KR20120030186A - 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기들 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법 - Google Patents

주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기들 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기는, 하나의 기판에 제작된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖고, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하는 듀얼 파장 레이저, 및 상기 출력된 광신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하는 광학기를 포함한다. 본 발명에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법은, 초소형으로 제작가능하고, 제작 비용을 크게 줄일 수 있다.

Description

주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기들 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법{FREQUENCY TUNABLE THZ TRANSCEIVERS AND MANUFACTURING METHOD OF DUAL WAVELENGTH LASER}
본 발명은 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법에 관한 것이다.
테라헤르츠파 대역(0.1THz ~ 3THz) 은 비금속 및 무극성 물질을 투과하는 특성을 가질 수 있다. 또한, 매우 다양한 분자들의 공진주파수가 테라헤르츠파 대역에 분포하고 있어 이들 분자들을 비 파괴, 미 개봉, 비 접촉 방법으로 실시간으로 식별함으로써 의료, 의학, 농업식품, 환경계측, 바이오, 첨단재료평가 등에서 지금까지 없었던 신개념의 분석기술 제공이 가능할 것으로 예측되고 있다. 따라서, 테라헤르츠파는 매우 다양한 응용의 확대가 급속히 진행되고 있다. 테라헤르츠파는 수 meV수준의 매우 낮은 에너지로 인체에 영향이 거의 없으며, 인간중심의 유비쿼터스 사회 실현의 필수 핵심기술로 수요가 급격히 증가하고 있으나 실시간, 포터블, 저가격 등을 동시에 만족할만한 기술이 개발되지 않고 있는 실정이다.
현재까지 이용 중에 있는 테라 헤르츠 파 발생 방법으로는 주파수배가법, 후진파 발진기(backward wave oscillator), 포토믹싱 (photomixing)방법, CO2 pumped 가스레이저, 양자 폭포 레이저(quantum cascade laser), 자유 전자 레이저(free electron laser) 등 매우 다양한 기술 등이 있다. THz갭 영역이라고도 하는 0.1 ~ 10THz 주파수 대역에서 동작하는 파원 개발에 많은 연구들이 진행되고 있으나, 상용화에 필수적인 초소형, 비냉각, 고출력 조건을 갖는 적절한 파원 기술이 현재까지는 성숙되지 못한 상황이다. 또한 넓은 주파수 대역에서 빠른 속도로 테라헤르츠파를 가변할 수 있는 기술이 없었다. 넓은 주파수 대역에서 빠른 속도로 테라헤르츠파를 가변하면 실시간으로 테라헤르츠파 대역에서의 여러 가지 물리적 현상들을 모니터링할 수 있게 된다.
최근까지 가장 광범위하게 이용된 테라헤르츠파 장치는 펨토초급 초단 펄스레이저를 초고속 응답속도를 가지는 반도체 기반 광전도 안테나(photoconductive antenna)에 조사시켜 THz파를 발생시키고 검출하는 TDS(Time Domain Spectroscopy) 장치이다. 펨토초급의 펄스레이저 및 광전도 안테나로 구성된 테라헤르츠파 장치는 높은 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 제공하는 등의 장점이 있으나 펨토초급 펄스레이저 및 매우 정교한 광학기를 필수적으로 요구하고 있어 가격과 크기 면에서 포터블 개념의 계측기로 발전하기에는 많은 제한이 따른다.
본 발명의 목적은 초소형의 듀얼 파장 레이저를 갖는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기는, 하나의 기판에 제작된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖고, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하는 듀얼 파장 레이저; 및 상기 출력된 광신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하는 광학기를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은, 광신호를 발생하는 활성층; 상기 활성층에 커플링되고, 굴절률에 따라 상기 발생된 광신호를 발진하는 블래그 회절 격자; 및 상기 활성층으로부터 출력된 광신호를 상기 광학기로 출력하는 수동 도파로를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 굴절률을 제어하기 위한 마이크로히터를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 마이크로히터로 상기 분포 궤환 레이저들 각각의 상기 굴절률을 국소적으로 제어하기 위하여 상기 분포 궤환 레이저들 사이에 열 확산 방지 영역을 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 분포 궤환 레이저들 각각의 활성층으로부터 출력되는 광신호는 하나의 수동 도파로를 통하여 출력된다.
실시 예에 있어서, 상기 분포 궤환 레이저들 각각의 활성층으로부터 출력되는 광신호는 대응하는 수동 도파로를 통하여 출력된다.
실시 예에 있어서, 단면 반사율을 낮추고, 광결합 효율을 높이기 위하여, 상기 분포 궤환 레이저들의 수동 도파로들은 서로 7도 기울어진다.
실시 예에 있어서, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 단면 반사율을 조절하기 위한 고반사막 혹은 무반사막을 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 활성층과 상기 수동 도파로는 단열적인 변화를 이용하여 결합된다.
실시 예에 있어서, 상기 활성층과 상기 수동 도파로는 버트 커플링(Butt coupling)을 이용하여 결합된다.
실시 예에 있어서, 상기 활성층과 상기 수동 도파로 사이의 단면에서 발생하는 내부 반사율을 제어하기 위하여 결합 각도가 조절된다.
