KR102666357B1 - Large caliber array type terahertz photoconductive antenna - Google Patents
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Abstract
대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나는, 기판, 상기 기판의 상면에 서로 다른 제1 전극 및 제2 전극이 형성된 안테나 패턴, 상기 안테나 패턴 상부에 형성된 박막층, 상기 박막층 상면에 회절 격자 구조로 형성되어, 상기 안테나 패턴의 역전압 영역의 빔을 순전압 영역으로 회전시키는 회절 격자 패턴을 포함한다. A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna is disclosed. A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to one aspect of the present invention includes a substrate, an antenna pattern having different first and second electrodes formed on the upper surface of the substrate, a thin film layer formed on the upper surface of the antenna pattern, and an upper surface of the thin film layer. It is formed as a diffraction grating structure and includes a diffraction grating pattern that rotates a beam in the reverse voltage region of the antenna pattern to the forward voltage region.
Description
본 발명은 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 테라헤르츠 파의 발생 효율을 높일 수 있는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, and more specifically, to a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna that can increase the generation efficiency of terahertz waves.
마이크로 주파수 대역과 광학 주파수 대역 사이에 있는 테라헤르츠(terahertz) 주파수 대역은 분자 광학, 생물리학(biophysics), 의학(medical), 분광학(spectroscopy), 영상(imaging) 또는 보안(security) 분야에서 매우 중요한 주파수 대역이다. 즉, 테라헤르츠 주파수 대역의 전자기파는 물질 특성에 따른 흡수특성 차이가 있으며 빛의 직진성과 전파의 투과성을 동시에 지니고 있는 바, 이러한 특성들을 활용하면 물질 분석, 보안 또는 의료 스캔 분야 등에 응용이 가능하다. The terahertz frequency band, which lies between the micro-frequency band and the optical frequency band, is of great importance in the fields of molecular optics, biophysics, medicine, spectroscopy, imaging or security. It is a frequency band. In other words, electromagnetic waves in the terahertz frequency band have different absorption characteristics depending on the material characteristics and have both the straight path of light and the transparency of radio waves. By utilizing these characteristics, they can be applied to material analysis, security, or medical scanning fields.
테라헤르츠(또는 밀리미터파) 전자파 발진 및 감지를 위해 광전도 안테나(Photoconductive antenna: PCA)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 테라헤르츠 광전도 안테나는 GaAs와 같은 III-V 족 반도체 기판에 이극자 안테나 패턴을 형성한 구조를 가질 수 있다. 이 이극자 안테나 패턴에 예를 들어, 극초단 펄스 레이저광을 입사시키면, 이극자 안테나 패턴 부분에 전자와 같은 수송자들이 여기되고, 이극자 사이의 전기장에 의해 전자들이 이동하게 된다. 이때 극초단 펄스에 의해 만들어지는 전자들은 매우 빠른 속도로 발생되었다가 전극에서 소멸하게 되는데, 이런 현상은 주로 0.3 ∼ 3 THz 주파수 대역에서 발생하게 된다. 발생된 전자기파는 반도체 기판에 수직으로 통과하여 대기중으로 전파하게 된다. Photoconductive antenna (PCA) can be used for terahertz (or millimeter wave) electromagnetic wave oscillation and detection. For example, a terahertz photoconductive antenna may have a structure in which a dipole antenna pattern is formed on a group III-V semiconductor substrate such as GaAs. For example, when ultrashort pulse laser light is incident on this dipole antenna pattern, transporters such as electrons are excited in the dipole antenna pattern portion, and the electrons are moved by the electric field between the dipoles. At this time, electrons created by ultrashort pulses are generated at a very high speed and then disappear from the electrode, and this phenomenon mainly occurs in the frequency range of 0.3 to 3 THz. The generated electromagnetic waves pass vertically through the semiconductor substrate and propagate into the air.
여기서, 광전도 원리에 따르면, 반도체 기판의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 레이저광이 입사되면, 전자들을 전도대로 여기시키고, 전자들이 다시 안정된 상태로 되돌아오게 되는데, 특히, 이때의 에너지 차이가 밀리미터파에서 테라헤르츠 대역의 전자기파 에너지에 해당하는 것을 테라헤르츠 광전도 현상이라고 한다.Here, according to the photoconduction principle, when laser light with an energy greater than the bandgap energy of the semiconductor substrate is incident, electrons are excited into the conduction band and the electrons return to a stable state. In particular, the energy difference at this time is millimeter wave. The electromagnetic wave energy in the terahertz band is called the terahertz photoconduction phenomenon.
