KR20210110039A - 테라헤르츠 파 생성 방법 및 이를 수행하는 장치들 - Google Patents

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Abstract

테라헤르츠 파 생성 방법 및 이를 수행하는 장치들이 개시된다. 일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 방법은 주파수 소스(frequency source)로부터 출력되는 출력(output)의 주파수에 기초하여 레이저 광원(laser source)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 출력하는 단계와, 상기 레이저 콤에서 선택된 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파(terahertz wave)를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

테라헤르츠 파 생성 방법 및 이를 수행하는 장치들{METHOD OF GENERATING TERAHERTZ WAVE AND APPARATUSES PERFORMING THE SAME}
아래 실시예들은 테라헤르츠 파 생성 방법 및 이를 수행하는 장치들에 관한 것이다.
최근에는 무선 통신을 위한 RF 대역의 주파수가 점차 소진됨에 따라 테라헤르츠(Terahertz) 대역의 광원을 이용하는 테라헤르츠 무선 통신 연구가 많은 주목을 받고 있다. 또한, 최근에는 테라헤르츠 대역의 광원을 이용한 테라헤르츠 이미징, 테라헤르츠 스펙트로스코피(spectroscopy), SAR(synthetic aperture radar) 등의 기술에 적용된 연구 결과들이 많이 발표되고 있다.
테라헤르츠 대역은 0.3 THz에서 10THz에 이르는 주파수 영역의 전자기파로 테라헤르츠 광원(terahertz optical source)일 수 있다.
테라헤르츠 광원인 테라헤르츠 파(THz-wave)는 종이 및 플라스틱 등 매우 다양한 물질들과의 상호 작용(interaction)이 가능할 수 있다. 예를 들어, 많은 종류의 다양한 물질들은 상술한 주파수 영역의 테라헤르츠 파(THz-wave)와 상호 작용할 수 있다. 상호 작용을 통해 획득된 데이터는 물질 샘플의 테스트, 이미징 및 분석이 수행되게 하여 물질의 특성 및/또는 형태에 대한 정보가 획득되게 할 수 있다. 물질의 특성 및/또는 형태에 대한 정보는 상호 작용을 통해 획득된 데이터로부터 획득될 수 있다.
테라헤르츠 기술은 무선 통신, 바이오 메디컬, 개스 센싱 및 스펙트로스코피 (spectroscopy) 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 최근에는 펨토초 레이저와 테라헤르츠 주파수를 발생시키는 반도체 레이저 등의 발전에 힘입어 테라헤르츠 주파수를 이용한 연구가 활발해지고 있다. 시간 영역(time domain) 스펙트로스코피(spectroscopy)에서는 펨토초 레이저를 이용한 스펙트로미터(spectrometer) 기술이 가능할 수 있다. 주파수 영역(frequency domain) 스펙트로스코피에서는 연속적으로 주파수-tunable한 테라헤르쯔 광원이 요구될 수 있다.
실시예들은 주파수 소스로부터 출력되는 출력(out)의 주파수를 변조하여 변조된 주파수에 따라 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써, 넓은 영역의 주파수 대역을 빠른 속도로 스위핑할 수 있는 주파수 스윕 테라헤르츠 파(frequency sweep terahertz wave)를 생성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 방법은 주파수 소스(frequency source)로부터 출력되는 출력(output)의 주파수에 기초하여 레이저 광원(laser source)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 출력하는 단계와, 상기 레이저 콤에서 선택된 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파(terahertz wave)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 광 필터를 이용하여 주파수의 차이가 테라헤르츠 주파수(terahertz frequency) 범위에 해당되도록 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계와, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 테라헤르츠 파를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 광원은 UTC-PD(Uni-travelling carrier-photodiode), SBD(Schottky barrier diode) 및 FMBD(Fermi-level managed barrier diode) 중에서 적어도 하나일 수 있다.
상기 광 필터는 bandpass 형태의 광 필터, 파장 선택 스위치(wavelength selective switch), 어레이 도파관 격자(arrayed waveguide grating) 및 광학 필터 어레이(optical filter array) 중에서 적어도 하나의 기능이 구현된 필터일 수 있다.