실시 예에 있어서, 상기 수동 도파로는 직선 및 밴드 구조이다.
실시 예에 있어서, 상기 광학기는, 상기 듀얼 파장 레이저로부터 출력되는 상기 광신호들을 결합하는 렌즈; 및 상기 결합된 광신호들을 입력받아 상기 테라헤르츠파를 발생하는 포토믹서를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 포토믹서는, 외부로부터 입력된 테라헤르츠파를 검출한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기는, 하나의 기판에 제작된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖고, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하는 듀얼 파장 레이저; 상기 출력된 광신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하거나, 외부로부터 입력된 테라헤르츠파를 검출하는 광학기; 및 상기 광학기로부터 검출된 테라헤르츠파를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 광학기는, 상기 출력된 광신호들을 결합하는 렌즈; 상기 렌즈에 결합된 신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하는 제 1 포토믹서; 및 외부로부터 입력되는 테라헤르츠파를 검출하는 제 2 포토믹서를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 하나의 기판에 제작된 두 개의 독립적인 분포 궤환 레이저들을 갖는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법은; 상기 기판 위에 하부 클래드 층을 형성하고, 상기 하부 클래드층 사이에 하부 격자층을 개재하고, 상기 하부 클래드층 상부에 활성층을 형성하고, 상기 하부 클래드층 사이에 하부 회절 격자층을 개재하고, 상기 활성층 상부에 상부 클래드층을 형성하고, 상기 상부 클래드층 사이에 회절 격자층을 개재하는 단계; 상기 하부 회절 격자층 및 상기 상부 회절 격자층을 식각하여 회절 격자를 제작하는 단계; 상기 활성층과 수동 도파로를 집적화시키는 단계; 및 상기 상부 클래드층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 회절 격자층을 상기 하부 클래드층 하부에 개재하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 회절 격자층은 단일파장 발진이 용이한 홀로 그래피 및 전자선 리소그래피로 형성한다.
실시 예에 있어서, 상기 활성층과 상기 상부 클래드층 사이에 상기 활성층보다 작은 밴드갭 파장을 갖는 제 1 분리한정 헤테르층을 형성하고, 상기 활성층과 상기 하부 클래드층 사이에 상기 활성층보다 작은 밴드갭 파장을 갖는 제 2 분리한정 헤테르층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 회절 격자를 홀로그래피 및 전자선 리소그래피로 제작한 후에, 상기 회절 격자 상부에 상기 상부 클래드층과 동일한 물질로 재성장시킴으로써 평단화 과정을 수행하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 수동 도파로를 집적화시킨 후에, 상기 상부 클래드층 상부에 p형 반도체층을 성장시키는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는, 상기 p형 반도체층 상부에, 하부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상부에 리소그래피 기법을 이용하여 마이크로히터를 제작하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기 및 듀얼 파장 레이저의 제작 방법은, 초소형으로 제작가능하고, 제작 비용을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 시간 도메인 분광 시스템을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 분광 시스템을 통하여 얻은 데이터를 보여주는 도면이다.
도 3은 주파수 도메인 분광 시스템을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 마이크로히터 집적형 듀얼 모드 레이저를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 집적형 듀얼 파장 레이저와 광학기로 구성된 테라헤르츠파 발생을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 독립된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖는 듀얼 파장 레이저를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 1x2 결합기가 집적된 듀얼 파장 레이저를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 주파수 가변형 연속발진 테라헤르츠 송수신기를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 파장 레이저의 측면을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10 내지 도 15는 도 9에 도시된 듀얼 파장 레이저의 제작 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1은 일반적인 시간 도메인 분광 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 시간 도메인 분광 시스템을 통하여 얻은 데이터를 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 시간 도메인 분광 시스템(10)은 펨토초 레이저(11)를 이용하여 테라헤르츠파를 발생 및/혹은 검출한다. 시간 도메인 분광 시스템(10)은 펨토 초급의 게이팅 시간 동안만 데이터를 획득하는 호모다인(homodyne) 검출법을 이용하여 높은 신호대잡음비(SNR)을 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
펨토초 레이저(11)로부터 출력되는 광신호는 제 1 미러(M1)에 의하여 경로가 변경된다. 제 1 미러(M1)에서 반사된 펨토초 레이저(11)의 광신호는 빔 스플리터(beam splitter:BS)로부터 둘로 나뉜다. 여기서, 나뉘어진 하나의 광신호는 제 2 미러(M2)를 통하여 테라헤르츠파 발생기(12)로 입사된다. 그리고, 나뉘어진 나머지 광신호는 적절한 시간지연을 갖고 테라헤르츠파 검출기(16)로 입사된다.
테라헤르츠파 발생기(12)는 제 2 미러(M2)로부터 입사된 광신호를 이용하여 테라헤르츠파를 발생한다. 테라헤르츠파 발생기(12)에서 발생된 테라헤르츠파는 제 1 집속 렌즈(13)를 통하여 시료(14)에 집속된다. 한편, 시료(14)를 통과한 테라헤르츠파는 제 2 집속 렌즈(15)를 통하여 테라헤르츠파 검출기(16)에 입사된다. 실시 예에 있어서, 테라헤르츠파 발생기(12)는 광전도 안테나일 수 있다.
