한 증가될 것이 요구된다. 무선 통신의 속도 증가를 위하여 기본적으로 캐리어 주파수를 높여야 한다. 최근 상용화된 5G 무선 통신은 4G 무선 통신보다 전송 속도를 향상시키기 위하여 캐리어(carrier) 주파수를 상향하였고, 5G 무선 통신을 위하여 3.5GHz 및 28GHz의 캐리어 주파수 대역이 할당되었다.
차세대 무선 통신인 6G 무선 통신은 보다 높은 전송 속도를 요구한다. 6G 무선 통신이 도입되면, 무선 통신의 속도는 유선 통신의 속도와 비등하게 될 것이다. 유선 통신의 전송 속도와 비슷한 무선 통신의 속도를 구현하기 위하여, 무선 통신망은 100GHz 이상의 캐리어 주파수를 사용하여야 한다. 따라서, 6G 무선 통신 네트워크의 구축을 위하여 테라헤르츠(terahertz) 대역의 무선망이 이용될 수 있다.
테라헤르츠파는 0.1~10THz(1THz=1012Hz)의 진동수를 가지는 전자기파를 의미한다. 테라헤르츠파는 밀리미터파(millimeter wave)보다 파장이 짧기 때문에 높은 직진성을 가지며 빔 집속이 가능하고, 가시광선 및 적외선보다 비금속 또는 비분극성 물질에 대한 높은 투과성을 가진다. 또한, 테라헤르츠파의 광자 에너지는 수 meV에 불과하므로 테라헤르츠파의 이용은 인체에 무해하고, 활용 범위가 광범위하다는 장점이 있다. 상술한 장점에 기반한 테라헤르츠파의 상용화를 위하여, 보다 효율성 높은 테라헤르츠파를 생성하기 위한 장치에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 이중 모드 레이저를 이용한 테라헤르츠파 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 장치는 제 1 비팅 신호를 생성하는 제 1 단일 모드 레이저, 상기 제 1 비팅 신호를 변조하는 이득 조절 영역 및 제 2 비팅 신호를 생성하는 제 2 단일 모드 레이저를 포함하는 이중 모드 레이저 및 변조된 상기 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 공급되는 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호를 생성하는 포토 믹서를 포함하되, 상기 이득 조절 영역은 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저 사이에 형성되고, 상기 제 1 비팅 신호는 상기 제 1 단일 모드 레이저에서 상기 이득 조절 영역으로 출력되어 상기 이득 조절 영역에 공급되는 역방향 전압에 기반하여 변조된다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저는 제 1 회절 격자, 제 1 이득층 및 제 1 극판을 포함하고, 상기 이득 조절 영역은 흡수층 및 제 2 극판을 포함하고, 상기 제 2 단일 모드 레이저는 제 2 회절 격자, 제 2 이득층 및 제 3 극판을 포함한다.
예로서, 상기 제 1 회절 격자의 회절 주기 및 상기 제 2 회절 격자의 회절 주기는 서로 상이하다.
예로서, 상기 제 1 이득층, 상기 흡수층 및 상기 제 2 이득층은 동일한 물질로 구성된다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저, 상기 이득 조절 영역 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 동일한 기판 상에 형성된다.
예로서, 상기 기판은 갈륨 비소(Gallium Arsenide, GaAs) 기판, 인화 인듐(Indium Phosphide, InP) 기판 또는 질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기판 중 어느 하나이다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저 또는 상기 제 2 단일 모드 레이저 중 적어도 하나는 파장 가변 단일 모드 레이저이다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 분포 궤환형 레이저 다이오드(Distributed Feedback Laser Diode, DFB LD), 브래그 반사경 레이저 다이오드(Distributed Bragg Reflector Laser Diode, DBR LD) 또는 SGDBR 레이저 다이오드(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Laser Diode, SGDBR LD) 중 어느 하나이다.
예로서, 상기 포토 믹서는 커플러 및 광-전기 변환기를 포함한다.