일반적인 광전도 안테나에서는, 안테나 패턴에서 발생된 전자기파는 표면파로 진행하여 손실이 야기될 수 있으며, 또한 안테나 패턴이 형성된 일면에 반대되는 면에서 반사되어 되돌아온 전자기파가 안테나 패턴이 형성된 면에서 굴절되어 외부로 방출되어 손실이 야기될 수 있다.In a general photoconductive antenna, electromagnetic waves generated from the antenna pattern may propagate as surface waves, causing loss, and electromagnetic waves reflected from the surface opposite to the surface on which the antenna pattern is formed are refracted on the surface on which the antenna pattern is formed and are transmitted to the outside. It may be released and cause damage.
상술한 바와 같이 광전도 안테나는 외부 광학 펌프 빔에 의해 광 생성 캐리어가 생기고 전극에 가해진 전압에 의해 형성된 전계에 따라 안테나에 전류가 흐르며 테라헤르츠가 발생된다. As described above, in the photoconductive antenna, light-generated carriers are generated by an external optical pump beam, and a current flows in the antenna according to an electric field formed by a voltage applied to the electrode, generating terahertz.
이하, 도면을 참조하여 종래의 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나에 대해 살펴보도록 한다.Hereinafter, we will look at a conventional large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna with reference to the drawings.
도 1은 종래의 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나(10)는 양극(31)과 음극(32)의 전극이 광전도 기판(20) 상면에 주기적으로 번갈아 가며 형성되어 있는 구조이다. Figure 1 is a diagram showing a conventional large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna. Referring to FIG. 1, a conventional large-diameter array-type terahertz
도 1의 (b)에서 도시된 바와 같이 전계는 좌우 방향이 반복적으로 형성되기 때문에 안테나로 흘러 들어가는 전류는 상쇄되어 매우 작아지거나 없어지게 된다. 따라서 두 방향 중 한 방향을 순방향, 다른 한 방향을 역방향으로 보고 한쪽의 광학 펌프 빔을 차단해야 테라헤르츠가 발생하게 된다. As shown in Figure 1 (b), since the electric field is repeatedly formed in the left and right directions, the current flowing into the antenna is canceled out and becomes very small or disappears. Therefore, one of the two directions must be viewed as the forward direction and the other as the reverse direction, and the optical pump beam on one side must be blocked to generate terahertz.
이에, 테라헤르츠파의 발생 효율을 높일 수 있는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. Accordingly, there is a demand for technology development for large-diameter array-type terahertz photoconductive antennas that can increase the generation efficiency of terahertz waves.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1453472호(2014.10.21. 공고, 발명의 명칭 : 테라헤르츠파 장치)가 있다.Prior art related to the present invention includes Republic of Korea Patent Publication No. 10-1453472 (announced on October 21, 2014, title of invention: Terahertz wave device).
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 테라헤르츠 파의 발생 효율을 높일 수 있는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 제공하는 것이다.The present invention was made to improve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna that can increase the generation efficiency of terahertz waves.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and other problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 측면에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나는, 기판, 상기 기판의 상면에 서로 다른 제1 전극 및 제2 전극이 형성된 안테나 패턴, 상기 안테나 패턴 상부에 형성된 박막층, 상기 박막층 상면에 회절 격자 구조로 형성되어, 상기 안테나 패턴의 역전압 영역의 빔을 순전압 영역으로 회전시키는 회절 격자 패턴을 포함한다. A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to one aspect of the present invention includes a substrate, an antenna pattern having different first and second electrodes formed on the upper surface of the substrate, a thin film layer formed on the upper surface of the antenna pattern, and an upper surface of the thin film layer. It is formed as a diffraction grating structure and includes a diffraction grating pattern that rotates a beam in the reverse voltage region of the antenna pattern to the forward voltage region.