상기 테라헤르츠 파 생성 방법은 상기 출력의 주파수를 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 변조하는 단계는 상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 선형적으로 변조하는 단계는 상기 출력의 주파수가 상기 제1 값에서 상기 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 출력하는 단계는 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 콤을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 상기 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인의 주파수 차이가 선형적을 증가하도록 상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계와, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 변조 시점마다 주파수가 증가하는 상기 테라헤르츠 파를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 선택하는 단계는 상기 변조 시점마다 출력되는 동기화 신호에 응답하여 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 장치는 주파수 소스(frequency source)로부터 출력되는 출력(output)의 주파수에 기초하여 레이저 광원(laser source)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하는 레이저 콤 생성기와, 상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하는 주파수 선택기와, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성하는 테라헤르츠 파 생성기를 포함할 수 있다.
상기 테라헤르츠 파 생성 장치는 상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하는 주파수 변조기를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 변조기는 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 주파수 선택기가 동작하도록 동기화 신호를 생성하여 출력할 수 있다.
상기 레이저 콤 생성기는 상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤을 생성할 수 있다.
상기 주파수 선택기는 상기 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이가 선형적으로 증가하도록 상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택할 수 있다.
상기 주파수 선택기는 상기 변조 시점마다 출력되는 동기화 신호에 응답하여 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택할 수 있다.
상기 테라헤르츠 생성기는 상기 변조 시점마다 주파수가 증가하는 상기 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 시스템은 레이저 광원(laser source)과, 주파수 소스(frequency source)와, 테라헤르츠 파 생성 장치를 포함하고, 상기 테라헤르츠 파 생성 장치는 상기 주파수 소스로부터 출력되는 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하고, 변조된 주파수에 기초하여 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하고, 상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하고, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 시스템은 레이저 광원(laser source)과, 주파수 소스(frequency source)와, 상기 주파수 소스로부터 출력되는 출력의 주파수를 변조하는 주파수 변조기와, 테라헤르츠 파 생성 장치를 포함하고, 상기 테라헤르츠 파 생성 장치는 변조된 주파수에 기초하여 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하고, 상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하고, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다.
상기 주파수 변조기는 상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 테라헤르츠 파 생성 장치를 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 3은 레이저 콤의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 4는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 테라헤르츠 파 생성 장치를 설명하기 위한 다른 예를 나타낸다.
도 6은 시간에 따른 주파수 변조를 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 7a는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 7b는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 다른 예를 나타낸다.
도 7c는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타낸다.
도 7d는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타낸다.
도 8은 주파수 변조 반복 횟수에 따른 콤 라인들 간의 주파수 차이를 나타낸다.
도 9는 테라헤르츠 파를 이용한 물질의 특성 측정 방법을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 10은 테라헤르츠 파를 이용한 물질의 특성 측정 방법을 설명하기 위한 다른 예를 나타낸다.
도 11은 도 2에 도시된 광 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 순서도를 나타낸다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서의 모듈(module)은 본 명세서에서 설명되는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다.
다시 말해, 모듈이란 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적 및/또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.
이하, 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 테라헤르츠 파 생성 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
테라헤르츠 파 생성 시스템(10)은 레이저 광원(100), 주파수 소스(300) 및 테라헤르츠 파 생성 장치(500)를 포함한다.
레이저 광원(laser source; 100)은 주파수를 가지는 반도체 레이저 등의 광원으로, 레이저를 출력할 수 있다. 예를 들어, 레이저 광원(100)은 UTC-PD(Uni-travelling carrier-photodiode), SBD(Schottky barrier diode), FMBD(Fermi-level managed barrier diode)등 레이저 광을 출력하는 다양한 발광 소자일 수 있다.
주파수 소스(frequency source; 300)는 RF(radio frequency) 대역의 다양한 주파수를 출력할 수 있다. 이때, 주파수 소스(300)의 출력은 RF 주파수(radio frequency)일 수 있다.