예로서, 상기 포토 믹서는 일방향 주행 캐리어 광 다이오드(Unitravelling Carrier Photodiode, UTC-PD), 감쇠장 광 다이오드(Evanescent Photodiode, EC-PD) 또는 저온 성장 포토 믹서(Low Temperature Grown Photomixer, LTG Photomixer) 중 어느 하나이다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 장치는 제 1 비팅 신호를 생성하는 제 1 단일 모드 레이저, 상기 제 1 비팅 신호를 변조하는 이득 조절 영역 및 제 2 비팅 신호를 생성하는 제 2 단일 모드 레이저를 포함하는 이중 모드 레이저, 변조된 상기 제 1 비팅 신호 및 상기 제 2 비팅 신호를 증폭하는 반도체 광 증폭기 및 상기 반도체 광 증폭기에서 증폭된 상기 변조된 제 1 비팅 신호 및 상기 제 2 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 공급되는 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호를 생성하는 포토 믹서를 포함하되, 상기 이득 조절 영역은 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저 사이에 형성되고, 상기 제 1 비팅 신호는 상기 제 1 단일 모드 레이저에서 상기 이득 조절 영역으로 출력되어 상기 이득 조절 영역에 공급되는 역방향 전압에 기반하여 변조되는 된다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저는 제 1 회절 격자, 제 1 이득층 및 제 1 극판을 포함하고, 상기 이득 조절 영역은 흡수층 및 제 2 극판을 포함하고, 상기 제 2 단일 모드 레이저는 제 2 회절 격자, 제 2 이득층 및 제 3 극판을 포함한다.
예로서, 상기 제 1 회절 격자의 회절 주기 및 상기 제 2 회절 격자의 회절 주기는 서로 상이하다.
예로서, 상기 제 1 이득층, 상기 흡수층 및 상기 제 2 이득층은 동일한 물질로 구성된다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저, 상기 이득 조절 영역 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 동일한 기판 상에 형성된다.
예로서, 상기 제 1 단일 모드 레이저 또는 상기 제 2 단일 모드 레이저 중 적어도 하나는 파장 가변 단일 모드 레이저이다.
본 발명에 따른 테라헤르츠파 생성 장치에 의하면, 이중 모드 레이저에 포함된 이득 조절 영역에 직접 전기 신호를 인가하여 변조된 테라헤르츠파를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 테라헤르츠파 생성 장치에 의하면, 주파수 처핑(chirping) 현상을 완화시켜 무선 통신에서의 통화 품질의 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 무선 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단의 또 다른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 포토 믹서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 수신단의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7a는 단일 모드 레이저에 전기 신호가 인가되는 경우, 광 신호가 생성되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 7b는 도 7a에서 발생하는 주파수 처핑 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 주파수 처핑 현상이 광 신호에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저에서 생성되는 광 신호의 주파수 처핑 현상 완화 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저의 이득 조절 영역의 인가 전압에 따른 광 출력을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 잇는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서, 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 무선 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 무선 통신 시스템(1000)은 테라헤르츠파 송신단(100) 및 테라헤르츠파 수신단(200)을 포함할 수 있다.
테라헤르츠파 송신단(100)은 테라헤르츠(terahertz) 무선 통신을 위한 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 송신하고자 하는 정보를 포함하는 기저 대역 신호(baseband signal)를 포함할 수 있다. 테라헤르츠파 송신단(100)은 비팅(beating) 광원을 포함할 수 있다. 비팅 광원은 각각 비팅 신호(beating signal)를 생성하는 제 1 광원 및 제 2 광원을 포함할 수 있다. 제 1 광원 및 제 2 광원은 각각 단일 모드 레이저일 수 있다. 비팅 광원에 포함된 제 1 광원 및 제 2 광원은 상이한 발진 주파수를 가질 수 있다. 제 1 광원 및 제 2 광원의 발진 주파수의 차이를 비팅 주파수라고 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단(100)은 제 1 광원 및 제 2 광원에서 생성된 상이한 주파수를 가지는 두 개의 비팅 신호를 혼합할 수 있다. 테라헤르츠파 송신단(100)은 두 개의 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들에 기초하여 테라헤르츠 대역의 연속파인 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 송신단(100)에서 생성된 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 자유 공간으로 방사될 수 있다.
테라헤르츠파 수신단(200)은 방사된 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 수신할 수 있다. 테라헤르츠파 수신단(200)은 수신한 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 검출하고 증폭할 수 있다. 테라헤르츠파 수신단(200)은 수신한 테라헤르츠파 신호(S_THz)에 포함된 기저 대역 신호를 복원할 수 있다.