본 발명에서 상기 제1 전극은, 제1 방향으로 확장된 제1 라인 패턴, 상기 제1 라인 패턴과 연결되고 상기 제1 방향과 교차된 제2 방향으로 확장된 복수의 제2 라인 패턴들, 및 상기 제1 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장되며 상기 복수의 제2라인 패턴들의 사이에 위치되고 상기 제2 라인 패턴들에 비해 긴 길이를 갖는 복수의 제3 라인 패턴들을 포함하며, 상기 제2 전극은, 상기 제1 방향으로 확장된 제4 라인 패턴, 상기 제4 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장된 복수의 제5 라인 패턴들, 및 상기 제4 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장되며 상기 복수의 제5 라인 패턴들의 사이에 위치되고 상기 제5 라인 패턴들에 비해 긴 길이를 갖는 복수의 제6 라인 패턴들을 포함하며, 상기 제1 전극과 마주하여 배치된 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the first electrode includes a first line pattern extending in a first direction, a plurality of second line patterns connected to the first line pattern and extending in a second direction crossing the first direction, and a plurality of third line patterns connected to the first line pattern, extending in the second direction, positioned between the plurality of second line patterns, and having a longer length than the second line patterns, The second electrode includes a fourth line pattern extended in the first direction, a plurality of fifth line patterns connected to the fourth line pattern and extended in the second direction, and connected to the fourth line pattern and a plurality of sixth line patterns extending in a second direction, positioned between the plurality of fifth line patterns and having a longer length than the fifth line patterns, and disposed facing the first electrode. It can be characterized.
본 발명에서 상기 안테나 패턴은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 하나의 단위 격자로 구성되고, 복수의 단위 격자들이 복수의 행들을 구성하며, 상기 복수의 행들 사이에 역전압 영역 또는 순전압 영역이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the antenna pattern is configured such that the first electrode and the second electrode are comprised of one unit grid, a plurality of unit grids constitute a plurality of rows, and a reverse voltage region or forward voltage is formed between the plurality of rows. It may be characterized by the location of the area.
본 발명에서 상기 안테나 패턴은, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 소정 거리 이격하여 일정 주기로 교대로 형성되고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 역전압 영역 또는 순전압 영역이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the present invention, the antenna pattern is characterized in that the first electrode and the second electrode are alternately formed at regular intervals at a predetermined distance apart, and a reverse voltage area or a forward voltage area is located between the first electrode and the second electrode. You can do this.
본 발명에서 상기 박막층은 폴리머 또는 유전체로 형성될 수 있다. In the present invention, the thin film layer may be formed of polymer or dielectric.
본 발명에서 상기 박막층의 두께는 상기 회절 격자 패턴의 입사각 및 상기 안테나 패턴의 주기에 기초하여 결정될 수 있다. In the present invention, the thickness of the thin film layer may be determined based on the angle of incidence of the diffraction grating pattern and the period of the antenna pattern.
본 발명에서 상기 회절 격자 패턴은, 유전체로 형성될 수 있다. In the present invention, the diffraction grating pattern may be formed of a dielectric.
본 발명에서 상기 회절 격자 패턴은, 상기 역전압 영역에 대응하는 위치의 박막층 상면에 형성될 수 있다. In the present invention, the diffraction grating pattern may be formed on the upper surface of the thin film layer at a position corresponding to the reverse voltage region.
본 발명에서 상기 회절 격자 패턴의 입사각은, 상기 빔의 파장 및 격자 구조의 주기에 기초하여 결정될 수 있다. In the present invention, the incident angle of the diffraction grating pattern may be determined based on the wavelength of the beam and the period of the grating structure.
본 발명에 따르면, 안테나 패턴이 형성된 기판상에 박막층을 증착하고, 역전압 영역 상부에 회절 격자 패턴을 배열함으로써, 역전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 순전압 영역으로 회절시킬 수 있고, 이로 인해 순전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 최대 두 배까지 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by depositing a thin film layer on a substrate on which an antenna pattern is formed and arranging a diffraction grating pattern on the upper part of the reverse voltage region, the optical pump beam incident on the reverse voltage region can be diffracted into the forward voltage region, thereby The optical pump beam incident on the forward voltage region can be improved by up to two times.
또한, 본 발명에 따르면, 역전압 영역 상부에 회절 격자 패턴을 배열함으로써, 반사되는 광학 펌프 빔을 크게 낮출 수 있고, 이로 인해 시스템 내부의 난반사를 억제할 수 있으며, 신호대비 잡음비를 향상시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, by arranging a diffraction grating pattern on the upper part of the reverse voltage area, the reflected optical pump beam can be significantly lowered, thereby suppressing diffuse reflection inside the system and improving the signal-to-noise ratio. .
