WO2017007265A1 - Terahertz modulator - Google Patents

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WO2017007265A1
WO2017007265A1 PCT/KR2016/007386 KR2016007386W WO2017007265A1 WO 2017007265 A1 WO2017007265 A1 WO 2017007265A1 KR 2016007386 W KR2016007386 W KR 2016007386W WO 2017007265 A1 WO2017007265 A1 WO 2017007265A1
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WO
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metal
resonator
terahertz
capacitor
substrate
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/007386
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
장재형
김동주
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08Strip line resonators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03CMODULATION
    • H03C7/00Modulating electromagnetic waves
    • H03C7/02Modulating electromagnetic waves in transmission lines, waveguides, cavity resonators or radiation fields of antennas

Definitions

  • the present invention relates to terahertz and, more particularly, to techniques for modulating waves at terahertz frequencies.
  • Waves in the terahertz band (hereinafter also referred to as terahertz or terahertz para) have advantages such as harmless to the human body, but are still unexplored due to difficulties in controlling signals and difficult to obtain commercially available strengths. It remains as it is.
  • Non-Patent Document 1 Hou-Tong Chen, Willie J. Padilla, Joshua MO Zide, Arthur C. Gossard, Antoinette J. Taylor & Richard D. Averitt, "Active terahertz metamaterial devices", Nature 444, 597, 2006. has introduced a technique for modulating using a split ring resonator (SRR) array and a Schottky diode.
  • SRR split ring resonator
  • the present technology electrically controls the metamaterial of the SRR structure, and uses the operation in which the resistance of the split gap of the SRR varies depending on the depletion region according to the voltage applied to the Schottky diode. It is to change the characteristics.
  • Non-Patent Document 1 The action of Non-Patent Document 1 will be described in more detail.
  • n-GaAs was grown thereon, and a Schottky contact having an SRR shape thereon was formed of a single metal. Therefore, since the entire SRR is connected by one metal structure, the entire SRR serves as a Schottky contact, so that the entire lower surface of the metal forms a depletion region.
  • the ohmic contact is disposed at the edge of the substrate so that the Schottky contact serves as the anode and the ohmic contact serves as the cathode.
  • the resonant frequency of the SRR varies according to the change of the resistance due to the change in the depletion region, and the transmittance of the terahertz at a specific frequency varies according to the changing resonant frequency.
  • the modulation index is 50%, medium, the modulation bandwidth is low as ⁇ MHz, and the operating voltage is high as 10V.
  • Non-Patent Document 2 Kleine-Ostmann, T., Dawson, P., Pierz, K., Hein, G. & Koch, “Room-temperature operation of an electrically driven terahertz modulator”, Appl. Phys. Lett 84, 2004 In (.), A technique of controlling the transmittance of terahertz by electrically controlling the GaAs HEMT device and reflecting or absorbing the terahertz wave according to the change in conductivity of the channel located under the gate has been introduced. According to the present technology, the modulation index is very low as 0.3%, and the modulation bandwidth is very low as ⁇ kHz.
  • Non-Patent Document 3 (R. Kersting, G. Strasser, and K. Unterrainer, "Terahertz phase modulator", Electronics Letters 36, 1156, 2000.) includes parabolic quantum wells (PQW) and Schottky diodes. And a technique of phase modulating terahertz by electrically controlling the carrier concentration of the parabolic quantum well. According to the technique, the bandwidth is very low as ⁇ kHz.
  • Non-Patent Document 4 (Petr Kuzel and Filip Kadlec, "Tunable structures and modulators for THz light”, Comptes Rendus Physique '9, 197, 2008.) has shown that a high-power laser is a GaAs surface for optically controlling 1-D photonic crystals. We introduce a technique for modulating terahertz using photo-excited carriers generated by irradiation with. This technology is optical modulation technology, bandwidth is very good as ⁇ GHz and modulation index is low as 50%.
  • Non-Patent Document 1 is the best among the terahertz modulation techniques introduced to date. However, it can be seen that the modulation index is still low, the modulation bandwidth is very low, and the operating voltage is high as 10V.