테라헤르츠 파 생성 장치(500)는 주파수 소스(300)로부터 출력되는 출력(out)의 주파수를 변조하여 변조된 주파수에 따라 레이저 광원(100)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써, 넓은 영역의 주파수 대역을 빠른 속도로 스위핑할 수 있는 주파수 스윕 테라헤르츠 파(frequency sweep terahertz wave)를 생성할 수 있다.
이를 통해, 테라헤르츠 파 생성 장치(500)는 연속적인 넓은 대역의 테라헤르츠 주파수 스위핑(frequency sweeping)이 가능하고, 빠른 주파수 스윕 속도와 높은 출력 파워를 가질 수 있는 주파수 스윕용 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다. 이에, 주파수 스윕용 테라헤르츠 파는 다양한 분야에서 기존의 테라헤르츠 파에 비하여 활용성이 높아질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 주파수 소스(300)가 테라헤르츠 파 생성 장치(300)와 구별되게 독립적으로 구현되지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 주파수 소스(300)는 테라헤르츠 파 생성 장치(300)의 내부에 구현될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 테라헤르츠 파 생성 장치를 설명하기 위한 일 예를 나타내고, 도 3은 레이저 콤의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타내고, 도 4는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 테라헤르츠 파 생성 장치(500)는 레이저 콤 생성기(510), 콤 주파수 선택기(530), 광 결합기(550) 및 테라헤르츠 파 생성기(570)을 포함할 수 있다.
레이저 광원(100)으로부터 출력되는 레이저 및 주파수 소스(300)로부터 출력되는 출력은 레이저 콤 생성기(510)로 입력될 수 있다. 이때, 레이저의 주파수는 도 3에 도시된 바와 같이 f0일 수 있다. 주파수 소스(300)로부터 출력되는 출력은 도 3에 도시된 바와 같이 fm일 수 있다.
레이저 콤 생성기(510)는 주파수 소스로부터 출력되는 출력의 주파수에 기초하여 레이저를 변조함으로써, 레이저 콤(laser comb)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 레이저 콤 생성기(510)는 레이저의 주파수인 f0를 중심으로 주파수 소스(300)의 출력의 주파수인 fm 간격으로 이격된 복수의 콤 라인들(comb lines, 또는 복수의 레이저 콤 라인들)을 포함하는 레이저 콤을 생성할 수 있다. 레이저 콤의 주파수 영역(frequency domain)은 도 3과 같은 형태일 수 있다.
레이저 콤 생성기(510)는 생성된 레이저 콤을 주파수 선택기(530)로 출력할 수 있다.
콤 주파수 선택기(530)는 레이저 주파수를 선택하는 것으로, 레이저 콤에 포함된 복수의 콤 라인들 중에서 2 개의 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어, 콤 주파수 선택기(530)는 광 필터를 이용하여 주파수의 차이가 테라헤르츠 주파수 범위에 해당되도록 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택할 수 있다. 이때, 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 간격은 테라헤르츠 주파수만큼 이격될 수 있다. 광 필터는 bandpass 형태의 광 필터, 파장 선택 스위치(wavelength selective switch), 어레이 도파관 격자(arrayed waveguide grating) 및 광학 필터 어레이(optical filter array) 중에서 적어도 하나의 기능 등 다양한 기능이 구현된 필터일 수 있다.
콤 주파수 선택기(530)는 선택된 2개의 콤 라인인 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 각각 결합기(550)로 출력할 수 있다. 콤 주파수 선택기(530)의 출력인 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역은 도 4와 같은 형태일 수 있다. 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 콤 주파수는 서로 N*fm 만큼 이격된 주파수일 수 있다. 콤 주파수 선택기(530)는 N*fm이 테라헤르츠 대역의 주파수가 되도록 N 및/또는 fm의 값을 설정하여 콤 라인을 선택할 수 있다.
광 결합기(550)는 콤 주파수 선택기(530)로부터 각각 출력된 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 결합할 수 있다. 광 결합기(550)는 제1 콤 라임 및 제2 콤 라인의 결합을 테라헤르츠 파 생성기에 출력(또는 입사되게)할 수 있다.