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다. Meanwhile, the effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and various effects may be included within the range apparent to those skilled in the art from the contents described below.
도 1은 종래의 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막층의 두께를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자 패턴의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자의 전산 모사 결과를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진행 각도별 투과된 일률을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SNG 구조의 안테나 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NG 구조, NE 구조 및 SNG 구조를 비교 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나의 단위 행 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 행을 복수개 배열하여 구성된 대구경 테라헤르츠 광전도 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a conventional large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna.
Figure 2 is a diagram schematically showing a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining a method of determining the thickness of a thin film layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram for explaining the operation of a diffraction grating pattern according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is an exemplary diagram for explaining the results of computational simulation of a diffraction grating according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph illustrating the transmitted power for each traveling angle according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing an antenna pattern of an SNG structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram comparing the NG structure, NE structure, and SNG structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the unit row structure of a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing the structure of a large-diameter terahertz photoconductive antenna configured by arranging a plurality of rows according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. Hereinafter, a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In this process, the thickness of lines or sizes of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나를 개략적으로 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막층의 두께를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자 패턴의 동작을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자의 전산 모사 결과를 설명하기 위한 예시도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진행 각도 별 투과된 일률을 설명하기 위한 그래프이다. FIG. 2 is a diagram schematically showing a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating a method of determining the thickness of a thin film layer according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram illustrating the operation of a diffraction grating pattern according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating the results of computational simulation of a diffraction grating according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of a diffraction grating pattern according to an embodiment of the present invention. This is a graph to explain the transmitted power for each traveling angle according to one embodiment of .
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나(100)는 기판(110), 기판(110)의 상면에 형성된 안테나 패턴(120), 안테나 패턴(120) 상부에 형성된 박막층(130), 박막층(130) 상면에 형성된 회절 격자 패턴(140)을 포함한다. Referring to FIG. 2, the large-diameter array-type
기판(110)은 테라헤르츠파가 반도체 기판상에 존재하는 전하들에 의해 흡수되는 양을 최소화하기 위해, 반-절연(semi-insulating) GaAs 기판 또는 InGaAs 기판일 수 있다.The
안테나 패턴(120)은 기판(110)의 상면에 서로 다른 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 소정 거리 이격하여 형성된다. 이때, 제1 전극(121)이 양극인 경우 제2 전극(122)은 음극일 수 있고, 이와 반대일 수도 있다. The
