KR20110091060A

KR20110091060A - 테라헤르츠 스펙트럼 분석기

Info

Publication number: KR20110091060A
Application number: KR1020100010694A
Authority: KR
Inventors: 이대수; 김영찬
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2011-08-11
Also published as: KR101092484B1

Abstract

본 발명은 THz 스펙트럼 분석기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절대 주파수 및 절대 출력 측정을 기반으로 보다 정확도를 높일 수 있는 THz 스펙트럼 분석기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 로컬 오실레이터로서의 THz 주파수 빗과 헤테로다인 검출기로서의 THz 검출기를 이용한 광 헤테로다인 검출 방식을 통하여 THz 파의 절대 주파수를 측정하는 절대 주파수 측정부와; THz 검출기를 이용하여 THz 파의 절대 출력을 측정하는 절대 출력 측정부; 로 구성하여, 상기 절대 주파수 및 절대 출력을 기반으로, THz 연속파의 출력 스펙트럼을 얻어낼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기를 제공한다.

Description

테라헤르츠 스펙트럼 분석기{terahertz spectrum analyzer}

본 발명은 테라헤르츠(terahertz, THz) 스펙트럼 분석기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절대 주파수(absolute frequency) 및 절대 출력(absolute power) 측정를 기반으로 보다 정확도를 높일 수 있는 THz 스펙트럼 분석기에 관한 것이다.

THz 파 과학기술이 발전됨에 따라, 광 주파수 분야에서처럼 THz 주파수 및 출력에 대한 정확한 측정이 요구되고 있고, 특히 계측학(metrology) 분야에서 절대 주파수 및 출력 측정은 중요한 문제가 되고 있다.

광 주파수 측정에 대한 많은 결과물들이 보고되고 있는 반면, THz 분야에서의 주파수 측정에 대한 결과물들은 별로 많지 않는 바, 기존의 푸리에 변환 분광계(Fourier-transform spectrometer) 이외에, 파브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot interferometer) 및 볼로미터 검출기(bolometer detector)를 이용한 THz 분광계가 보고된 바 있으며, 이러한 분광계는 측정 결과로부터 THz 스펙트럼을 얻기 위하여 푸리에 변환 및 알고리즘을 필요로 하는 단점이 있다.

최근에는 THz 주파수 빗(THz frequency comb) 및 광전도 안테나(photoconductive antenna)를 이용하여 THz 연속파의 절대 주파수 및 스펙트럼 형상이 측정되고, 또한 THz Radiometry에 대한 연구가 지속되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 반복 주파수에 의하여 규칙적으로 분리되는 주파수 지점에서 매우 안정적인 다수개의 로컬 오실레이터(local oscillator)로 구성되어 주파수 자(frequency ruler)로서의 기능을 하게 되는 THz 주파수 빗과, 헤테로다인 검출기(heterodyne detector)로서 THz 검출기를 이용하는 광 헤테로다인 검출(optical heterodyne detection) 방식에 의해 THz 파의 절대 주파수를 측정하고, 상기의 THz 검출기에 의해 THz 파의 절대 출력을 측정함으로써, 절대 주파수 및 출력 측정를 기반으로 하는 정밀한 THz 스펙트럼 분석기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 로컬 오실레이터로서의 THz 주파수 빗과 헤테로다인 검출기로서의 THz 검출기를 이용한 광 헤테로다인 검출 방식을 통하여 절대 주파수를 측정하는 절대 주파수 측정부와; 상기의 THz 검출기를 이용하여 측정될 THz 파의 절대 출력을 측정하는 절대 출력 측정부; 로 구성하여, 상기 절대 주파수 및 절대 출력을 기반으로, THz 연속파의 출력 스펙트럼을 얻어낼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 절대 주파수 측정부는: 광 주파수 빗(optical frequency comb)을 생성하는 펨토초 레이저와; 펨토초 레이저로부터 나오는 반복 주파수가 안정화된 펨토초 광 펄스(광 주파수 빗)을 입력받아 안정화된 THz 주파수 빗을 발생하는 THz 주파수 빗 발생기와; 상기 THz 주파수 빗과 측정될 THz파를 결합하는 THz 빔 결합기(THz beam combiner)와; THz 빔 결합기에서 결합된 THz 파를 검출하는 THz 검출기와; 상기 THz 검출기에 의해 검출되는 헤테로다인 비트 신호의 스펙트럼을 측정하는 라디오 주파수(radio frequency, RF) 스펙트럼 분석기와; 상기 펨토초 레이저의 반복 주파수를 광 검출기를 통해 측정하는 주파수 계수기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펨토초 레이저의 반복 주파수는 주파수 표준기를 기준으로 하는 신호 발생기의 가변 기준 주파수에서 안정화되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 절대 주파수 측정부는: 상기 펨토초 레이저의 반복 주파수를 안정화시키는 반복 주파수 안정화 장치와; 상기 펨토초 레이저로부터의 광 주파수 빗 신호를 상기 반복 주파수 안정화 장치로 전달하는 광 검출기; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 절대 출력 측정부는: 측정될 THz 파의 출력을 측정하는 상기 THz 검출기외에, 측정될 THz 파를 변조시키는 초퍼(chopper)와; 상기 THz 검출기에 의하여 검출된 THz 파를 측정하는 락-인 증폭기(lock-in amplifier); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 로컬 오실레이터로서의 THz 주파수 빗과 헤테로다인 검출기로서의 THz 검출기를 이용한 광 헤테로다인 검출 방식을 통하여 절대 주파수를 측정하고, THz 검출기를 이용하여 절대 출력을 측정하는 과정을 통하여, THz 연속파의 스펙트럼을 얻어낼 수 있어, 보다 정밀한 THz 스펙트럼 분석기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 THz 스펙트럼 분석기를 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명의 THz 스펙트럼 분석기에 의하여 측정된 336.168 GHz 주변의 THz 연속파의 출력 스펙트럼.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 THz 스펙트럼 분석기를 나타내는 개략도이다.