테라헤르츠 파 생성기(570)는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 테라헤르츠 파 생성기(570)는 입력되는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수의 차이인 N*fm 에 해당하는 테라헤르츠 파를 생성하여 출력할 수 있다. 이때, 테라헤르츠 파 생성기(570)는 2 개의 콤 라인들 간의 주파수 차이를 테라헤르츠 파로 변환하여 테라헤르츠 파를 생성 및 출력할 수 있는 소자를 사용할 수 있다. 테라헤르츠 생성기(570)의 출력 파워는 입력되는 콤 라인의 광 파워에 비례할 수 있다. 광 파워는 광 증폭기를 이용하여 충분히 크게 만들 수 있다. 이에, 테라헤르츠 파의 출력 파워는 쉽게 높아 질 수 있다. 따라서, 테라헤르츠 파는 높은 출력 파워를 가지며 넓은 주파수 대역을 빠른 속도로 스위핑할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 테라헤르츠 파 생성 장치를 설명하기 위한 다른 예를 나타내고, 도 6은 시간에 따른 주파수 변조를 설명하기 위한 일 예를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 테라헤르츠 파 생성 장치(500)는 테라헤르츠 파가 넓은 영역의 주파수 대역에서 빠른 속도로 스위핑되게 하기 위해서 레이저 콤 생성기(510), 콤 주파수 선택기(530), 광 결합기(550) 및 테라헤르츠 파 생성기(570) 뿐만 아니라, 주파수 변조기(590)를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 주파수 변조기(590)가 테라헤르츠 파 생성 장치(500) 내부에 구현되지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 주파수 변조기(590)는 테라헤르츠 파 생성 장치(500)와 구별되게 독립적으로 구현될 수 있다.
주파수 변조기(590)는 주파수 소스(300)의 출력의 주파수를 변조할 수 있다. 예를 들어, 주파수 변조기(590)는 주파수 소스(300)의 출력의 주파수가 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하여 변조된 주파수를 레이저 콤 생성기(510)에 출력할 수 있다.
주파수 소스(300)의 출력의 주파수는 도 6과 같이 시간에 따라 제1 값인 초기값(fmi)에서 제2 값인 최종값(fmf)까지 선형적으로 반복되도록 변조될 수 있다.
주파수 변조기(590)는 주파수 소스(300)의 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 콤 주파수 선택기(530)가 동작하도록 동기화 신호(synchronization signal)를 생성하여 주파수 선택기(530)에 출력할 수 있다. 따라서, 주파수 소스(300)의 출력 주파수의 변조와 콤 주파수 선택 프로세스는 서로 연동하여 수행될 수 있다.
레이저 콤 생성기(510)는 주파수 소스(300)의 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 레이저 콤을 생성할 수 있다. 예를 들어, 레이저 콤 생성기(510)는 주파수 변조기(590)로부터 출력되는 주파수(또는 변조된 주파수)에 기초하여 레이저 광원(100)으로부터 출력되는 레이저를 변조함으로써, 변조 시점마다 레이저 콤을 생성할 수 있다. 주파수 변조기(590)가 주파수 소스(300)의 출력의 주파수인 fm을 fmi로 변조하는 경우, 레이저 콤 생성기(510)는 레이저의 주파수인 f0를 중심으로 fmi 간격으로 이격된 복수의 콤 라인들을 포함하는 레이저 콤을 생성할 수 있다.
콤 주파수 선택기(530)는 광 필터를 이용하여 변조 시점마다 생성되는 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택할 수 있다. 예를 들어, 콤 주파수 선택기(530)는 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 차이가 선형적으로 증가하도록 제1 및 제2 콤 라인을 선택할 수 있다. 이때, 콤 주파수 선택기(530)는 변조 시점마다 출력되는 동기화 신호에 응답하여 변조 시점마다 생성되는 레이저 콤에서 제1 및 제2 콤 라인을 선택할 수 있다.
주파수 소스(300)의 출력 주파수가 시간에 따라 fmi에서 fmf로 선형적으로 반복되도록 변조되는 경우, 콤 주파수 선택기(530)는 각 시점마다 생성된 레이저 콤에서 테라헤르츠 주파수 간격에 해당하는 주파수 간격으로 이격된 2개의 콤 라인을 선택할 수 있다.