테라헤르츠파 검출기(16)는 제 4 미러(M4)로부터 입사된 광신호를 이용하여 테라헤르츠파를 검출한다. 실시 예에 있어서, 테라헤르츠파 검출기(16)는 광전도 안테나일 수 있다. 시간 지연은 지연라인(delay line, 17)을 이용하여 수행될 수 있다. 지연라인(17)의 출력 신호는 제 3 미러(M3) 및 제 4 미러(M4)를 통하여 테라헤르츠파 검출기(16)에 입사된다. 테라헤르츠파 검출기(16)는 시간지연에 의존하는 전기 신호를 발생시킨다.
데이터 처리기(18)는 테라헤르츠파 검출기(16)의 전기 신호를 획득한다. 즉, 데이터 처리기(18)는 지연 시간에 의존하는 데이터를 테라헤르츠파 검출기(16)로부터 획득하고, 이를 FFT(Fast Fourier Transform)변환하여 테라헤르츠파의 스펙트럼을 확보한다. 실시 예에 있어서, 데이터 처리기(18)는 고속 A/D 변환기 혹은 고속 오실로스코프일 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 시간지연에 따른 전기 신호는 FFT변환되어 테라헤르츠파의 스펙트럼을 제공할 수 있다. 시간 도메인 분광 시스템(10)에서 테라헤르츠파를 발생 및 검출하는 광학 장치들(12, 16)은 펨토초 레이저(11)로부터 발생된 광신호를 반도체에 조사시켜 발생된 캐리어의 가속에 의한 전자기파의 발생으로 비교적 쉽게 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 시간 도메인 분광 시스템(10)은 펨토초급의 게이팅 시간을 호모다인 검출법을 이용함으로써 높은 SNR을 확보할 수 있다.
상술 된 바와 같이, 시간 도메인 분광 시스템(10)은 발진파장 800nm대역의 펨토초 레이저(11)로부터 발생된 광신호를 둘로 나누어 이용한다. 예를 들어, 하나는 테라헤르츠파 발생기(12)에 입사시켜 테라헤르츠파 발생에 이용하고, 다른 하나는 적절한 시간지연을 갖고 테라헤르츠파 검출기(16)에 입사된다.
그런데, 시간 도메인 분광 시스템(10)은 테라헤르츠파의 실제 응용을 위해서 지연 시간에 대응하는 정보를 수집해야 하고, 이러한 정보를 FFT 함으로써 데이터 처리에 시간 지연을 피할 수 없다. 이에 따라, 시간 도메인 분광 시스템(10)은 크기 및 고가격을 제외하고도, 실시간 개념의 테라헤르츠 파원 개발에 제한된다.
테라헤르츠 시간 도메인 기반의 분광 시스템의 단점을 극복하고 분자지문(molecular fingerprinting) 분석을 통한 유해물질 검출, 신소재 특성 측정, 농수산물의 신선도 측정 등 매우 다양한 영역에서 점차 수요가 증가할 것으로 예측되는 주파수 도메인(Frequency Domain: FD)기반의 분광 시스템이 개발되고 있다.
주파수 도메인 분광 시스템은, 도 1 및 도 2에 도시된 시간 도메인 분광 시스템(10)과 달리 고출력의 각기 다른 파장을 갖는 두 개의 주파수 가변형 레이저들을 초고속 응답속도를 갖는 반도체 기판상에 안테나를 집적하고, 출력되는 광신호들을 전압 인가된 포토믹서에 조사시킴으로 주파수 가변형 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
도 3은 주파수 도메인 분광 시스템(20)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 주파수 도메인 분광 시스템(20)은 시간 도메인 분광 시스템(10, 도 1 참조)에서 요구되는 고가의 펨토초 레이저(11, 도 1 참조)가 사실상 필요 없다. 이에 따라, 주파수 도메인 분광 시스템(20)에서는 제조 가격이 현저하게 낮고, 초소형의 반도체 레이저를 이용함으로써 초소형 테라헤르츠파 발생 시스템 개발이 가능하다.
다만, 주파수 도메인 분광 시스템(20)은, 두 개의 레이저들(21, 22)의 발진광들의 비팅(beating)에 따라 테라헤르파가 발생함으로써 비팅의 최대 전력이 시간 도메인 분광 시스템(10)과 비교하여 현저하게 낮다. 이 때문에 주파수 도메인 분광 시스템(20)은 낮은 테라헤르츠파의 출력을 갖는다. 게다가, 주파수 도메인 분광 시스템(20)은 연속파 주입에 따른 열적으로 안정적인 포토믹서(23)를 이용해야 하는 단점을 갖는다.
또한, 주파수 도메인 분광 시스템(20)은 여기 광 파장을 효율적으로 흡수할 수 있는 물질로 포토믹서(23)내의 포토컨덕티브 스위치(photoconductive switch)를 포함해야 한다. 장파장 대역일 때, 흡수 물질로 인화인듐(이하, 'InP')이 이용되고, 0.8㎛ 대역의 단파장 일 때 흡수 물질로 비소화갈륨(이하, 'GaAs')이 이용된다.