  • the present invention improves the problem of low modulation index, very low modulation bandwidth, and problem of high operating voltage in the prior art introduced in Non-Patent Document 1, and in addition, it is possible to obtain various effects that are manifested as the essence of the present invention.
  • the terahertz modulator according to the present invention includes a substrate; A first metal provided on the substrate; A second metal provided on the substrate; At least three contacts indirectly contacting the first metal and the second metal; And a closed circuit including the first metal, the second metal, and the at least three contacts, wherein at least one resonator is configured to control the transmission of terahertz waves. According to the present invention it is possible to improve the efficiency of the resonator by changing the material providing the contact.
  • At least two or more resonators may be provided in an array on the substrate.
  • At least one of the contacts may be provided as a fixed capacitance capacitor, the fixed capacitance capacitor may overlap the first metal and the second metal, a dielectric layer may be interposed at an interface thereof, and the fixed capacitance capacitor may be Two may be provided on each side of the resonator, respectively.
  • At least one of the contacts may be provided as a variable capacitance capacitor
  • the variable capacitance capacitor may include a semiconductor layer provided on the substrate; And a passivation layer on the semiconductor layer, and the metal may be in contact with each other through two places in which the passivation layer is opened.
  • the metal that is in contact with the semiconductor layer may be in nanoscale contact with the semiconductor layer and make a Schottky contact.
  • the semiconductor layer may be provided as hept.
  • the variable capacitance capacitor may be provided at the center portion of the resonator, and a depletion region may be provided only at a lower portion of the variable capacitance capacitor.
  • At least one contact may be a variable capacitance capacitor
  • at least two contacts may be a fixed capacitance capacitor
  • the variable capacity capacitor may be provided at both sides of the variable capacity capacitor.
  • a terahertz modulator includes: a substrate; A first metal provided on the substrate in a predetermined shape; A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And a capacitor provided between the metals in at least two places where the first metal and the second metal are in contact with each other.
  • the capacitor may include at least one variable capacitor and at least one fixed capacitor to form a resonator, and the resonator may be provided to form an array on the substrate.
  • Two fixed capacitance capacitors are provided, one variable capacitance capacitor is provided, the fixed capacitance capacitor is shorted at high frequency in terahertz, open at low frequency, the resonator is provided in a square, The longitudinal direction may provide longer.
  • terahertz modulator includes a substrate; A first metal provided on the substrate in a predetermined shape; A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And an array of resonators capable of regulating the transmission of terahertz waves, wherein the resonators include capacitors provided at at least two locations where the first metal and the second metal contact each other, and the resonator has a split ring.
  • a resonator can be provided.
  • the capacitor may include a variable capacitance capacitor provided at a central portion of the split ring resonator; And fixed-capacitors respectively provided at both sides of the split ring resonator.
  • the modulation index can be increased to 80% level, the modulation bandwidth can be increased to GHz, and the operating voltage can be lowered.
  • various advantages can be obtained according to the nature of the invention, and a description thereof will be made apparent in the detailed description.
  • FIG. 1 illustrates the operation of a terahertz modulator according to an embodiment.
  • FIG. 2 illustrates a terahertz modulator according to an embodiment.
  • FIG. 4 and 5 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 3 and II-II ′ of FIG. 3, respectively.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a resonator at low frequencies
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a resonator at high frequencies.
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams illustrating a difference in transmission characteristics according to the shape of a resonator.
  • 11 is an embodiment of a hamt based on InP by way of example.
  • Figure 13 is an embodiment of a hamt based on GaN.
  • 1 is a view for explaining the operation of the terahertz modulator according to the embodiment.
  • a terahertz wave enters the front of a terahertz modulator 1 to which a control signal is applied, and the terahertz wave passes through the terahertz modulator 1, the terahertz wave is controlled according to a control signal.
  • a modulated terahertz wave is emitted.
  • the modulated signal may be used in various ways such as image processing and compression sensing.
  • FIG. 2 illustrates a terahertz modulator according to an embodiment.
  • an array of resonators 2 is provided on a substrate, and each of the resonators 2 is different from the first metal 11 and the second metal 12. It is provided in a structure that makes indirect contact with the substance.