광 결합기(550)의 동작은 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
테라헤르츠 파 생성기(570)는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 출력 주파수의 변조 시점마다 주파수가 증가하는 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다.
도 7a는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 일 예를 나타내고, 도 7b는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 다른 예를 나타내고, 도 7c는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타내고, 도 7d는 주파수 변조에 따른 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인의 주파수 영역을 설명하기 위한 또 다른 예를 나타내고, 도 8은 주파수 변조 반복 횟수에 따른 콤 라인들 간의 주파수 차이를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 주파수 소스(300)의 출력 주파수가 fmi로 변조된 경우, 콤 주파수 선택기(530)는 fmi에 기초하여 생성된 레이저 콤에서 도 7a와 같이 테라헤르츠 주파수 간격에 해당하는 N*fmi의 주파수 차이를 가지는 2개의 콤 라인을 선택할 수 있다. 주파수 소스(300)의 출력 주파수가 fmf로 변조된 경우, 콤 주파수 선택기(530)는 fmf에 기초하여 생성된 레이저 콤에서 도 7b와 같이 테라헤르츠 주파수 간격에 해당하는 N*fmf의 주파수 차이를 가지는 2개의 콤 라인을 선택할 수 있다.
주파수 소스(300)의 출력 주파수가 1번 반복되어 fmi로 다시 변조되는 경우, 콤 주파수 선택기(530)는 fmi에 기초하여 생성된 레이저 콤에서 도 7c와 같이 테라헤르츠 주파수 간격에 해당하는 (N+1)*fmi의 주파수 차이를 가지는 2개의 콤 라인을 선택할 수 있다. 이때, 선택되는 2 개의 콤 라인은 도 7b과 같이 선택된 2개의 콤 라인과 동일할 수 있다(또는 동일한 위치일 수 있다). 주파수 소스(300)의 출력 주파수가 fmf로 다시 변조되는 경우, 콤 주파수 선택기(530)는 fmf에 기초하여 생성된 레이저 콤에서 도 7d와 같이 테라헤르츠 주파수 간격에 해당하는 (N+1)*fmf의 주파수 차이를 가지는 2 개의 콤 라인을 선택할 수 있다.
상술한 바와 같이, 선택되는 2 개의 콤 라인들의 주파수는 출력 주파수의 변조에 따라 지속적으로 높은 주파수로 이동할 수 있다. 2 개의 콤 라인들 간의 주파수 차이는 연속적으로 증가할 수 있다.
초기값(fmi)이 25 GHz이고, 최종값(fmf)이 27.5인 경우, 2 개의 선택된 콤 라인들 간의 주파수 차이는 도 8과 같이 주파수 변조 반복에 따라 연속적으로 증가할 수 있다. 도 8과 같이, N=10에서 N=20까지 변화하면서 출력되는 테라헤르츠 파의 주파수는 250 내지 550 GHz에 해당될 수 있다. 즉, 테라헤르츠 파는 300 GHz에 달하는 주파수 대역의 주파수 스위핑이 가능하게 생성될 수 있다. 이때, 콤 주파수 선택기(530)는 300 GHz에 달하는 주파수 대역에서 연속적으로 움직이게 될 수 있다.
상술한 바와 같이 초기값(fmi)이 25 GHz이고, 최종값(fmf)이 27.5인 경우에 콤 라인들 간의 주파수 차이가 연속적으로 증가하고, 테라헤르츠 파가 콤 라인들 간의 주파수 차이에 따라 주파수 스위핑이 가능하지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 테라헤르츠 파는 다른 주파수 변조 대역 및 주파수 변화에도 동일한 방식이 적용되어 주파수 스위핑이 가능하게 생성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 2개의 콤 라인들의 주파수가 연속적으로 스위핑(sweeping)하고 있으므로, 2 개의 콤 라인들 간의 주파수 차이에 기반한 테라헤르츠 파는 주파수 소스(300)의 출력 주파수의 변조에 따라 고속으로 매우 넓은 대역의 주파수가 연속적으로 스위핑될 수 있다. 즉, 테라헤르츠 파는 주파수 소스(300)의 출력 주파수 변조 대역 및 변조 속도와 콤 주파수 선택기(530)의 선택 동작에 따라 빠른 속도의 주파수 스위핑이 가능한 테라헤르츠 파일 수 있다.