그런데, InP 반도체가 갖는 밴드갭이 GaAs과 그것과 비교하여 작다. 이 때문에, 정밀한 닥크 커런트(dark current) 제어가 필요하다. 포토믹서 차원에서 GaAs 반도체와 비교하여 InP 반도체가 많은 단점을 갖으나, 광통신용 광부품, 즉 광증폭기, 레이저, 스위치, 필터 등을 직접적으로 이용이 가능하다는 장점때문에 이에 대한 연구가 활발하다. 장파장 포토믹서 개발에 많은 노력을 하는 이유는, 상술 된 바와 같이 통신용으로 잘 개발된 모든 기능의 부품들을 저가로 쉽게 이용할 수 있고, 네트워크 기반의 테라헤르츠파 통신 시스템을 개발할 수 있기 때문이다.
주파수 도메인 분광 시스템(20)은 발생부 및 검출부를 포함하고, 전체 시스템의 효율은 테라헤르츠파 발생부 및 검출부의 신호대잡음비(SNR)로 결정된다. 이때 발생기의 낮은 출력은 검출기의 고감도로 충분히 해결될 수 있다. 테라헤르츠파 출력은 아래와 같은 수학식을 만족한다.
Figure pat00001
여기서, m은 모드간 중첩지수, P1, P2 각각의 광출력, P0 평균출력, Io는 dc 포토전류, RA는 안테나의 방사저항, c 및 τ는 포토컨덕티브의 정전용량 및 전하 수명 및 은 두 빔의 혼합효율을 나타낸다.
고효율의 테라헤르츠파 발생을 위해서 고출력 광원과 함께 포토믹서의 광전변환 효율에 영향을 미치는 변수들이 조절되어야 한다. 수학식 1에 도시된 바와 같이, 포토믹서(23)의 광전 변환 효율은 포토믹서의 높은 응답속도, 안테나 저항, 및 광원의 혼합비율 등에 영향을 받는다.
연속 주파수 가변 테라헤르츠파 발생에서 테라헤르츠파의 주파수(f)와 여기 광원의 두 발진 파장 차이(Δλ)는 f=cΔλ /λ2 ) 관계를 갖는다. 여기 광인 두 개의 독립적인 레이저들(21,22) 각각의 발진파장 λ1 및 λ2에 해당하는 주파수 들(f1=c/λ1 f2=c/λ2) 차이에 따라 테라헤르츠파의 주파수(f)가 결정된다.
주파수 가변형 테라헤르츠파 발생기술에서는 여기 광원의 파장 가변 특성이 매우 중요하다. 1.5㎛ 파장영역에서 8nm/1THz 및 1.3㎛ 파장영역에서 5.6nm/1THz 파장가변 특성확보가 필수적이다. 이를 위한 모드간 발진 파장 차이가 큰 레이저 개발이 필요하다.
장파장 여기 광원을 이용할 때에는, 여기 광원의 발진 파장차이에 관한 넓은 가변범위를 확보하는 것이 중요하다. 또한, 단파장인 0.8㎛ 파장을 이용할 때에는 매우 좁은 파장차이에서 광대역의 테라헤르츠파 발생이 가능한 테라헤르츠 주파수 제어가 중요하다. 파장분할 선택기(Wavelength Division Multiplexer; WDM)기반의 광통신시스템에서 파장 가변 레이저의 중요성 및 그 가격이 고가로 이를 이용한 테라헤르츠파 발생에 많은 어려움이 있다.
일반적으로 발진 파장의 FWHM(Full width half maximum)이 kHz급의 두 개의 독립적인 파장 가변 레이저들을 이용함으로써 광대역 파장가변 특성과 함게 매우 좁은 발진 파장 선폭을 제공할 수 있으나, 독립적으로 각각 발진한 파장의 불안정화 및 파장 사이의 편광 조절, 패키징에 따른 제한적인 요소로 인하여 시스템의 가격이 상당히 높다.
이러한 시스템 한계를 극복하고자 단일 공진기 내에 이종 블래그 회절격자가 삽입되고, 이중 모드 레이저 발진 및 각각의 분포 궤환 영역(Distributed Feedback Area, DFB) 상단에 마이크로히터가 집적화될 수 있다.
도 4는 마이크로히터 집적형 듀얼 모드 레이저(30)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 마이크로히터 집적형 듀얼 모드 레이저(30)는 제 1 분포 궤환 영역(31), 제 2 분포 궤환 영역(32) 및 위상 조절 영역(33)을 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로히터 집적형 듀얼 모드 레이저(30)의 광대역 비팅 소스 확보 및 안정적인 듀얼 모드 발진을 얻기 위해서 위상 조절 영역(33)에 역전압(Vp)이 인가된다. 이에, 제 1 분포 궤환 영역(31)에서 발진하는 파장(λ1)이 위상 조절 영역(33)을 통과할 때 발생하는 내부 손실 때문에 고출력의 듀얼 모드 레이저 개발이 어렵다. 이를 효과적으로 해결하기 위해서 증폭기를 집적화시킬 수 있으나, 증폭 자연 방출(Amplified Spontaneous Emission, ASE) 노이즈 누적 등이 해결되어야 한다.