  • the Schottky contact is provided only where the contacts of the metals 11 and 12 are located, and the depletion region 3 by the Schottky contact is only where the contacts of the metals 11 and 12 are located. Is provided. Therefore, the depletion region is narrower than the prior art, and thus the time constant of the resonator is low, and thus the modulation bandwidth can reach ⁇ GHz.
  • the effect that the resonator can operate sufficiently even at a low applied voltage can be expected.
  • a bias voltage by a bias power source 13 is applied to the metals 11 and 12, and the indirect contact between the shapes of the metals 11 and 12 forming a closed circuit and the metals 11 and 12 is applied. It may be provided that the resonator (2).
  • the resonator 2 indirectly contacts the first metal 11 and the second metal 12 at three locations.
  • the first metal 11, the second metal 12, and a contact thereof may form two quadrangular shapes.
  • Each contact is demonstrated.
  • the first fixed capacitance capacitor 5 and the second fixed capacitance capacitor 6 on which the capacitive components are fixed are provided at the contacts at both edges, and the variable capacitance capacitor 4 on which the capacitive components are variable is provided at the center portion.
  • This resonator may be referred to as a split ring resonator SRR. It can be seen that the depletion region 3 is provided only below the variable capacitance capacitor 4.
  • FIG. 4 and 5 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 3 and II-II ′ of FIG. 3, respectively.
  • the variable capacitance capacitor 4 includes a semiconductor layer 7 provided on the substrate 9, a protective film 10 provided in a structure covering the semiconductor layer 7, and the First and second metals 11 and 12 contacting the semiconductor layer 7 may be included at both side portions spaced apart from each other to remove the protective film.
  • the fixed capacitance capacitors 5 and 6 are provided in a structure in which the first and second metals 11 and 12 are overlapped with each other with the dielectric layer 21 interposed therebetween.
  • the dielectric layer 21 and the passivation layer 10 may preferably use SiN x .
  • the semiconductor layer 7 may preferably exemplify a High Electron Mobility Transistor (HEMT).
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the Hamp allows the formation of a two-dimensional region (two-dimensional electron gas: 2DEG) at the interface of the heterojunction semiconductor is very high, the carrier is difficult to receive the ion scattering, the carrier has a higher mobility than the carrier in the general semiconductor Use what you have. Therefore, the present invention can be preferably applied to a terahertz modulator because there is an effect of obtaining a high reaction rate.
  • the contact point will be described in more detail.
  • the first and second metals 11 and 12 form a Schottky junction with the semiconductor layer 7 at approximately the center of the resonator 2.
  • the Schottky junction can be made with nanoscale gate contacts for the switching of capacitive components in the terahertz region.
  • the nanoscale schottky contact is provided to the semiconductor plane as a gate, it may have a varactor characteristic. That is, the variable capacitance capacitor 4 may be referred to as a varactor. More specifically, the varactor may be referred to as a metal semiconductor metal (MSM) varactor, which is provided in the configuration of the metal 11-semiconductor layer 7 and the metal 12.
  • the variable capacitance capacitor 4 may have a variable capacitance according to a bias voltage applied from the bias power source 13.
  • two nanoscale schottky contacts provided by contacting the first and second metals 11 and 12 and the semiconductor layer 7 include a schottky layer provided on a surface and a schottky layer.
  • An electron moveable layer (eg, 2DEG 8) provided therein is included.
  • the capacitance C1 by the Schottky layer and the capacitance C2 by the electron movable layer may be viewed as capacitances connected in series.
  • the capacitance C1 by the Schottky layer is much larger than the capacitance C2 by the electron-movable layer.
  • the capacitance of the MSM varactor is determined by the capacitance C2 by the electron-movable layer. Is dominated.
  • the capacitance C2 of the electron moveable layer is symmetrically different from each other as electrons move in both directions in accordance with the bias voltage.
  • the capacitance C2 due to the electron-movable layer varies only within a range of a constant bias voltage, and in other cases, the capacitance C2 is different, and the bias C2 caused by the electron-movable layer starts to vary.
  • the voltage is given in the example of approximately ⁇ 3V.
  • the fixed capacitance capacitors 5 and 6 will be described.