주파수 소스(300)의 출력 주파수 변조(frequency modulation)는 상대적으로 빠른 속도로 구현될 수 있다. 콤 주파수 선택기(530)는 주파수 변조 속도와 같은 속도로 스위핑할 수 있다. 이에, 테라헤르츠 파는 매우 넓은 대역의 테라헤르츠 주파수 스위핑이 가능할 수 있다.
도 9는 테라헤르츠 파를 이용한 물질의 특성 측정 방법을 설명하기 위한 일 예를 나타내고, 도 10은 테라헤르츠 파를 이용한 물질의 특성 측정 방법을 설명하기 위한 다른 예를 나타낸다.
테라헤르츠 파를 이용하여 물질의 특성을 측정하기 위한 장치는 도 9 및 도 10과 같을 수 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 테라헤르츠 발생기는 넓은 주파수 대역의 테라헤르츠 파가 생성되는 것이 요구될 수 있다. 또한, 물질의 특성을 측정하기 위한 장치는 테라헤르츠 발생기의 높은 출력 파워일수록 분석의 정확도가 높아질 수 있다. 따라서, 도 1 내지 도 8에서 설명된 테라헤르츠 파 생성 장치(500)는 넓은 주파수 대역의 테라헤르츠 파를 생성하고, 분석의 정확도를 높이기 위해서 도 9 및 도 10에 도시된 테라헤르츠 발생기에 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 테라헤르츠 발생기(THz emitter)에서 발생한 테라헤르츠 파는 2개의 path로 나누어질 수 있다. 2개로 나눠진 테라헤르츠 파 중에서 어느 하나는 reference path로 이용될 수 있다. 2개로 나눠진 테라헤르츠 파 중에서 다른 하나는 대상물(target)을 통과한 후, reference path를 통과한 테라헤르츠 파와 만나서 간섭하게 될 수 있다. 테라헤르츠 수신기(THz receiver)에서 수신된 신호는 분석을 거쳐 대상물(target)의 주파수 영역 특성 및 이미지 등을 재구성하게 될 수 있다.
도 10을 참조하면, 물질의 특성을 측정하기 위한 장치는 도 9와 상이하게 Target에서 반사되는 테라헤르츠 파(THz-wave)를 이용할 수 있다. 테라헤르츠 발생기(THz emitter)에서 발생한 테라헤르츠 파(THz-wave)는 Reference path와 대상물(target) 방향의 path의 두 가지 길을 거쳐 서로 만나 간섭하게 될 수 있다. 테라헤르츠 수신기(THz receiver)에서 수신된 신호는 분석을 대상물(target)의 거쳐 주파수 영역 특성 및 이미지 등을 재구성하게 될 수 있다.
도 11은 도 2에 도시된 광 생성 장치의 동작을 설명하기 위한 순서도를 나타낸다.
주파수 변조기(590)는 주파수 소스(300)로부터 출력되는 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복적으로 변조하여 주파수 변조 시점마다 변조된 주파수를 레이저 콤 생성기(510)에 출력할 수 있다(1110).
레이저 콤 생성기(530)는 주파수 변조기(590)로부터 출력된 주파수에 기초하여 레이저 광원(100)으로부터 출력되는 레이저의 주파수를 변조함으로써, 변조 시점마다 레이저 콤을 생성할 수 있다(1130).
콤 주파수 선택기(530)는 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 테라헤르츠 주파수 간격만큼 이격된 제1 및 제2 콤 라인의 주파수 차이가 연속으로 선형적으로 증가하도록 주파수 변조기(590)로부터 전송되는 동기화 신호에 응답하여 변조 시점마다 레이저 콤에서 제1 및 제2 콤 라인을 선택하여 광 결합기(550)에 출력할 수 있다(1150).
광 결합기(550)는 제1 및 제2 콤라인을 결합하여 테라헤르츠 파 생성기(570)에 출력할 수 있다(1170).