테라헤르츠파를 생성하기 위하여 직접 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 양자 폭포 레이저(Quantum Cascade Laser, QCL)가 이용될 수 있으나, 본 발명은 양자 폭포 레이저의 상온 동작의 문제 및 제한된 광대역 특성과 같은 문제점을 극복하기 위하여 비팅 광원을 이용한다. 또한, 본 발명은 비팅 광원으로부터 발생하는 비팅 신호를 직접 변조하는 경우 발생할 수 있는 주파수 처핑(chirping) 현상을 완화시키기 위하여, 이득 조절 영역에 직접 전기 신호를 인가하는 이중 모드 레이저를 이용한다. 이중 모드 레이저의 구성 및 주파수 처핑 현상 완화의 효과는 도 4 및 도 9에서 상세히 후술될 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단(100a)은 테라헤르츠파 생성 장치(110a) 및 송신 안테나(150)를 포함할 수 있다. 테라헤르츠파 생성 장치(110a)는 이중 모드 레이저(Dual Mode Laser, DML)(120) 및 포토 믹서(photomixer, 140)를 포함할 수 있다. 이중 모드 레이저(120)는 비팅 광원의 일종이다.
테라헤르츠파 생성 장치(110a)는 테라헤르츠파 신호(S_THz, 도 1 참조)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 생성 장치(110a)에 포함된 이중 모드 레이저(120)는 제 1 광원 및 제 2 광원을 포함할 수 있다. 제 1 광원 및 제 2 광원은 단일 모드 레이저일 수 있다. 제 1 광원은 제 1 비팅 신호를 생성할 수 있다. 제 2 광원은 제 2 비팅 신호를 생성할 수 있다. 이중 모드 레이저(120)에서 생성되는 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호는 포토 믹서(140)로 입사될 수 있다. 테라헤르츠파 생성 장치(110a)에서 생성되는 테라헤르츠파 신호(S_THz)의 물리적 특성은 이중 모드 레이저(120)에 포함된 제 1 광원 및 제 2 광원의 레이저 선폭, 노이즈 특성, 튜닝 범위 및 위상 안정도 등에 의하여 결정될 수 있다.
포토 믹서(140)는 이중 모드 레이저(120)로부터 생성된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합할 수 있다. 포토 믹서(140)는 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 포토 믹서(140)에 공급되는 전류를 변조할 수 있다. 변조된 전류에 기초하여 포토 믹서는 테라헤츠르파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 포토 믹서(140)에 직렬로 연결된 송신 안테나(150)로 출력될 수 있다. 송신 안테나(150)는 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 자유공간으로 방사할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 송신단의 또 다른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 테라헤르츠파의 송신단(100b)은 테라헤르츠파 생성 장치(110b) 및 송신 안테나(150)를 포함할 수 있다. 테라헤르츠파 생성 장치(110b)는 이중 모드 레이저(120), 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)(130) 및 포토 믹서(140)를 포함할 수 있다.
테라헤르츠파 생성 장치(110b)는 테라헤르츠파 신호(S_THz, 도 1 참조)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 생성 장치(110b)에 포함된 이중 모드 레이저(120)는 제 1 광원 및 제 2 광원을 포함할 수 있다. 제 1 광원 및 제 2 광원은 단일 모드 레이저일 수 있다. 제 1 광원은 제 1 비팅 신호를 생성할 수 있다. 제 2 광원은 제 2 비팅 신호를 생성할 수 있다. 제 1 광원 및 제 2 광원이 반도체 기반의 레이저 광인 경우, 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호의 광 세기가 약할 수 있다. 따라서, 광 세기를 증폭하기 위하여 이중 모드 레이저(120)에서 생성되는 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호는 반도체 광 증폭기(130)로 입사될 수 있다.
반도체 광 증폭기(130)는 이중 모드 레이저(120)로부터 입사된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 입력 받아 증폭할 수 있다. 증폭된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호는 포토 믹서(140)로 입사될 수 있다. 포토 믹서(140)는 반도체 광 증폭기(130)로부터 입사된 증폭 신호들을 혼합할 수 있다. 포토 믹서(140)는 혼합된 증폭 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 포토 믹서(140)에 공급되는 전류를 변조할 수 있다. 변조된 전류에 기초하여 포토 믹서는 테라헤츠르파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 포토 믹서(140)에 직렬로 연결된 송신 안테나(150)로 출력될 수 있다. 송신 안테나(150)는 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 자유 공간으로 방사할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 이중 모드 레이저(120)는 제 1 단일 모드 레이저(122a), 이득 조절 영역(123) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)를 포함할 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)와 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 기판(121) 상에 이격하여 적층될 수 있다. 이득 조절 영역(123)은 제 1 단일 모드 레이저(122a) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b) 사이에 형성될 수 있다. 기판(121)은 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예로서, 갈륨 비소(Gallium Arsenide, GaAs) 기판, 인화 인듐(Indium Phosphide, InP) 기판 또는 질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기판일 수 있다. 이중 모드 레이저(120)의 측면은 무반사(Anti-Reflection, AR) 코팅될 수 있다.