  • the first metal 11 and the second metal 12 are provided in a structure overlapping each other at both sides of the resonator 2. By overlapping each other, it may have a capacitive component.
  • the overlap structure is a structure of the metal 11, the dielectric layer 21, and the metal 12, and constitutes a metal-insulator-metal (MIM) capacitor.
  • MIM metal-insulator-metal
  • the capacitance of the fixed capacitance capacitors 5 and 6 given by Equation 1 may be designed to be very large so as to have a very low impedance in the terahertz frequency region (for example, 1 terahertz).
  • the capacitance of the fixed capacitance capacitor can be, for example, provided at 318 fF (femtofarad) or more.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the resonator at low frequency
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the resonator at high frequency (terahertz frequency in the embodiment).
  • the capacitance of the variable capacitance capacitor 4 changes according to a bias voltage.
  • the fixed capacitance capacitors 5 and 6 appear to be open at low frequencies and shorted at high frequencies. Therefore, the resonator 2 forms a resonant circuit in the terahertz high frequency region.
  • the terahertz wave enters the resonator, when the terahertz wave is a frequency matched with the resonant frequency of the resonator 2, the terahertz wave can lead to an operation that cannot penetrate the resonator 2. In this situation, modulation can be induced.
  • the resonant frequency of the resonator may be given by Equation 2.
  • L is an inductance formed by the shapes of the metals 11 and 12 as a closed circuit
  • C var is the capacitance of the variable capacitance capacitor 4. Therefore, the resonance frequency can be changed by changing the inductance of the resonator by changing the shapes of the metals 11 and 12, which are generally illustrated as quadrangles, in various ways, and the capacitance of the capacitor of the variable capacitance capacitor 4 can be changed. By turning the state on or off (ie, bistable), one can determine whether to modulate.
  • FIG 8 and 9 are views for explaining the difference in transmission characteristics according to the shape of the resonator as an example.
  • the modulation index can be adjusted by varying the aspect ratio of the resonator provided as a quadrangle.
  • the second resonance frequency of the resonator 2 changes according to the dipole resonance of the metals 11 and 12, and the metals 11 and 12 of the resonator 2 are changed.
  • the secondary resonant frequency can be shifted to a higher position, and the spectrum can be provided in a more smooth form.
  • the Schottky contacts were provided on a nanoscale, with the distance between the gates being 4 ⁇ m.
  • a change in capacitance occurs when the bias voltage is approximately ⁇ 3V, which starts to change in capacitance C2 by the electron-movable layer at ⁇ 3V. It is shown that the capacitance C2 due to the electron-movable layer changes rapidly during a predetermined period G, and that the capacitance C2 due to the electron-movable layer hardly changes within ⁇ 2V. Therefore, it can be seen that the capacitance by the variable capacitance capacitor 4 can be stably operated at two points (for example, 1fF and 3fF in the embodiment).
  • FIG. 11 illustrates an embodiment of a ham based on InP
  • FIG. 12 illustrates an embodiment of a ham based on GaAs
  • FIG. 13 illustrates an embodiment of a ham based on GaN.
  • Hamps based on InP or GaAs can implement small time constants based on high electron mobility, and Hamps based on GaN can be strongly resistant to collapse due to bandgap characteristics.
  • the terahertz modulator according to the present invention improves the problem of low modulation index, very low modulation bandwidth, and high operating voltage.
  • the application to terahertz's actual use can be further advanced.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

A terahertz modulator according to the present invention can comprise: a substrate; a first metal provided on the substrate; a second metal provided on the substrate; at least three contact points with which the first metal and the second metal indirectly come in contact; and at least one resonator for adjusting the transmission of terahertz waves, as a closed circuit including the first metal, the second metal, and the at least three contact points. According to the present invention, a modulation index can be increased by 80%, a modulation bandwidth can be increased in GHz, and an operating voltage can be lowered.

Description

테라헤르츠 변조기Terahertz modulator
본 발명은 테라헤르츠와 관련되는 것으로서, 특히, 테라헤르츠 주파수의 파를 변조하는 기술에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to terahertz and, more particularly, to techniques for modulating waves at terahertz frequencies.