본 발명은 THz 주파수 빗 및 THz 검출기를 이용한 광 헤테로다인 검출 방식에 의한 절대 주파수 측정과, THz 검출기를 이용한 절대 출력 측정을 통하여, THz 연속파의 스펙트럼이 절대 주파수 및 출력을 기반으로 측정되는 정밀한 THz 스펙트럼 분석기를 제공하고자 한 것이다.

이를 위해, THz 파의 절대 주파수를 측정하기 위해 광 헤테로다인 검출 방식을 사용하게 되고, 안정화되는 THz 주파수 빗이 로컬 오실레이터로서 사용되고, THz 검출기가 헤테로다인 검출기로서 사용된다.

본 발명에 따르면, 로컬 오실레이터로서 안정화된 THz 주파수 빗을 채택하게 되는데, 이는 안정화된 반복 주파수를 갖는 펨토초 레이저(10)에 의하여 조사된 광 주파수 빗을 입력받는 THz 주파수 빗 발생기(40)에서 만들어지게 된다.

즉, 반복 주파수가 안정화된 펨토초 레이저(10)를 사용하여 THz 주파수 빗 발생기에 의하여 발생되는 안정화된 THz 주파수 빗이 로컬 오실레이터로 사용된다.

상기 펨토초 레이저(10)로부터의 광 주파수 빗은 f _m = mf _r +f _ceo 의 주파수를 갖는 여러 모드들로 구성되며, m은 정수이고, f _r 은 반복 주파수이며, f _ceo 는 캐리어-인벨롭 옵셋 주파수(carrier-envelop offset frequency)이다.

이때, 상기 펨토초 레이저(10)로부터의 광 주파수 빗에 의해, f _n = nf _r 의 주파수를 갖는 여러 모드들로 구성되는 THz 주파수 빗이 생성되며, 이때 n은 정수이다.

따라서, 펨토초 레이저(10)의 반복 주파수만을 안정화하여, 상기 THz 주파수 빗의 주파수를 안정화할 수 있는 바, 이에 펨토초 레이저(10)로부터의 광 주파수 빗을 광 검출기(PD1)로 검출하여, 그 검출신호를 반복 주파수 안정화 장치(12)로 입력하여, 반복 주파수 안정화 장치에 의해서 펨토초 레이저(10)의 안정적인 반복 주파수가 구현된다.