제 1 단일 모드 레이저(122a), 이득 조절 영역(123) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 활성층(124)을 공유할 수 있다. 활성층(124)은 InGaAsP, InAlGaAs 또는 InAlAs를 포함할 수 있다. 활성층(124)은 다중 양자 우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)는 제 1 회절 격자(125a)를 포함할 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a) 상부에는 제 1 극판(126a)이 부착될 수 있다. 이득 조절 영역(123)의 상부에는 제 2 극판(126c)이 부착될 수 있다. 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 제 2 회절 격자(125b)를 포함할 수 있다. 제 2 단일 모드 레이저(122b) 상부에는 제 3 극판(126c)이 부착될 수 있다. 제 1 회절 격자(125a)와 제 2 회절 격자(125b)의 회절 주기는 상이할 수 있다.
제 1 단일 모드 레이저(122a) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 분포 궤환형 레이저 다이오드(Distributed Feedback Laser Diode, DFB LD), 브래그 반사경 레이저 다이오드(Distributed Bragg Reflector Laser Diode, DBR LD), SGDBR 레이저 다이오드(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Laser Diode, SGDBR LD) 또는 파장 가변 단일 모드 레이저 다이오드일 수 있다. 파장 가변 단일 모드 레이저는 ECDL(External Cavity Diode Laser)에서 전광(Electro-Optic, EO) 또는 열광(Thermal-Optic, TO) 효과를 이용한 파장 가변 단일 모드 레이저일 수 있다.
제 1 단일 모드 레이저(122a)는 제 1 극판(126a)을 통하여 전압(V_DFB LD1)을 인가 받을 수 있다. 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 제 3 극판(126c)을 통하여 전압(V_DFB LD2)을 인가 받을 수 있다. 제 1 극판(126a) 및 제 3 극판(126c)으로 인가되는 전압들(V_DFB LD1, V_DFB LD2)은 순방향 전압(forward bias)일 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)에 포함된 활성층(124a) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)에 포함된 활성층(124c)은 이득층으로 동작할 수 있다. 따라서, 제 1 단일 모드 레이저(122a) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 각각 빛을 생성할 수 있다. 이 때, 제 1 회절 격자와 제 2 회절 격자의 회절 주기는 각각 상이하므로 제 1 단일 모드 레이저(122a)에서 생성되는 제 1 비팅 신호와 제 2 단일 모드 레이저(122b)에서 생성되는 제 2 비팅 신호의 동작 파장은 상이할 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)는 제 1 비팅 신호를 제 1 단일 모드 레이저(122a)의 후단에 위치한 이득 조절 영역(123)으로 출력할 수 있다.
이득 조절 영역(123)은 제 2 극판(126b)을 통하여 전압(V_P)을 인가 받을 수 있다. 이득 조절 영역에 인가 되는 전압(V_P)은 역방향 전압(reverse bias)일 수 있다. 이득 조절 영역(123)에 포함된 활성층(124b)은 흡수층으로 동작할 수 있다. 따라서, 이득 조절 영역(123)은 빛을 흡수할 수 있다. 이득 조절 영역(123)은 빛을 흡수하여 제 1 단일 모드 레이저(122a)에서 생성된 제 1 비팅 신호를 변조할 수 있다. 이득 조절 영역(123)은 변조된 제 1 비팅 신호를 이중 모드 레이저(120)의 외부로 출력할 수 있다. 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 생성한 제 2 비팅 신호를 이중 모드 레이저(120)의 외부로 출력할 수 있다. 이중 모드 레이저(120)는 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 이중 모드 레이저(120)와 직렬 연결된 포토믹서(140, 도 2 참조) 또는 반도체 광 증폭기(130, 도 3 참조)로 출력할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 포토 믹서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 포토 믹서(140)는 커플러(coupler, 141) 및 광-전기 변환기(Optical-to-electrical converter, 142)를 포함할 수 있다. 포토 믹서(140)는 이중 모드 레이저(120, 도 4 참조)에서 생성된 비팅 신호들을 이용하여 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 생성된 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 테라헤르츠 연속파일 수 있다. 도 5에 게시된 도면은 포토 믹서(140)의 원리에 대한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 포토 믹서의 구조를 한정하지 않는다. 예로서, 포토 믹서(140)는 일방향 주행 캐리어 광 다이오드(Unitravelling Carrier Photodiode, UTC-PD), 감쇠장 광 다이오드(Evanescent Photodiode, EC-PD) 또는 저온 성장 포토 믹서(Low Temperature Grown Photomixer, LTG Photomixer)일 수 있다.