테라헤르츠파 발진을 위한 비팅소스의 주요 변수는 각각의 발진파장 안정도가 -140dB/Hz 수준 정도가 되어야 하고, SMSR(Side Mode Suppression Ratio)이 40dB 수준 이상일 때 각각의 광원의 편광 상태가 같아야 한다. 각각의 발진 광출력 및 두 파장 사이의 간격 가변이 쉬어야 한다.
이에, 본 발명에서는 마이크로히터가 집적된 두 개의 독립적인 분포 궤환 레이저들을 하나의 칩으로 구성하고, 이를 비팅 소스로 하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기(freuency tunable THz transceiver) 제공한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기(100)를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기(100)는 듀얼 파장 레이저(120) 및 광학기(140)를 포함한다.
듀얼 파장 레이저(120)는 두 개의 독립적인 분포 궤환 레이저들을 하나의 기판에 제작한다. 듀얼 파장 레이저(120)는 집적화된 단일소자와 같이 구동되지만, 단일 공진기와 같이 혼합 캐비티 모드(compound cavity mode) 제어를 필요로 하지 않고, 고출력의 광대역 비팅 소스를 쉽게 개발할 수 있다.
광학기(140)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 광출력들(λ1,λ2)을 직접적으로 임의의 형태의 렌즈(142)로 결합시키고, 결합된 광출력들(λ1,λ2)을 직접적으로 포토믹서(144)에 조사시킴으로써 테라헤르츠파를 발생시킨다. 한편, 광학기(140)는 광 결합이 최대가 되도록 조정가능하다.
본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기(100)는 두개의 분포 궤환 레이저들을 하나의 칩에 구현하고, 다양한 광결합 구성으로 구현되는 광학기(140)를 구비함으로써, 초소형으로 제작가능하다.
도 6는 도 5에 도시된 듀얼 파장 레이저(120)를 확대시킨 도면이다. 도 6을 참조하면, 듀얼 파장 레이저(120)는 제 1 및 제 2 활성층들(121a, 121b), 제 1 및 제 2 수동 도파로들((122a, 123a, 124a),(122b, 123b, 124b)), 제 1 및 제 2 블래그 회절 격자들(125a, 125b), 및 열 확산 방지 영역(126)을 포함한다.
제 1 활성층(121a)은, 사전에 결정된 광신호(λ1)을 발생하고, 이득을 제공하는 양자우물(quantum well) 구조를 갖는다. 제 2 활성층(121b)은, 사전에 결정된 광신호(λ2)을 발생하고, 이득을 제공하는 양자우물 구조를 갖는다. 제 1 활성층(121a) 및 제 2 활성층(121b)은 결정성장시 같은 MQW층이고, 제 1 도파로, 제 2 도파로층은 결정성장시 도파로 층으로 설계한 같은 층을 공유하고 있다. 소자 제작은 통상적인 BH(buried heterostructure)구조를 가지 수동도파로 결합형 레이저 다이오드 공정과 같다.
제 1 수동 도파로(122a, 123a, 124a)는 제 1 활성층(121a)로부터 출력된 광신호(λ1)을 외부(예를 들어, 광학기(140, 도 5참조)로 출력한다. 제 1 수동 도파로(122a, 123a, 124a)는 직선, 밴드 구조이다. 제 2 수동 도파로(122b, 123b, 124b)는 제 2 활성층(121b)로부터 출력된 광신호(λ2)을 외부로 출력한다.
제 1 블래그 회절 격자(125a)는 제 1 활성층(121a)에 커플링되고, 제 1 유효 굴절률에 따라 광신호(λ1)을 발진시킨다. 여기서 제 1 유효 굴절률은 마이크로히터(도시되지 않음)에 의해 제어된다.
제 2 블래그 회절 격자(125b)는 제 2 활성층(121b)에 커플링되고, 제 2 유효 굴절률에 따라 광신호(λ2)을 발진시킨다. 여기서 제 2 유효 굴절률은 마이크로히터에 의해 제어된다.
열 확산 방지 영역(126)은 마이크로히터로 제 1 및 제 2 블래그 회절 격자들(125a, 125b)의 유효 굴절률들을 국소적으로 제어하기 위하여 제 1 블래그 회절 격자(125a)와 제 2 블래그 회절 격자(125b) 사이에 형성된다. 열적 안정성을 확보하고 열확산 방지를 위하여 활성층보다 깊은 식각 깊이가 필요하고, 칩바 형성시 파손을 해결하기 위해 곡손형 형태가 활용될 것이다.
도 6에 도시되지 않았지만, 듀얼 파장 레이저(120)는 두 개의 독립적인 레이저들에서 마이크로히터로부터 활성층들(121a, 121b)로 전류 주입을 하기 위한 전극 및 단면 반사율 조절을 위한 HR(High-reflection) 혹은 AR(Antireflection) 질화물 막 등을 더 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 듀얼 파장 레이저(120)의 분포 궤환 레이저들 각각은 대응하는 수동 도파로들이 서로 분리된다. 그러나 본 발명이 반드시 여기에 한정될 필요는 없다. 본 발명에 따른 듀얼 파장 레이저의 분포 궤환 레이저들은 서로 결합된 수동 도파로를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 1x2 결합기가 집적된 듀얼 파장 레이저(120a) 도면이다. 도 7을 참조하면, 듀얼 파장 레이저(120a)는 1x2 결합기(124)를 포함한다. 실시 예에 있어서, 1x2 결합기(124)는 1x2 MMI(multimode interface) 결합기일 수 있다.