안테나 패턴(120)은 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 소정 거리 이격하여 일정 주기로 교대로 형성되기 때문에, 도 1에서 설명한 바와 같이 전계는 좌우 방향이 반복적으로 형성될 수 있다. 이때, 두 방향 중 한 방향을 순방향, 다른 방향을 역방향으로 정의하면, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122) 사이에는 역전압 영역(A) 또는 순전압 영역(B)이 위치할 수 있다. Since the
또한, 안테나 패턴(120)은 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 하나의 단위 격자로 구성되고, 복수의 단위 격자들이 복수의 행들을 구성할 수 있다. 이때, 복수의 행들 사이에는 역전압 영역 또는 순전압 영역이 위치할 수 있다. Additionally, the
이러한 안테나 패턴(120)은 SNG(Shifted Nano-Gap)구조, NG(Nano-Gap) 구조 및 NE(Nano-Electrode) 구조 중 적어도 하나의 구조를 가질 수 있다. 안테나 패턴(120)에 대한 상세한 설명은 도 3 내지 도 5를 참조하기로 한다. This
상기와 같은 안테나 패턴(120)의 상부에는 박막층(130)이 증착될 수 있다. A
박막층(130)은 폴리머, 유전체 등의 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 박막층(130)은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 형성될 수 있다. The
박막층(130)은 안테나 패턴(120)의 역전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 순전압 영역으로 향하게 하기 위해 두께를 조절할 필요가 있다. 박막층(130)의 두께에 대해 도 3을 참조하면, 박막층(130)의 두께(t)는 회절 격자 패턴(140)의 입사각 및 안테나 패턴(120)의 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 박막층(130)의 두께(t)는 도 3에 도시된 바와 같이 아래 수학식 1을 통해 결정될 수 있다. The thickness of the
[수학식 1][Equation 1]
여기서, b는 안테나 패턴(120)의 주기, θ는 회절 격자 패턴(140)의 입사각을 의미할 수 있다.Here, b may mean the period of the
예컨대, 박막층(130)은 10 ~ 200 μm의 두께(t)로 형성될 수 있다.For example, the
회절 격자 패턴(140)은 박막층(130) 상면에 회절 격자 구조로 형성되어, 안테나 패턴(120)의 역전압 영역(A)의 빔을 순전압 영역(B)으로 회전시킨다. 이때, 회절 격자 패턴(140)은 안테나 패턴(120)의 역전압 영역(A)에 대응하는 위치의 박막층(130) 상면에 형성될 수 있다. 예컨대, 회절 격자 패턴(140)은 안테나 패턴(120)의 복수의 행들 사이에 위치한 역전압 영역(A) 상부에 형성될 수 있다. The
이러한 회절 격자 패턴(140)은 유전체로 형성될 수 있다. 예컨대, 회절 격자 패턴(140)은 Si3N4, SiO2 등의 재질로 형성될 수 있다. 또한, 회절 격자 패턴(140)에서 각 격자는 예컨대, 0.1 ~ 2 μm의 두께, 0.4 ~ 1.6 μm의 주기(a), 0 ~ 1의 듀티비를 갖는 구조일 수 있다. This diffraction
참고로, 회절 격자는 일정한 간격으로 슬릿을 무수히 많이 만들어 놓은 것을 말한다. 따라서, 회절 격자에 광학 펌프 빔을 입사시키면 투과 또는 반사된 빛이 파장별로 나뉘어 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절 격자에 평행으로 입사한 광학 펌프 빔들은 슬릿이 아닌 곳에서는 흡수되거나 산란하고, 슬릿으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빔은 그대로 직진하지 않고 호이겐스의 원리에 의하여 회절되어 원 기둥 형태로 퍼져나가 보강간섭이 발생하는 특정한 방향에 전달된다. For reference, a diffraction grating is one in which numerous slits are made at regular intervals. Therefore, when an optical pump beam is incident on a diffraction grating, the transmitted or reflected light can be divided by wavelength to obtain a spectrum. Optical pump beams incident in parallel to this diffraction grating are absorbed or scattered anywhere other than the slit, and light entering the slit passes through. However, the beam that passes does not go straight, but is diffracted according to Huygens' principle, spreads out in the form of a circular pillar, and is transmitted to a specific direction where constructive interference occurs.
격자구조에 의해 발생하는 첫 번째 보강간섭 지점의 입사각은 도 4에 도시된 수학식과 같이 격자 구조의 주기(a)와 입사하는 광학 펌프 빔의 파장(λ), 및 재질에 따른 굴절률에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 회절 격자 패턴(140)의 입사각은 광학 펌프 빔의 파장 및 격자 구조의 주기에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 회절 격자 패턴(140)의 입사각은 아래 수학식 2를 통해 결정될 수 있다. The incident angle of the first constructive interference point generated by the lattice structure is affected by the period (a) of the lattice structure, the wavelength (λ) of the incident optical pump beam, and the refractive index depending on the material, as shown in the equation shown in FIG. You can. Accordingly, the angle of incidence of the
[수학식 2][Equation 2]
θ = sin-1λ/a (rad)θ = sin -1 λ/a (rad)
여기서, λ는 광학 펌프 빔의 파장, a는 격자구조의 주기를 의미할 수 있다. Here, λ may mean the wavelength of the optical pump beam, and a may mean the period of the lattice structure.