테라헤르츠 파 생성기(570)는 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 변조 시점마다 주파수가 증가하는 테라헤르츠 파를 생성할 수 있다(1190).
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 주파수 소스(frequency source)로부터 출력되는 출력(output)의 선형적으로 변조된 주파수에 기초하여 레이저 광원(laser source)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 출력하는 단계; 및
    상기 레이저 콤에서 선택된 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파(terahertz wave)를 생성하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    광 필터를 이용하여 주파수의 차이가 테라헤르츠 주파수(terahertz frequency) 범위에 해당되도록 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계; 및
    상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 테라헤르츠 파를 생성하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 광 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 UTC-PD(Uni-travelling carrier-photodiode), SBD(Schottky barrier diode) 및 FMBD(Fermi-level managed barrier diode) 중에서 적어도 하나인 테라헤르츠 파 생성 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광 필터는,
    bandpass 형태의 광 필터, 파장 선택 스위치(wavelength selective switch), 어레이 도파관 격자(arrayed waveguide grating) 및 광학 필터 어레이(optical filter array) 중에서 적어도 하나의 기능이 구현된 필터인 테라헤르츠 파 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력의 주파수를 변조하는 단계
    를 더 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변조하는 단계는,
    상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 변조하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선형적으로 변조하는 단계는,
    상기 출력의 주파수가 상기 제1 값에서 상기 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력하는 단계는,
    상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 콤을 생성하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인의 주파수 차이가 선형적을 증가하도록 상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계; 및
    상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이에 기초하여 상기 변조 시점마다 주파수가 증가하는 상기 테라헤르츠 파를 생성하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    상기 변조 시점마다 출력되는 동기화 신호에 응답하여 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 방법.
  11. 주파수 소스(frequency source)로부터 출력되는 출력(output)의 선형적으로 변조된 주파수에 기초하여 레이저 광원(laser source)으로부터 출력되는 레이저(laser)를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하는 레이저 콤 생성기;
    상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하는 주파수 선택기; 및
    상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성하는 테라헤르츠 파 생성기
    를 포함하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하는 주파수 변조기
    를 더 포함하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 주파수 변조기는,
    상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 주파수 선택기가 동작하도록 동기화 신호를 생성하여 출력하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 콤 생성기는,
    상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤을 생성하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주파수 선택기는,
    상기 변조 시점마다 변조된 주파수에 따라 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인 간의 주파수 차이가 선형적으로 증가하도록 상기 변조 시점마다 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 주파수 선택기는,
    상기 변조 시점마다 출력되는 동기화 신호에 응답하여 상기 레이저 콤에서 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인을 선택하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 생성기는,
    상기 변조 시점마다 주파수가 증가하는 상기 테라헤르츠 파를 생성하는 테라헤르츠 파 생성 장치.
  18. 레이저 광원(laser source);
    주파수 소스(frequency source); 및
    테라헤르츠 파 생성 장치
    를 포함하고,
    상기 테라헤르츠 파 생성 장치는,
    상기 주파수 소스로부터 출력되는 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하고, 변조된 주파수에 기초하여 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하고, 상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하고, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성하는 테라헤르츠 파 생성 시스템.
  19. 레이저 광원(laser source);
    주파수 소스(frequency source);
    상기 주파수 소스로부터 출력되는 출력의 주파수를 변조하는 주파수 변조기; 및
    테라헤르츠 파 생성 장치
    를 포함하고,
    상기 테라헤르츠 파 생성 장치는,
    변조된 주파수에 기초하여 상기 출력의 주파수가 변조되는 변조 시점마다 상기 레이저 광원으로부터 출력되는 레이저를 변조함으로써 레이저 콤(laser comb)을 생성하고, 상기 레이저 콤에서 제1 콤 라인 및 제2 콤 라인을 선택하고, 상기 제1 콤 라인 및 상기 제2 콤 라인에 기초하여 테라헤르츠 파를 생성하는 테라헤르츠 파 생성 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 주파수 변조기는,
    상기 출력의 주파수를 시간에 따라 제1 값에서 제2 값까지 선형적으로 반복되도록 변조하는 테라헤르츠 파 생성 시스템.
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