듀얼 파장 레이저(120a)는, 공간상의 렌즈(142, 도 5 참조)를 대신하여 광섬유와 결합되어 하나의 모듈로 집적될 수 있다. 즉, 하나의 모듈로 집적화된 테라헤르츠 송수신기가 개발될 수 있다. 이러한 테라헤르츠 송수신기는 1x2 광결합기 채택에 따른 3dB 광손실 및 분기점에서 발생할 수 있는 내부 반사 제어할 필요가 있다.
상술 된 수학식 1를 다시 참조하면, 두 모드간 중첩지수(m)을 1로 하는 것이 내부 반사 제어에 가장 유리하다. 도 7에 도시된 듀얼 파장 레이저(120b) 및 단일 공진기형 비팅 소스를 이용할 때, 중첩 지수는 자연스럽게 1이다. 그러나, 도 6의 듀얼 파장 레이저(120)에서는 중첩지수(m)가 1이 되도록 하기 위하여, 제 1 도파로(122a, 123a, 124a), 제 2 도파로(122b, 123b, 124b), 및 렌즈(142, 도 5 참조)를 구현할 때, 중첩지수(m)이 최대가 되도록 해야 한다. 이 때문에 광학기(140) 설계 외에도, 제 1 도파로(122a, 123a, 124a) 및 제 2 도파로(122b, 123b, 124b)의 방향, 및 칩 단면이 이루는 각도가 조절되어야 한다.
실시 예에 있어서, 도파로 각도를 조절함으로써 단면 반사율이 급격이 낮아지고, 동시에 광결합 효율이 극대화될 수 있다. 실시 예에 있어서, 단면 반사율 확보를 위해서 7도 기울어진 수동 도파로(124a/124b)가 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기(100)는 테라헤르츠파 발생부과 테라헤르츠파 검출부를 갖는 하나의 포토믹서(142)를 포함한다. 그러나 본 발명이 반드시 여기에 한정될 필요는 없다. 본 발명에 따른 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기는, 테라헤르츠파 발생부를 갖는 적어도 하나의 포토믹서 및 테라헤르츠파 검출부를 갖는 적어도 하나의 포토믹서를 포함할 수 있다.
한편, 포토믹서를 이용하여 테라헤르츠파를 검출할 때, 테라헤르츠파 발생부 및 테라헤르츠파 검출부 사이의 위상조절을 위하여 일부 빔이 절체될 수 있다. 이를 위하여 적절한 광학기 및 광섬유가 이용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 테라헤르츠 송수신기(200)의 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 테라헤르츠 송수신기(200)는 내부에 초소형인 듀얼 모드 레이저 및 듀얼 파장 레이저(220)를 비팅 소스로 하고, 이를 하나의 포토믹서(244)에 효율적인 광결합을 유도하기 위한 적절한 광학기(240)를 이용하고, 발생된 테라헤르츠파 검출을 위한 고저항 실리콘 렌즈(242)를 포토믹서(244)상에 물리적으로 결합한다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 송수신기(200)의 검출 동작은 다음과 진행된다. 광원부인 듀얼 파장 레이저(220)의 발진파장 l1 혹은 l2 어느 한 영역의 레이저 구동을 변조하면, 쉽게 변조된 광원이 얻어진다. 이로부터 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기가 개발될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 송수신기(200)는 주입전류 변조로 고속의 변조된 광원을 얻고, 이로부터 변조된 테라헤르츠파 발생을 유도 및 검출을 한 개의 모듈로 측정하고, 얻어진 광신호를 디지털로 처리 통신으로 정보를 전달하고, 측정하고자 하는 시료에 직접 이동하여 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 송수신기(200)는 배터리 구동 고효율을 가짐으로써 스탠드-오프(Stand-off) 기술을 구현가능하다.
도 9는 본 발명에 따른 듀얼 파장 레이저의 측면을 예시적으로 보여주는 도면이다. 아래에서는 설명의 편의를 위하여 듀얼 파장 레이저는 도 6에 도시된 듀얼 파장 레이저(120) 중 일부(예를 들어, 분포 궤환 레이저)에 대한 절단면이라고 가정하겠다. 도 9를 참조하면, 듀얼 파장 레이저는, 하부 클래드층(111), 활성층(111, 도 6의 121b), 수동 도파로(113, 도 6의 122b), 상부 클래드층(114), 회절 격자(115, 도 6의 125b), p형 InGaAs 층(116), 하부 전극(117), 절연막(118) 및 마이크로히터(119)를 포함한다. 또한 회절격자(115)는 하부 클래딩층 아래에 그림과 대칭으로 개재 할 수 있다. 회절격자의 활성층 하부 및 상부는 소자 제작 공정중 선택할 수 있다. 실시 예에 있어서, 상부 회절격자는 로스 커플된(loss-coupled) 회절격자일 수 있다. 회절격자의 종류에 따라 상부 하부 위치가 결정될 수 있다.