커플러(141)는 이중 모드 레이저(120)에 포함된 제 1 단일 모드 레이저(122a, 도 4 참조)에서 생성된 제 1 비팅 신호(λ1) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b, 도 4 참조)에서 생성된 제 2 비팅 신호(λ2)를 혼합하여 혼합 비팅 신호(S_Mix)를 생성할 수 있다. 혼합 비팅 신호(S_Mix)의 주파수는 제 1 비팅 신호와 제 2 비팅 신호의 주파수 차와 동일하다. 커플러(141)에서 혼합된 혼합 비팅 신호(S_Mix)는 광-전기 변환기(142)로 입사될 수 있다.
광-전기 변환기(142)는 입사된 혼합 비팅 신호(S_Mix)에 기초하여 포토 다이오드의 광 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다. 테라헤르츠파 신호(S_THz)의 크기는 제 1 비팅 신호(λ1)와 제 2 비팅 신호(λ1)의 광 세기의 내적에 비례할 수 있다. 광-전기 변환기(142)에서 생성된 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 포토 믹서(140)와 직렬로 연결된 송신 안테나(150, 도 2 참조)로 출력되고, 송신 안테나(150)로부터 자유 공간으로 방사될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 수신단의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 테라헤르츠파 수신단(200)은 수신 안테나(210) 및 테라헤르츠파 수신 장치(220)를 포함할 수 있다. 테라헤르츠파 수신 장치(220)는 테라헤르츠파 검출기(230) 및 무선 신호 증폭기(Radio Frequency Amplifier, RF Amplifier)(240)를 포함할 수 있다. 자유 공간으로 방사된 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 수신 안테나(210)로 수신될 수 있다. 수신 안테나(210)로 수신된 테라헤르츠파 신호(S_THz)는 테라헤르츠파 검출기(230)로 출력될 수 있다.
테라헤르츠파 검출기(230)는 입력된 테라헤르츠파 신호(S_THz)의 캐리어 신호(carrier signal)와 기저 대역 신호를 분리할 수 있다. 테라헤르츠파 검출기(230)는 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode, SBD) 또는 믹서(mixer)와 로컬 오실레이터(Local Oscillator, LO)를 이용한 헤테로다인 수신 방식을 이용할 수 있다. 쇼트키 배리어 다이오드 테라헤르츠파 검출기는 III-V 기반 쇼트키 배리어 다이오드, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기반 쇼트키 배리어 다이오드 또는 초점면 배열(Focal Plane Array, FPA)형 테라헤르츠파 검출기일 수 있다.
무선 신호 증폭기(240)는 테라헤르츠파 검출기(230)의 후단에 직렬로 연결될 수 있다. 무선 신호 증폭기(240)는 테라헤르츠파 검출기(230)에서 분리된 기저 대역 신호를 입력 받을 수 있다. 무선 신호 증폭기(240)는 분리된 기저 대역 신호를 증폭할 수 있다. 테라헤르츠파 무선 통신 시스템(1000, 도 1 참조)은 분리된 기저 대역 신호를 기반으로 송신된 정보를 해석할 수 있다.
도 7a는 단일 모드 레이저에 전기 신호가 인가되는 경우, 광 신호가 생성되는 원리를 나타내는 도면이다. 도 7b는 도 7a에서 발생하는 주파수 처핑 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a은 단일 모드 레이저(122)에 주입 전류가 직접 인가되는 것을 나타낸 도면이다. 단일 모드 레이저(122)에 주입 전류가 직접 인가되면, 단일 모드 레이저(122)로부터 생성되는 비팅 광 신호는 주입 전류에 의하여 직접 변조될 수 있다. 단일 모드 레이저(122)는 이득 매질에 따른 고유의 유효 굴절률을 가지고 있으나, 단일 모드 레이저(122)에 포함된 회절 격자의 주기 및 주입 전류에 따라 단일 모드 레이저(122)의 동작 파장이 결정될 수 있다. 단일 모드 레이저(122)에 포함된 회절 격자가 브래그 격자(Bragg Grating)인 경우, 발진 파장은 아래 수학식 1에 따라 결정될 수 있다. 수학식 1에서 λ는 발진 파장, neff는 이득 매질의 유효굴절률, Λ는 회절 격자의 주기를 의미한다.