이러한 회절 격자 패턴(140)을 700 nm 두께의 Si3N4 재질의 격자구조(주기 1 μm, 듀티비 1)로 전산 모사하면, 도 5와 같은 결과를 확인할 수 있다. 이 경우 진행 각도별 투과된 일률은 도 6과 같이 좌우 양쪽으로 각각 33도의 각도에서 각각 40%의 빛의 전달되고, 직진하는 빛은 10% 미만으로 전달됨을 확인할 수 있다.If this diffraction
상술한 바와 같이 구성된 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나(100)는 안테나 패턴(120)이 형성된 기판(110)상에 박막층(130)을 증착하고, 역전압 영역 상부에 회절 격자 패턴(140)을 배열함으로써, 역전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 순전압 영역으로 회절시킬 수 있다.The large-diameter array-type
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 SNG 구조의 안테나 패턴을 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing an antenna pattern of the SNG structure according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 패턴(120)은 SNG(Shifted Nano-Gap) 구조를 갖는다. 이때, 안테나 패턴(120)은 한 쌍의 전극(121, 122)을 포함하며, 이들 중 하나는 양극이고 나머지 하나는 음극일 수 있다. Referring to FIG. 7, the
제1 전극(121)은 제1 방향(I-I')으로 확장된 제1 라인 패턴(121A) 및 제1 방향(I-I')과 교차된 제2 방향(Ⅱ-Ⅱ')으로 확장된 복수의 제2 및 제3 라인 패턴들(121B, 121C)을 포함한다. 여기서, 복수의 제2 및 제3 라인 패턴들(121B, 121C)의 일측 끝단은 제1 라인 패턴(121A)과 연결된다. 따라서, 제1 전극은 손가락 형태 또는 빗(comb) 형태를 갖는다. 또한, 제2 라인 패턴들(121B)과 제3 라인 패턴들(121C)은 교대로 배열될 수 있으며, 제3 라인 패턴들(121C)은 제2 라인 패턴들(121B)에 비해 긴 길이를 가질 수 있다.The
제2 전극(122)은 제1 방향(I-I')으로 확장된 제4 라인 패턴(122A) 및 제2 방향(Ⅱ-Ⅱ')으로 확장된 복수의 제5 및 제6 라인 패턴들(122B, 122C)을 포함한다. 여기서, 복수의 제5 및 제6 라인 패턴들(122B, 122C)의 일측 끝단은 제4 라인 패턴(122A)과 연결된다. 따라서, 제2 전극(122)은 손가락 형태 또는 빗(comb) 형태를 갖는다.The
또한, 제5 라인 패턴들(122B)과 제6 라인 패턴들(122C)은 교대로 배열될 수 있으며, 제6 라인 패턴들(122C)은 제5 라인 패턴들(122B)에 비해 긴 길이를 가질 수 있다.Additionally, the
제1 전극(121)의 제1 라인 패턴(121A)과 제2 전극(122)의 제4 라인 패턴(122A)은 마주하도록 배열되며, 제1 라인 패턴(121A)과 제4 라인 패턴(122A)의 사이에 복수의 제2 라인 패턴들(121B), 복수의 제3 라인 패턴들(121C), 복수의 제5 라인 패턴들(122B) 및 복수의 제6 라인 패턴들(122C)이 배열될 수 있다.The
또한, 복수의 제2 라인 패턴들(121B)과 복수의 제6 라인 패턴들(122C)은 상호 대응되도록 위치되고, 복수의 제3 라인 패턴들(121C)과 복수의 제5 라인 패턴들(122B)은 상호 대응되도록 위치될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 제1 전극(121)의 제3 라인 패턴들(121C)과 제2 전극(122)의 제6 라인 패턴들(122C)이 일부 중첩된다.Additionally, the plurality of
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 NG 구조, NE 구조 및 SNG 구조를 비교 도시한 도면이다.Figure 8 is a diagram comparing the NG structure, NE structure, and SNG structure according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 패턴(120)은 NG(Nano-Gap) 구조(120C), NE(Nano-Electrode) 구조(120B) 또는 SNG 구조(120A)를 가질 수 있다. Referring to FIG. 8, the
여기서, NG 구조(120C)는 SNG와 유사한 구조를 갖되, 복수의 제2 라인 패턴들(121B)과 복수의 제3 라인 패턴들(121C)이 동일한 길이를 갖고, 복수의 제5 라인 패턴들(122B)과 복수의 제6 라인 패턴들(122C)이 동일한 길이를 갖는다. 또한, NE 구조(120B)는 NG 구조(120C)와 유사한 구조를 갖되, 양극과 음극 사이의 간격(121, 122)이 상이하다.Here, the
예를 들어, NG 구조(120C)는 200nm의 주기(126)를 갖는 나노 전극의 배열로 구성된다. 또한, 한 쌍의 양극과 음극을 포함할 수 있으며, 이들 간의 간격(123)은 약 200 nm일 수 있다. NE 구조(120B)는 NG 구조(120C)와 유사한 형태를 가지며, 양극과 음극 사이의 간격(124)이 약 3 um이다. SNG 구조(120A)는 앞서 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 양 전극이 상호 교차된 영역(125)을 갖는다. 교차 영역(125)의 폭은 약 1 um일 수 있다.For example, the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나의 단위 행 구조를 나타낸 도면이다. Figure 9 is a diagram showing the unit row structure of a large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 대구경 광전도 안테나(100)의 한 행을 구성하는 안테나 패턴(120)에 나노 구조를 적용할 수 있다. 예를 들어, 마주보는 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)에 SNG 구조를 적용하며, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 바이어스 전원(150)에 의해 전기적으로 제어된다. 여기서, 교차 영역의 폭(125) 및 주기(126)는 다양하게 조절될 수 있다. 또한, SNG 구조뿐만 아니라, NG 구조, NE 구조도 적용할 수 있다.Referring to FIG. 9, a nanostructure can be applied to the
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 행을 복수개 배열하여 구성된 대구경 테라헤르츠 광전도 안테나의 구조를 나타낸 도면이다. Figure 10 is a diagram showing the structure of a large-diameter terahertz photoconductive antenna configured by arranging a plurality of rows according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 복수의 행들 사이에 역전압 영역(1010)이 위치되고, 역전압 영역(1010) 상에 회절 격자 패턴(140)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 역전압 영역에 회절 격자 패턴(140)을 형성함으로써, 테라헤르츠 발생 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전체 영역의 크기(1000)는 다양하게 정해질 수 있고, 예를 들어, 100 um X 100 um 이상일 수 있다.Referring to FIG. 10, a