테라헤르츠 대역의 파(이하, 테라헤르츠 또는 테라헤르츠 파라고 이름하기도 한다)는 인체에 무해한 등의 장점이 있으나, 신호 제어가 어렵고 상업적으로 사용할 수 있는 강도를 얻어내기 어려운 문제점을 인하여 아직까지 미개척 분야로 남아 있는 실정이다. Waves in the terahertz band (hereinafter also referred to as terahertz or terahertz para) have advantages such as harmless to the human body, but are still unexplored due to difficulties in controlling signals and difficult to obtain commercially available strengths. It remains as it is.
한편, 테라헤르츠 파의 발진 등을 위한 부품기술의 개발은 매우 활발하지만, 테라헤르츠 파의 변조 및 제어를 위한 기술은 아직 충분히 이루어지지 못하고 있다. 그 이유는, 테라헤르츠 파는 마이크로파 주파수 이하의 전파에 비해 전기장 및 자기장의 영향을 거의 받지 아니하여 테라헤르츠 대역의 신호를 제어하기가 어렵기 때문이다. On the other hand, while the development of component technology for oscillation of the terahertz wave, etc. is very active, the technology for modulation and control of the terahertz wave has not been made sufficiently yet. This is because terahertz waves are hardly affected by electric and magnetic fields as compared to radio waves below the microwave frequency, making it difficult to control signals in the terahertz band.
테라헤르츠 변조를 위한 종래기술로서, 비특허문헌 1(Hou-Tong Chen, Willie J. Padilla, Joshua M. O. Zide, Arthur C. Gossard, Antoinette J. Taylor & Richard D. Averitt, "Active terahertz metamaterial devices", Nature 444, 597, 2006.)에는 스플릿 링 공진기(SRR: Split ring resonator) 배열과 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 이용하여 변조하는 기술이 소개된 바가 있다. 본 기술은 SRR 구조의 메타물질(metamaterial)을 전기적으로 제어하는 것으로서, 쇼트키 다이오드에 인가되는 전압에 따라서, SRR의 스플릿 갭의 저항이 공핍영역에 따라서 달라지는 동작을 이용하여, 상기 메타물질의 주파수 특성을 변화시키는 것이다. As a prior art for terahertz modulation, Non-Patent Document 1 (Hou-Tong Chen, Willie J. Padilla, Joshua MO Zide, Arthur C. Gossard, Antoinette J. Taylor & Richard D. Averitt, "Active terahertz metamaterial devices", Nature 444, 597, 2006. has introduced a technique for modulating using a split ring resonator (SRR) array and a Schottky diode. The present technology electrically controls the metamaterial of the SRR structure, and uses the operation in which the resistance of the split gap of the SRR varies depending on the depletion region according to the voltage applied to the Schottky diode. It is to change the characteristics.
더 상세하게 비특허문헌 1의 작용을 설명한다. GaAs 반도체 기판을 이용하고 그 위에 n-GaAs를 성장하고 그 위에 SRR형상을 가지는 쇼트키 컨택을 단일의 메탈로 형성하였다. 따라서, SRR 전체가 하나의 메탈구조로 연결되어 있기 때문에, SRR 전체가 쇼트키 컨택의 역할을 수행하여, 메탈의 하면 전체가 공핍영역을 형성한다. 또한, 오믹컨택은 기판의 가장자리에 배치하여, 쇼트키 컨택이 양극 역할을 하고 오믹컨택이 음극 역할을 한다. The action of Non-Patent Document 1 will be described in more detail. Using a GaAs semiconductor substrate, n-GaAs was grown thereon, and a Schottky contact having an SRR shape thereon was formed of a single metal. Therefore, since the entire SRR is connected by one metal structure, the entire SRR serves as a Schottky contact, so that the entire lower surface of the metal forms a depletion region. In addition, the ohmic contact is disposed at the edge of the substrate so that the Schottky contact serves as the anode and the ohmic contact serves as the cathode.