Figure 112020023574850-pat00001
이 때, 단일 모드 레이저(122)에 직접 고속의 주입 전류가 인가되는 경우, 단일 모드 레이저(122)의 이득 매질의 유효 굴절률은 변화하게 된다. 주입 전류에 의해 이득 매질의 유효 굴절률이 변화하게 되면, 발진 파장의 주파수 처핑 특성이 나타날 수 있다. 처핑이란, 유효 굴절률의 변화에 따라 발진 주파수의 변화가 초래되는 현상을 의미한다. 도 7B의 점선 부분은 시간에 따른 단일 모드 레이저(122)에 인가되는 주입 전류량을 의미한다. 도 7B의 실선 부분은 시간에 따른 발진 파장의 주파수 처프(chirp) 양상을 의미한다. 단일 모드 레이저(122)에 직접 전류를 주입하는 경우, 시간에 따라 광 신호의 주파수가 연속적으로 변화하는 주파수 처핑 현상이 발생한다.
도 8a 및 도 8b는 주파수 처핑 현상이 광 신호에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b에서 점선 부분은 광 신호의 광도, 실선 부분은 주파수 처프된 광 신호의 파형을 나타낸다. 도 8a의 광 신호는 40Gb/s의 신호이고, 도 8b의 광 신호는 10-Gb/s의 신호이다. 레이저 다이오드를 직접 변조하는 경우 레이저 다이오드의 동적 특성에 의하여 반송자 밀도가 동적 변화를 가지게 된다. 반송자 밀도의 동적 변화에 의하여 이득이 변화하게 되면 레이저 다이오드 공진기 내부의 굴절률 변화를 초래할 수 있다. 굴절률이 동적 변화하면 레이저 다이오드 공진기의 공진 주파수가 달라지게 되어 반송 주파수의 처핑 현상이 일어날 수 있다.
주파수 처핑 현상은 고속 변조시 광 섬유의 색 분산 효과와 결부되어 광 통신 시스템의 성능 저하를 초래할 수 있다. 다시 말하면, 단일 모드 레이저에 전류가 직접 주입되는 경우, 갑작스러운 반송자의 주입에 의하여 이득이 순간적으로 상승함에 따라 광파가 보는 굴절률이 줄어들게 된다. 이 때, 공진 조건에서 발생하는 광 파는 정상시의 주파수보다 높아질 수 있다. 이러한 주파수 천이는 대역의 확산에 기여할 수 있다. 따라서, 무선 통신 시스템의 품질을 향상시키기 위하여 주파수 처핑 현상을 완화시켜야 한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저에서 생성되는 광 신호의 주파수 처핑 현상 완화 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예로서, 도 7a에서 게시한 단일 모드 레이저와는 달리 이중 모드 레이저(120, 도 4 참조)에 포함되는 이득 조절 영역(123)에 전류를 유입하는데 특징이 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)에서 발생한 제 1 비팅 신호는 제 1 단일 모드 레이저(122a)에 직접 인가 되는 전기 신호가 없으므로 레이저 다이오드에서 광 신호가 직접 변조되지 않는다. 다만, 이득 조절 영역(123)에 직접 전기 신호를 인가하여 제 1 단일 모드 레이저(122a)에서 출력되는 제 1 비팅 신호를 변조할 수 있다. 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 제 2 비팅 신호(λ2)를 그대로 출력할 수 있다.
이중 모드 레이저(120)는 변조된 제 1 비팅 신호(λ1) 및 제 2 비팅 신호(λ2)를 출력할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 이중 모드 레이저(120)에 전기 신호를 직접 인가하지만, 단일 모드 레이저 다이오드에 직접 전기 신호를 인가하여 광 신호를 변조시키지 않기 때문에 주파수 처핑 현상이 완화될 수 있다. 주파수 처핑 현상이 줄어듦에 따라, 본 발명이 적용된 테라헤르츠파 무선 통신 시스템의 통화 품질 저하는 완화될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
S110 단계에서, 테라헤르츠파 생성 장치(110, 도 2 참조)의 이중 모드 레이저(120, 도 4 참조)는 외부로부터 전압을 공급 받을 수 있다. 이중 모드 레이저(120)에 포함된 제 1 단일 모드 레이저(122a, 도 4 참조) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b, 도 4 참조)에는 순방향 전압(forward bias)이 인가될 수 있다. 이중 모드 레이저(120)에 포함된 이득 조절 영역(123, 도 4 참조)에는 역방향 전압(reverse bias)이 인가될 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a) 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)는 인가되는 순방향 전압에 의하여 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 생성할 수 있다. 제 1 단일 모드 레이저(122a)에서 생성된 제 1 비팅 신호는 이득 조절 영역(123)으로 출력될 수 있다.