이때, 주파수 표준기(16)에 동기화되는 신호 발생기(14)의 가변 기준 주파수 신호가 상기 반복 주파수 안정화 장치(12)로 입력되고, 상기 반복 주파수가 기준 주파수에 안정화되어, 결국 상기 THz 주파수 빗은 주파수 표준기(16)와 동일한 주파수 안정도를 갖는다. 주파수 표준기(16)로서 루비듐(Rb) 주파수 표준기 또는 수소 메이저(Hydrogen Maser)를 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, THz 주파수 빗 발생기(40)에서 생성되는 상기 THz 주파수 빗이 THz 빔 결합기(18)로 들어가고, 동시에 측정될 THz 파가 THz 빔 결합기(18)로 들어가서, THz 주파수 빗과 측정될 THz 파가 THz 빔 결합기(18)에 의하여 결합되고, 결합된 THz 파는 THz 검출기(22)에 의하여 검출된다.

이때, 상기 THz 주파수 빗 발생기(40)로는 광전도 안테나, 비선형 광결정, 또는 반도체를 사용할 수 있고, THz 검출기(22)로는 볼로미터를 사용할 수 있다.

한편, THz 검출기(22)에 의해 검출된 THz 주파수 빗과 측정될 THz 파 사이의 헤테로다인 비트 신호의 스펙트럼은 RF 스펙트럼 분석기(24)에 의하여 측정되고, 동시에 상기 반복 주파수가 광 검출기(PD2)를 통해 주파수 계수기(26)에 의하여 측정되는 바, 상기 RF 스펙트럼 분석기(24) 및 주파수 계수기(26)는 주파수 표준기(16)에 동기화된다.

즉, 상기 THz 검출기(22)를 통해 측정된 파형(검출된 비트 신호의 스펙트럼)이 전치 증폭기(30)에서 증폭되고, 이 증폭된 비트 신호가 RF 스펙트럼 분석기(24)에서 측정되며, 이때 펨토초 레이저(10)의 반복 주파수가 광 검출기(PD2)를 통해 주파수 계수기(26)에서 측정된다.

상기 THz 파와 THz 주파수 빗의 여러 모드 사이의 많은 비트 신호 중에 상기 THz 파에 가장 근접한 THz 주파수 빗 모드에 기인하는 비트 신호만이 THz 검출기(22)와 전치증폭기(30)에 의하여 결정된 검출 대역에서 측정된다.

한편, 상기 THz 파의 절대 주파수는 f _THz = Nf _r ±f _b 에 의하여 비트 주파수(f _b )와 관련되는 바, f _THz 는 THz 파의 절대 주파수이고, N은 THz 파에 가장 근접한 빗 모드(comb mode)를 지시하는 정수이다.

서로 다른 반복 주파수 f _r 과 f _r +Δf _r 에서 측정되는 비트 주파수 f _b 와 f _b +Δf _b 로부터, 하기의 수학식 1에 의하여 절대 주파수를 알아낼 수 있다.

본 발명의 THz 스펙트럼 분석기를 통해 THz 연속파가 용이하게 측정될 수 있다. 첨부한 도 2는 1Hz의 분해능 대역폭(resolution bandwidth, RBW) 및 1Hz의 주파수 간격에서 측정되어진 비트 신호의 스펙트럼으로서, 상기 설명된 바에 따라서 절대 주파수(하부의 수평축)에 의하여 표현된 THz 연속파의 출력 스펙트럼이다.

본 발명에 따르면, 절대 출력에 의하여 출력 스펙트럼을 표현하고자, THz 파의 총 절대 출력이 THz 검출기(22)를 이용하여 직접 측정된다. 상기 THz 검출기(22)는 반응도(responsivity)를 가지고 있어야 한다. 더욱 정확한 출력 측정을 위하여 초퍼(20)에 의하여 기계적으로 변조되는 THz 파가 THz 검출기(22)에 의하여 검출되고, 전치 증폭기(30)에 의해 증폭된다. 이때 검출된 신호는 락-인 증폭기(32)에 의하여 측정된다.

상기 THz 파의 총 절대 출력은 P _THz = V/ΓG에 의하여 평가되는 바, P _THz 는 총 절대 출력을, V는 락-인 증폭기로부터 측정된 값, Γ는 THz 검출기(22)의 반응도, G는 전치 증폭기(30)의 이득을 나타낸다.