활성층(112) 상부에 전류주입을 위한 전극 형성(116, 117, 118, 119) 및 단면 반사율 조절을 위한 고반사막/무반사막(HR/AR) 코팅을 형성한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 활성층(112)과 수동 도파로(113)의 연결은, 두 개의 광도파로들을 집적 연결하는 방식인 버트 커플링(butt coupling) 방법과 굴절률의 단열적인(adiabatic)변화를 이용한 에배네슨트(evanescent) 결합법을 이용할 수 있다. 여기서, 버트 커플링 방법은, 두 개의 도파로들(활성층(112)과 수동 도파로(113))의 단면에서 발생할 수 있는 내부 반사율 제어를 필요로 한다.
실시 예에 있어서, 블래그 회절격자(115)는 활성층(112)의 상부 및 하부에 홀로그래피 기법 및 전자선 리소그래피 기법으로 형성할 수 있다. 이로써, 온도변화에 따른 활성층(112)의 이득변화 속도와 회절격자의 블래그 파장 변화가 제어될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 파장 레이저는 발진 파장 1.55㎛ 레이저부터 0.8㎛ 레이저에까지 모두 적용이 가능하다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 파장 레이저는, 발진 파장을 효율적으로 흡수할 수 있는 포토믹서와 함께 구현됨으로써 초소형 광대역 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기를 개발할 수 있다.
도 10 내지 도 15는 도 9에 도시된 듀얼 파장 레이저의 제작 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 10 내지 도 15를 참조하면, 듀얼 파장 레이저 제작 방법은 다음과 같다.
먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, n형 InP 기판에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 기법으로 하부 클래드층(111), 하부 클래드층(111) 상부에 활성층(112), 활성층(112) 상부에 InP 클래드층(114a), InP 클래드층(114a) 사이에 회절 격자층(115a)이 개재된다. 특히, InP 클래드층(114a)와 활성층(112) 사이에 활성층(112)보다 작은 밴드갭 파장을 갖는 제 1 분리한정 헤테르층(first separate confinement hetero layer, 112a) 및 활성층(112) 및 하부 클래드층(111) 사이에 활성층(112)보다 작은 밴드캡 파장을 갖는 제 2 분리한정 헤테르층(second separate confinement hetero layer, 112b)을 더 개재될 수 있다.
이후, 홀로그래피 기법 혹은 전자선 리소그래피 기법으로 도 11에 도시된 바와 같은 회절 격자와 같은 형상을 기판상에 만들고, 건식 및 습식 시각을 통하여 최종적으로 회절 격자(115)가 제작된다. 회절 격자(115)의 제작 후에, P형 InP을 얇게 재성장시키는 평단화 과정(114a 참조)이 수행된다. 활성층 하부에 회절격자를 형성할 때, 아래쪽 회절격자부터 상술된 바와 같은 공정이 진행될 것이다.
이후, 도 12에 도시된 바와 같이, 수동 도파로가 버트-커플링되도록, 활성층(112)에서 수동 도파로가 집적화될 부분이 식각된다. 수동 도파로 집적화 후 단면(113a)에서 발생될 내부 반사를 줄이도록 각도 및 형태가 결정된다.
이후, 도 13에 도시된 바와 같이, 수동 도파로(113)가 성장된다. 여기서 수동 도파로(113)는 4원소합금(이하, 'InGaAsP', λ=1.24㎛)을 이용할 수 있다. 이때, 수동 도파로(113)는 활성층(112)에서 발생된 광신호를 흡수없이 전달할 수 있는 어떠한 종류의 광도파로를 이용할 수 있다. 다만, 수동 도파로(113)는 단일 모드로 진행되어야 한다.
이후, 도 14에 도시된 바와 같이, p형 InP 클래드층(114b) 및 p형 InGaAs 층(116)이 성장된다. 여기서 p형 InP 클래드층(114a) 및 p형 InP 클래드층(114b)는 상부 클래드층(114)으로 불린다. 여기서 InGaAs 층(116)은 전류 주입이 용이하도록 하는 층이다. 이로써, 분포 궤환 레이저 구조가 완성된다.
이후, 도 15에 도시된 바와 같이, 활성층(112)에 전류를 인가하기 위한 전극 형성 과정이 수행된다. InGaAs층(116) 상부에 하부 전극(117)이 형성되고, 하부 전극(117) 상부에 절연막(118)이 형성되고, 절연막(118) 상부에 리소그래피 기법을 이용하여 마이크로히터(119)가 제작된다. 실시 예에 있어서, 제작된 마이크로히터(119)는, 듀얼 모드 광파장 레이저의 최상부에 위치한다.