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나는 안테나 패턴이 형성된 기판상에 박막층을 증착하고, 역전압 영역 상부에 회절 격자 패턴을 배열함으로써, 역전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 순전압 영역으로 회절시킬 수 있고, 이로 인해 순전압 영역에 입사하는 광학 펌프 빔을 최대 두 배까지 향상시킬 수 있다. As described above, the large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention deposits a thin film layer on a substrate on which an antenna pattern is formed and arranges a diffraction grating pattern on the upper part of the reverse voltage area, The incident optical pump beam can be diffracted into the forward voltage region, thereby improving the optical pump beam incident on the forward voltage region by up to two times.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나는, 역전압 영역 상부에 회절 격자 패턴을 배열함으로써, 반사되는 광학 펌프 빔을 크게 낮출 수 있고, 이로 인해 시스템 내부의 난반사를 억제할 수 있으며, 신호대비 잡음비를 향상시킬 수 있다. In addition, the large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna according to an embodiment of the present invention can significantly lower the reflected optical pump beam by arranging a diffraction grating pattern on the upper part of the reverse voltage area, thereby reducing diffuse reflection inside the system. It can be suppressed and the signal-to-noise ratio can be improved.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will recognize that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. You will understand.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the scope of the patent claims below.
100 : 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나
110 : 기판
120 : 안테나 패턴
121 : 제1 전극
122 : 제2 전극
130 : 박막층
140 : 회절 격자 패턴100: Large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna
110: substrate
120: antenna pattern
121: first electrode
122: second electrode
130: thin film layer
140: diffraction grating pattern
Claims (9)
상기 기판의 상면에 서로 다른 제1 전극 및 제2 전극이 형성된 안테나 패턴;
상기 안테나 패턴 상부에 형성된 박막층; 및
상기 박막층 상면에 회절 격자 구조로 형성되어, 상기 안테나 패턴의 역전압 영역의 빔을 순전압 영역으로 회절시키는 회절 격자 패턴을 포함하고,
상기 박막층의 두께는 상기 회절 격자 패턴의 입사각 및 상기 안테나 패턴의 주기에 기초하여 결정되고,
상기 회절 격자 패턴은, 상기 역전압 영역에 대응하는 위치의 박막층 상면에 형성되며,
상기 안테나 패턴에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 하나의 단위 격자로 구성되고, 복수의 단위 격자들이 복수의 행들을 구성하며,
상기 복수의 행들 사이에 역전압 영역 또는 순전압 영역이 위치하고,
상기 안테나 패턴은 SNG(Shifted Nano-Gap)구조, NG(Nano-Gap) 구조 및 NE(Nano-Electrode) 구조 중 적어도 하나의 구조를 가지며,
상기 회절 격자 패턴은 상기 안테나 패턴의 복수의 행들 사이에 위치한 역전압 영역 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
Board;
an antenna pattern in which different first and second electrodes are formed on the upper surface of the substrate;
a thin film layer formed on the antenna pattern; and
It includes a diffraction grating pattern formed in a diffraction grating structure on the upper surface of the thin film layer to diffract the beam in the reverse voltage region of the antenna pattern into the forward voltage region,
The thickness of the thin film layer is determined based on the angle of incidence of the diffraction grating pattern and the period of the antenna pattern,
The diffraction grating pattern is formed on the upper surface of the thin film layer at a position corresponding to the reverse voltage region,
In the antenna pattern, the first electrode and the second electrode are composed of one unit grid, and a plurality of unit grids constitute a plurality of rows,
A reverse voltage area or a forward voltage area is located between the plurality of rows,
The antenna pattern has at least one of a Shifted Nano-Gap (SNG) structure, a Nano-Gap (NG) structure, and a Nano-Electrode (NE) structure,
A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, wherein the diffraction grating pattern is formed on an upper portion of a reverse voltage area located between a plurality of rows of the antenna pattern.