상기 쇼트키 다이오드에 역전압을 가하면, SRR의 가운데 갭이 위치한 반도체 영역에 공핍영역(depletion)이 생성된다. 이 영역의 크기는 인가전압에 따라 달라진다. 상기 역전압이 커질수록 공핍영역이 커져서, 결국 스플릿 갭(split gap) 전체가 공핍영역이 된다. 그리고, 공핍영역의 유무에 따라 위의 스플릿 갭의 저항이 변한다. 이에 따라서, SRR의 공진주파수가 변화하고 SRR을 통과하는 테라헤르츠의 투과특성이 변화하게 되어 변조가 일어나는 것이다. When a reverse voltage is applied to the Schottky diode, a depletion region is generated in the semiconductor region where the center gap of SRR is located. The size of this area depends on the applied voltage. As the reverse voltage increases, the depletion region becomes large, so that the entire split gap becomes the depletion region. Then, the resistance of the above split gap changes depending on the presence or absence of the depletion region. Accordingly, the resonance frequency of the SRR changes and the transmission characteristics of the terahertz passing through the SRR change, causing modulation.
결국, 공핍영역의 변화에 따른 저항의 변화에 따라서 SRR의 공진주파수가 달라지고, 달라지는 공진주파수에 따라서 특정 주파수에서 테라헤르츠의 투과율이 달라지는 것을 테라헤르츠 변조기에 응용하는 것이다. As a result, the resonant frequency of the SRR varies according to the change of the resistance due to the change in the depletion region, and the transmittance of the terahertz at a specific frequency varies according to the changing resonant frequency.
본 기술에 따르면, 변조지수는 50%로서 중간 정도이고, 변조 대역폭은 ~MHz로서 낮고, 동작전압은 10V로서 높은 수준이다.According to the technique, the modulation index is 50%, medium, the modulation bandwidth is low as ~ MHz, and the operating voltage is high as 10V.
비특허문헌 2(Kleine-Ostmann, T., Dawson, P., Pierz, K., Hein, G. & Koch, “Room-temperature operation of an electrically driven terahertz modulator”, Appl. Phys. Lett 84, 2004.)에는, GaAs HEMT소자를 전기적으로 제어하고, 게이트 아래에 위치하는 채널의 전도도변화에 따라서 테라헤르츠 파가 반사 또는 흡수되는 성질을 이용하여 테라헤르츠의 투과율을 조절하는 기술이 소개된 바가 있다. 본 기술에 따르면, 변조지수는 0.3%로서 매우 낮고, 변조 대역폭은 ~kHz로서 매우 낮다. Non-Patent Document 2 (Kleine-Ostmann, T., Dawson, P., Pierz, K., Hein, G. & Koch, “Room-temperature operation of an electrically driven terahertz modulator”, Appl. Phys. Lett 84, 2004 In (.), A technique of controlling the transmittance of terahertz by electrically controlling the GaAs HEMT device and reflecting or absorbing the terahertz wave according to the change in conductivity of the channel located under the gate has been introduced. According to the present technology, the modulation index is very low as 0.3%, and the modulation bandwidth is very low as ~ kHz.
비특허문헌 3(R.Kersting, G. Strasser, and K. Unterrainer, "Terahertz phase modulator", Electronics Letters 36, 1156, 2000.)에는 파라볼릭 양자우물(PQW: Parabolic Quantum Well)과 쇼트키 다이오드를 이용하고, 상기 파라볼릭 양자우물의 캐리어 농도를 전기적으로 제어하여 테라헤르츠를 위상변조하는 기술이 소개된 바가 있다. 본 기술에 따르면, 대역폭이 ~kHz로서 매우 낮다. Non-Patent Document 3 (R. Kersting, G. Strasser, and K. Unterrainer, "Terahertz phase modulator", Electronics Letters 36, 1156, 2000.) includes parabolic quantum wells (PQW) and Schottky diodes. And a technique of phase modulating terahertz by electrically controlling the carrier concentration of the parabolic quantum well. According to the technique, the bandwidth is very low as ~ kHz.