한편, 회절 격자의 블래그 파장이 동일하거나 다를 수 있다. 회절 격자층에 이용된 InGaAs, InGaAsP 등 다양한 회절 격자층이 이용될 수 있다. 회절 격자도 일반적인 1차 회절 격자형에서 단일 파장 발생 효율이 높은 λ/4 변이된(shifted) 회절 격자 등이 이용될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 테라헤르츠 송수신기
120,120a: 듀얼 파장 레이저
140: 광학기
142: 렌즈
144: 포토믹서
121a, 121b: 활성층
125a, 125b: 회절 격자
122a, 123a, 124a: 수동 도파로
122b, 123b, 124b: 수동 도파로
126: 열 확산 방지 영역
111: 하부 클래드층
112: 활성층
113: 수동 도파로
114: 상부 클래드층
115: 회절 격자
115b: 회절 격자층
116: InGaAs 층
117: 하부 전극
118: 절연막
119: 마이크로히터

Claims (20)

  1. 하나의 기판에 제작된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖고, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하는 듀얼 파장 레이저; 및
    상기 출력된 광신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하는 광학기를 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분포 궤환 레이저들 각각은,
    광신호를 발생하는 활성층;
    상기 활성층에 커플링되고, 유효 굴절률에 따라 상기 발생된 광신호를 발진하는 블래그 회절 격자; 및
    상기 활성층으로부터 출력된 광신호를 상기 광학기로 출력하는 수동 도파로를 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유효 굴절률을 제어하기 위한 마이크로히터를 더 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로히터로 상기 분포 궤환 레이저들 각각의 상기 유효 굴절률을 국소적으로 제어하기 위하여 상기 분포 궤환 레이저들 사이에 열 확산 방지 영역을 더 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 분포 궤환 레이저들 각각의 활성층으로부터 출력되는 광신호는 하나의 수동 도파로를 통하여 출력되는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 분포 궤환 레이저들 각각의 활성층으로부터 출력되는 광신호는 대응하는 수동 도파로를 통하여 출력되는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    단면 반사율을 낮추고, 광결합 효율을 높이기 위하여, 상기 분포 궤환 레이저들의 수동 도파로들은 서로 7도 기울어지는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 분포 궤환 레이저들 각각은 단면 반사율을 조절하기 위한 고반사막 혹은 무반사막을 더 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 수동 도파로는 버트 커플링(Butt coupling)을 이용하여 결합되는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 수동 도파로 사이의 단면에서 발생하는 내부 반사율을 제어하기 위하여 결합 각도가 조절되는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수동 도파로는 직선 및 밴드 구조인 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학기는,
    상기 듀얼 파장 레이저로부터 출력되는 상기 광신호들을 결합하는 렌즈; 및
    상기 결합된 광신호들을 입력받아 상기 테라헤르츠파를 발생하는 포토믹서를 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 포토믹서는,
    외부로부터 입력된 테라헤르츠파를 검출하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  14. 하나의 기판에 제작된 두 개의 분포 궤환 레이저들을 갖고, 상기 분포 궤환 레이저들 각각은 서로 다른 파장의 광신호들을 출력하는 듀얼 파장 레이저;
    상기 출력된 광신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하거나, 외부로부터 입력된 테라헤르츠파를 검출하는 광학기; 및
    상기 광학기로부터 검출된 테라헤르츠파를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광학기는,
    상기 출력된 광신호들을 결합하는 렌즈;
    상기 렌즈에 결합된 신호들을 입력받아 테라헤르츠파를 발생하는 제 1 포토믹서; 및
    외부로부터 입력되는 테라헤르츠파를 검출하는 제 2 포토믹서를 포함하는 주파수 가변형 테라헤르츠 송수신기.
  16. 하나의 기판에 제작된 두 개의 독립적인 분포 궤환 레이저들을 갖는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법에 있어서;
    상기 기판 위에 하부 클래드층을 형성하고, 상기 하부 클래드층 사이에 하부 회절 격자층을 개재하고, 상기 하부 클래드층 상부에 활성층을 형성하고, 상기 활성층 상부에 상부 클래드층을 형성하고, 상기 상부 클래드층 사이에 상부 회절 격자층을 개재하는 단계;
    상기 하부 회절 격자층 및 상기 하부 회절 격자층을 식각하여 회절 격자를 제작하는 단계;
    상기 활성층과 수동 도파로를 집적화시키는 단계; 및
    상기 상부 클래드층 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 상부 클래드층 사이에 상기 활성층보다 작은 밴드갭 파장을 갖는 제 1 분리한정 헤테르층을 형성하고,
    상기 활성층과 상기 하부 클래드층 사이에 상기 활성층보다 작은 밴드갭 파장을 갖는 제 2 분리한정 헤테르층을 형성하는 단계를 더 포함하는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 회절 격자를 홀로그래피 및 전자선 리소그래피로 제작한 후에, 상기 회절 격자 상부에 상기 상부 클래드층과 동일한 물질로 재성장시킴으로써 평단화 과정을 수행하는 단계를 더 포함하는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수동 도파로를 집적화시킨 후에, 상기 상부 클래드층 상부에 p형 반도체층을 성장시키는 단계를 더 포함하는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전극을 형성하는 단계는,
    상기 p형 반도체층 상부에, 하부 전극을 형성하고, 상기 하부 전극 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상부에 리소그래피 기법을 이용하여 마이크로히터를 제작하는 단계를 포함하는 듀얼 파장 레이저의 제작 방법.
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