S120 단계에서, 이득 조절 영역(123)은 인가된 역방향 전압을 이용하여 입사된 제 1 비팅 신호를 변조할 수 있다. 이득 조절 영역(123)에 포함된 활성층은 흡수층으로 작용할 수 있다. 따라서, 이득 조절 영역(123)의 활성층에서 제 1 비팅 신호가 흡수될 수 있다. 흡수되는 제 1 비팅 신호의 광량은 이득 조절 영역(123)에 인가된 역방향 전압의 세기에 비례할 수 있다. 제 1 비팅 신호는 이득 조절 영역(123)의 빛 흡수에 의하여 변조될 수 있다.
S130 단계에서, 이득 조절 영역(123)에서 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 단일 모드 레이저(122b)에서 생성된 제 2 비팅 신호는 이중 모드 레이저(120)에서 출력될 수 있다. 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호는 이중 모드 레이저(120)와 직렬로 연결된 포토 믹서(140, 도 2 참조)로 입사할 수 있다. 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호의 광 세기가 약한 경우, 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호는 반도체 광 증폭기(130, 도 3 참조)에 입사하여 증폭된 후, 포토 믹서(140)로 입사할 수 있다.
S140 단계에서, 포토 믹서(140)는 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합할 수 있다. 또는, 포토 믹서(140)에 포함된 커플러(141, 도 5 참조)는 반도체 광 증폭기(130)에서 증폭된 변조된 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합할 수 있다. 혼합 비팅 신호(S_Mix)는 광-전기 변환기(142, 도 5 참조)로 입사될 수 있다. 광-전기 변환기(142)는 포토 다이오드에 흐르는 전류를 혼합 비팅 신호(S_Mix)의 광 세기에 비례하여 변조하여 테라헤르츠파 신호(S_THz)를 생성할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시 예에 따른 이중 모드 레이저의 이득 조절 영역의 인가 전압에 따른 광 출력을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 이중 모드 레이저(120, 도 4 참조)에 포함된 이득 조절 영역(123, 도 4 참조)의 인가 전압(V_P, 도 4 참조)에 따른 이중 모드 레이저(120)의 광 출력 스펙트럼을 나타낸다. 이득 조절 영역(123)의 인가 전압(V_P)이 순방향(V_P=+0.2V)인 경우, 제 1 비팅 신호(λ1) 및 제 2 비팅 신호(λ2)는 단일한 파장으로 출력되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이득 조절 영역(123)의 인가 전압(V_P)이 역방향(V_P=-0.7, -1, -2, -3V)인 경우, 제 1 비팅 신호(λ1) 및 제 2 비팅 신호(λ2)는 단일한 파장으로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이득 조절 영역(123)의 인가 전압(V_P)이 역방향(V_P=-0.7, -1, -2, -3V)이기만 하면, 인가 전압(V_P)의 크기에 따른 제 1 비팅 신호(λ1) 및 제 2 비팅 신호(λ2)의 출력 파장은 변화하지 않는다.
한편, 도 11b는 이득 조절 영역(123)의 인가 전압(V_P)에 따른 제 1 비팅 신호(λ1)의 출력 광 세기를 나타낸다. 도 11b를 참조하면, 이득 조절 영역(123)의 인가 전압(V_P)의 크기가 증가할수록 제 1 비팅 신호(λ1)의 출력 광 세기는 감소하는 양상을 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠파 생성 장치(1000, 도 1 참조)에서 원하는 광 출력을 도출하기 위하여 이득 조절 영역(123)에 역방향 전압을 인가하되, 역방향 전압의 크기는 적절히 조정하여야 한다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들 뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
1000 : 테라헤르츠파 무선 통신 시스템
100 : 테라헤르츠파 송신단
110 : 테라헤르츠파 생성 장치
120 : 이중 모드 레이저(Dual Mode Laser, DML)
130 : 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)
140 : 포토 믹서(photomixer)
150 : 송신 안테나

Claims (16)

  1. 제 1 비팅 신호를 생성하는 제 1 단일 모드 레이저, 상기 제 1 비팅 신호를 변조하는 이득 조절 영역 및 제 2 비팅 신호를 생성하는 제 2 단일 모드 레이저를 포함하는 이중 모드 레이저; 및
    변조된 상기 제 1 비팅 신호 및 제 2 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 공급되는 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호를 생성하는 포토 믹서를 포함하되,
    상기 이득 조절 영역은 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저 사이에 형성되고,
    상기 이득 조절 영역은 활성층을 포함하고,
    상기 제 1 비팅 신호는 상기 제 1 단일 모드 레이저에서 상기 이득 조절 영역으로 출력되어 상기 이득 조절 영역에 공급되는 역방향 전압에 기반하여 변조되고,