상기 제1 전극은, 제1 방향으로 확장된 제1 라인 패턴, 상기 제1 라인 패턴과 연결되고 상기 제1 방향과 교차된 제2 방향으로 확장된 복수의 제2 라인 패턴들, 및 상기 제1 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장되며 상기 복수의 제2라인 패턴들의 사이에 위치되고 상기 제2 라인 패턴들에 비해 긴 길이를 갖는 복수의 제3 라인 패턴들을 포함하며,
상기 제2 전극은, 상기 제1 방향으로 확장된 제4 라인 패턴, 상기 제4 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장된 복수의 제5 라인 패턴들, 및 상기 제4 라인 패턴과 연결되고 상기 제2 방향으로 확장되며 상기 복수의 제5 라인 패턴들의 사이에 위치되고 상기 제5 라인 패턴들에 비해 긴 길이를 갖는 복수의 제6 라인 패턴들을 포함하며, 상기 제1 전극과 마주하여 배치된 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
According to paragraph 1,
The first electrode includes a first line pattern extending in a first direction, a plurality of second line patterns connected to the first line pattern and extending in a second direction crossing the first direction, and the first line pattern extending in a first direction. a plurality of third line patterns connected to a line pattern, extending in the second direction, positioned between the plurality of second line patterns, and having a longer length than the second line patterns;
The second electrode includes a fourth line pattern extended in the first direction, a plurality of fifth line patterns connected to the fourth line pattern and extended in the second direction, and connected to the fourth line pattern, extending in the second direction, comprising a plurality of sixth line patterns located between the plurality of fifth line patterns and having a longer length than the fifth line patterns, and disposed facing the first electrode. A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, characterized in that.
상기 안테나 패턴은, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 소정 거리 이격하여 일정 주기로 교대로 형성되고,
상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 역전압 영역 또는 순전압 영역이 위치하는 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
According to paragraph 1,
The antenna pattern is formed by alternating the first electrode and the second electrode at regular intervals with a predetermined distance apart,
A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, characterized in that a reverse voltage area or a forward voltage area is located between the first electrode and the second electrode.
상기 박막층은 폴리머 또는 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
According to paragraph 1,
A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, wherein the thin film layer is formed of polymer or dielectric.
상기 회절 격자 패턴은, 유전체로 형성된 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
According to paragraph 1,
A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, wherein the diffraction grating pattern is formed of a dielectric.
상기 회절 격자 패턴의 입사각은, 상기 빔의 파장 및 격자 구조의 주기에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 대구경 어레이형 테라헤르츠 광전도 안테나.
According to paragraph 1,
A large-diameter array-type terahertz photoconductive antenna, characterized in that the angle of incidence of the diffraction grating pattern is determined based on the wavelength of the beam and the period of the grating structure.
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KR1020190115304A KR102666357B1 (en) | 2019-09-19 | Large caliber array type terahertz photoconductive antenna |
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KR20210033698A KR20210033698A (en) | 2021-03-29 |
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JP2016164974A (en) | 2015-02-26 | 2016-09-08 | キヤノン株式会社 | Photoconductive element, method for manufacturing the same, and measuring apparatus |
KR101720434B1 (en) | 2015-11-10 | 2017-03-28 | 한국과학기술원 | Photonic phased array antenna |
KR101924890B1 (en) * | 2017-09-28 | 2018-12-04 | 광주과학기술원 | Optical Phased Array Antenna and LiDAR Having The Same |
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