비특허문헌 4(Petr Kuzel and Filip Kadlec, "Tunable structures and modulators for THz light", Comptes Rendus Physique' 9, 197, 2008.)에는 1-D 광자결정을 광학적으로 제어하는 것으로서, 고출력 레이저를 GaAs표면에 조사하여 생성한 광-여기 캐리어를 사용하여 테라헤르츠를 변조하는 기술을 소개하고 있다. 본 기술은 광변조기술로서 대역폭은 ~GHz로서 매우 좋은 수준이고, 변조지수는 50%로서 낮다. Non-Patent Document 4 (Petr Kuzel and Filip Kadlec, "Tunable structures and modulators for THz light", Comptes Rendus Physique '9, 197, 2008.) has shown that a high-power laser is a GaAs surface for optically controlling 1-D photonic crystals. We introduce a technique for modulating terahertz using photo-excited carriers generated by irradiation with. This technology is optical modulation technology, bandwidth is very good as ~ GHz and modulation index is low as 50%.
상술되는 설명에서 볼 수 있는 바와 같이 현재까지 소개되고 있는 테라헤르츠 변조기술 중에서는 상기 비특허문헌 1이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 그러나, 여전히 변조지수가 낮고, 변조 대역폭이 매우 낮고, 동작전압은 10V로서 높은 수준인 것을 알 수 있다.As can be seen from the description above, it can be seen that the above-mentioned Non-Patent Document 1 is the best among the terahertz modulation techniques introduced to date. However, it can be seen that the modulation index is still low, the modulation bandwidth is very low, and the operating voltage is high as 10V.
본 발명은 상기 비특허문헌 1에 소개되는 종래 기술에서 나타나는 낮은 변조지수의 문제, 매우 낮은 변조 대역폭의 문제, 높은 동작전압의 문제를 개선하고, 그 외에 본 발명의 본질로서 드러나는 다양한 효과를 얻을 수 있는 테라헤르츠 변조기를 개발하였다.The present invention improves the problem of low modulation index, very low modulation bandwidth, and problem of high operating voltage in the prior art introduced in Non-Patent Document 1, and in addition, it is possible to obtain various effects that are manifested as the essence of the present invention. Developed a terahertz modulator.
본 발명에 따른 테라헤르츠 변조기에는, 기판; 상기 기판 상에 제공되는 제 1 메탈; 상기 기판 상에 제공되는 제 2 메탈; 상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 간접적으로 접촉하는 적어도 세 개의 접점; 및 상기 제 1 메탈, 상기 제 2 메탈, 및 상기 적어도 세 개의 접점을 포함하는 폐쇄회로로서, 테라헤르츠 파의 투과를 조절하는 적어도 하나의 공진기가 포함된다. 본 발명에 따르면 접점을 제공하는 물질을 달리함으로써 공진기의 효율을 향상시킬 수 있다. The terahertz modulator according to the present invention includes a substrate; A first metal provided on the substrate; A second metal provided on the substrate; At least three contacts indirectly contacting the first metal and the second metal; And a closed circuit including the first metal, the second metal, and the at least three contacts, wherein at least one resonator is configured to control the transmission of terahertz waves. According to the present invention it is possible to improve the efficiency of the resonator by changing the material providing the contact.
상기 공진기는 적어도 두 개 이상이 상기 기판 상에 어레이로 제공될 수 있다. At least two or more resonators may be provided in an array on the substrate.
상기 접점 중의 적어도 어느 하나는 고정용량 캐패시터로 제공될 수 있고, 상기 고정용량 캐패시터는, 상기 제 1 메탈 및 상기 제 2 메탈이 오버랩되고, 그 계면에 유전층이 개입될 수 있고, 상기 고정용량 캐패시터는 두 개가 공진기의 양 측부에 각각 제공될 수 있다. At least one of the contacts may be provided as a fixed capacitance capacitor, the fixed capacitance capacitor may overlap the first metal and the second metal, a dielectric layer may be interposed at an interface thereof, and the fixed capacitance capacitor may be Two may be provided on each side of the resonator, respectively.