    상기 역방향 전압은 상기 제 1 단일 모드 레이저에 인가되는 또는 상기 제 2 단일 모드 레이저에 인가되는 전압과 반대 방향의 전압인 테라헤르츠파 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저는 제 1 회절 격자, 제 1 이득층 및 제 1 극판을 포함하고,
    상기 이득 조절 영역은 제 2 극판을 더 포함하고,
    상기 제 2 단일 모드 레이저는 제 2 회절 격자, 제 2 이득층 및 제 3 극판을 포함하는 테라헤르츠파 생성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자의 회절 주기 및 상기 제 2 회절 격자의 회절 주기는 서로 상이한 테라헤르츠파 생성 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 이득층, 상기 활성층 및 상기 제 2 이득층은 동일한 물질로 구성되는 테라헤르츠파 생성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저, 상기 이득 조절 영역 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 동일한 기판 상에 형성되는 테라헤르츠파 생성 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판은 갈륨 비소(Gallium Arsenide, GaAs) 기판, 인화 인듐(Indium Phosphide, InP) 기판 그리고 질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기판 중 어느 하나인 테라헤르츠파 생성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저 그리고 상기 제 2 단일 모드 레이저 중 적어도 하나는 파장 가변 단일 모드 레이저인 테라헤르츠파 생성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 분포 궤환형 레이저 다이오드(Distributed Feedback Laser Diode, DFB LD), 브래그 반사경 레이저 다이오드(Distributed Bragg Reflector Laser Diode, DBR LD) 그리고 SGDBR 레이저 다이오드(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector Laser Diode, SGDBR LD) 중 어느 하나인 테라헤르츠파 생성 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토 믹서는 커플러 및 광-전기 변환기를 포함하는 테라헤르츠파 생성 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토 믹서는 일방향 주행 캐리어 광 다이오드(Unitravelling Carrier Photodiode, UTC-PD), 감쇠장 광 다이오드(Evanescent Photodiode, EC-PD) 그리고 저온 성장 포토 믹서(Low Temperature Grown Photomixer, LTG Photomixer) 중 어느 하나인 테라헤르츠파 생성 장치.
  11. 제 1 비팅 신호를 생성하는 제 1 단일 모드 레이저, 상기 제 1 비팅 신호를 변조하는 이득 조절 영역 및 제 2 비팅 신호를 생성하는 제 2 단일 모드 레이저를 포함하는 이중 모드 레이저;
    변조된 상기 제 1 비팅 신호 및 상기 제 2 비팅 신호를 증폭하는 반도체 광 증폭기; 및
    상기 반도체 광 증폭기에서 증폭된 상기 변조된 제 1 비팅 신호 및 상기 제 2 비팅 신호를 혼합하고, 혼합된 비팅 신호들의 비팅 주파수에 기반하여 공급되는 전류를 변조하여 테라헤르츠파 신호를 생성하는 포토 믹서를 포함하되,
    상기 이득 조절 영역은 상기 제 1 단일 모드 레이저 및 상기 제 2 단일 모드 레이저 사이에 형성되고,
    상기 이득 조절 영역은 활성층을 포함하고,
    상기 제 1 비팅 신호는 상기 제 1 단일 모드 레이저에서 상기 이득 조절 영역으로 출력되어 상기 이득 조절 영역에 공급되는 역방향 전압에 기반하여 변조되고,
    상기 역방향 전압은 상기 제 1 단일 모드 레이저에 인가되는 또는 상기 제 2 단일 모드 레이저에 인가되는 전압과 반대 방향의 전압인 테라헤르츠파 생성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저는 제 1 회절 격자, 제 1 이득층 및 제 1 극판을 포함하고,
    상기 이득 조절 영역은 제 2 극판을 더 포함하고,
    상기 제 2 단일 모드 레이저는 제 2 회절 격자, 제 2 이득층 및 제 3 극판을 포함하는 테라헤르츠파 생성 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자의 회절 주기 및 상기 제 2 회절 격자의 회절 주기는 서로 상이한 테라헤르츠파 생성 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 이득층, 상기 활성층 및 상기 제 2 이득층은 동일한 물질로 구성되는 테라헤르츠파 생성 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저, 상기 이득 조절 영역 및 상기 제 2 단일 모드 레이저는 동일한 기판 상에 형성되는 테라헤르츠파 생성 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 모드 레이저 그리고 상기 제 2 단일 모드 레이저 중 적어도 하나는 파장 가변 단일 모드 레이저인 테라헤르츠파 생성 장치.
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