상기 THz 파의 절대 출력은 P _THz = RP _b /2Γ ² G ² P _N 에 의하여 비트 신호의 출력와 선형적으로 연관되는 바, R은 저항, P _b 은 비트 신호의 출력, P _N 은 비트 신호에 관계되는 N-th 빗(comb) 모드의 절대 출력을 나타낸다.

따라서, 상기 도 2의 출력 스펙트럼은 우측 수직축에 도시된 바와 같이, 주파수-통합 출력이 상기 총 절대 출력(P _THz )과 같은 값이 되도록 표현될 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따르면 절대 주파수 및 절대 출력으로 표현되는 THz 파의 출력 스펙트럼을 얻을 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따르면 절대 주파수 및 절대 출력 측정을 기반으로 하여, 절대 주파수 및 출력으로 표현되는 THz 연속파의 출력 스펙트럼을 높은 정밀도로 측정할 수 있는 THz 스펙트럼 분석기를 제공할 수 있다.

10 : 펨토초 레이저 12 : 반복 주파수 안정화 장치
14 : 신호 발생기 16 : 주파수 표준기
18 : THz 빔 결합기 20 : 초퍼
22 : THz 검출기 24 : RF 스펙트럼 분석기
26 : 주파수 계수기 30 : 전치 증폭기
32 : 락-인 증폭기 40 : THz 주파수 빗 발생기
PD1, PD2 : 광 검출기

Claims

로컬 오실레이터로서의 THz 주파수 빗과 헤테로다인 검출기로서의 THz 검출기를 이용한 광 헤테로다인 검출 방식을 통하여 절대 주파수를 측정하는 절대 주파수 측정부와;
THz 검출기를 이용하여 절대 출력을 측정하는 절대 출력 측정부;
로 구성하여,
상기 절대 주파수 및 절대 출력을 기반으로, THz 연속파의 출력 스펙트럼을 얻어낼 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 1에 있어서, 상기 절대 주파수 측정부는:
안정화된 반복 주파수를 갖는 펨토초 레이저(10)와;
안정화된 반복 주파수를 갖는 펨토초 레이저로부터 조사된 광 주파수 빗을 입력받아 안정화된 THz 주파수 빗을 생성하는 THz 주파수 빗 발생기(40)와;
상기 THz 주파수 빗과 측정될 THz 파를 결합하는 THz 빔 결합기(18)와;
THz 빔 결합기(18)에서 결합된 THz 파를 검출하는 THz 검출기(22)와;
상기 THz 검출기(22)를 통해 검출된 비트 신호의 스펙트럼을 측정하는 RF 스펙트럼 분석기(24)와;
상기 펨토초 레이저의 반복 주파수를 광 검출기(PD2)를 통해 측정하는 주파수 계수기(26);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 2에 있어서,
상기 펨토초 레이저(10)의 반복 주파수는 주파수 표준기(16)를 기준으로 하는 신호 발생기(14)의 가변 기준 주파수에서 안정화되는 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 2에 있어서, 상기 절대 주파수 측정부는:
상기 펨토초 레이저(10)의 반복 주파수를 상기 신호 발생기(14)의 가변 기준 주파수에 안정화시키는 반복 주파수 안정화 장치(12)와;
이를 위해 상기 펨토초 레이저(10)로부터의 광 주파수 빗 신호를 상기 반복 주파수 안정화 장치(12)로 전달하는 광 검출기(PD1);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 2에 있어서,
상기 RF 스펙트럼 분석기(24)와 상기 주파수 계수기(26)가 주파수 표준기(16)와 동기화되는 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 2에 있어서,
상기 THz 주파수 빗 발생기(40)는 광전도 안테나, 비선형 광결정, 또는 반도체인 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 1에 있어서, 상기 절대 출력 측정부는:
측정될 THz 파를 변조시키는 초퍼(20)와;
변조된 THz 파를 검출하는 THz 검출기(22)와;
상기 THz 검출기(22)에 의하여 검출된 신호로부터 THz 파를 측정하는 락-인 증폭기(32);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 7에 있어서,
상기 THz 검출기(22)는 반응도를 갖는 것임을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.
청구항 7에 있어서,
상기 THz 검출기(22)는 볼로미터인 것을 특징으로 하는 THz 스펙트럼 분석기.