상기 접점 중의 적어도 어느 하나는 가변용량 캐패시터로 제공될 수 있고, 상기 가변용량 캐패시터에는, 상기 기판 상에 제공되는 반도체층; 및 상기 반도체층 상의 보호막이 포함되고, 상기 보호막이 개방된 두 개소를 통하여 상기 메탈이 각각 접촉될 수 있다. 상기 반도체층에 접촉되는 상기 메탈은 나노스케일로 상기 반도체층에 접촉되고 쇼트키 컨택을 이룰 수 있다. 바람직하게 상기 반도체층은 헴트로 제공될 수 있다. 또한, 상기 가변용량 캐패시터는 상기 공진기의 중앙부에 제공되, 상기 가변용량 캐패시터의 하측부에만 공핍영역이 제공될 수 있다. At least one of the contacts may be provided as a variable capacitance capacitor, and the variable capacitance capacitor may include a semiconductor layer provided on the substrate; And a passivation layer on the semiconductor layer, and the metal may be in contact with each other through two places in which the passivation layer is opened. The metal that is in contact with the semiconductor layer may be in nanoscale contact with the semiconductor layer and make a Schottky contact. Preferably, the semiconductor layer may be provided as hept. In addition, the variable capacitance capacitor may be provided at the center portion of the resonator, and a depletion region may be provided only at a lower portion of the variable capacitance capacitor.
상기 적어도 세 개의 접점 중에서, 적어도 하나의 접점은 가변용량 캐패시터이고, 적어도 두 개의 접점은 고정용량 캐패시터이고, 상기 가변용량 캐패시터는 가운데 상기 고정용량 캐패시터는 양 측부에 제공될 수 있다. Among the at least three contacts, at least one contact may be a variable capacitance capacitor, at least two contacts may be a fixed capacitance capacitor, and the variable capacity capacitor may be provided at both sides of the variable capacity capacitor.
다른 측면의 본 발명에 따른 테라헤르츠 변조기에는, 기판; 상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 1 메탈; 상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 2 메탈; 및 상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 접촉하는 적어도 두 개소에서 상기 메탈간의 사이에 각각 제공되는 캐패시터가 포함될 수 있다. According to another aspect of the present invention, a terahertz modulator includes: a substrate; A first metal provided on the substrate in a predetermined shape; A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And a capacitor provided between the metals in at least two places where the first metal and the second metal are in contact with each other.
여기서, 상기 캐패시터는 적어도 하나의 가변용량 캐패시터와 적어도 하나의 고정용량 캐패시터가 포함되어 공진기를 이루고, 상기 공진기는 상기 기판 상에 어레이를 이루도록 제공될 수 있다. 상기 고정용량 캐패시터는 두 개가 제공되고, 상기 가변용량 캐패시터는 하나가 제공고, 상기 고정용량 캐패시터는 테라헤르츠의 고주파에서 볼 때에는 단락되고, 저주파에서는 개방될 수 있고, 상기 공진기는 사각형으로 제공되고, 세로방향이 더 길게 제공할 수 있다.Here, the capacitor may include at least one variable capacitor and at least one fixed capacitor to form a resonator, and the resonator may be provided to form an array on the substrate. Two fixed capacitance capacitors are provided, one variable capacitance capacitor is provided, the fixed capacitance capacitor is shorted at high frequency in terahertz, open at low frequency, the resonator is provided in a square, The longitudinal direction may provide longer.
또 다른 측면의 본 발명에 따른 테라헤르츠 변조기에는, 기판; 상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 1 메탈; 상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 2 메탈; 및 테라헤르츠 파의 투과를 조절할 수 있는 공진기의 어레이가 포함되고, 상기 공진기에는, 상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 접촉하는 적어도 두 개소에 각각 제공되는 캐패시터가 포함되고, 상기 공진기는 스플릿 링 공진기를 제공할 수 있다. 상기 캐패시터는, 상기 스플릿 링 공진기의 중앙부에 제공되는 가변용량 캐패시터; 및 상기 스플릿 링 공진기의 양측부에 각각 제공되는 고정용량 캐패시터가 포함될 수 있다.Another aspect of the terahertz modulator according to the present invention includes a substrate; A first metal provided on the substrate in a predetermined shape; A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And an array of resonators capable of regulating the transmission of terahertz waves, wherein the resonators include capacitors provided at at least two locations where the first metal and the second metal contact each other, and the resonator has a split ring. A resonator can be provided. The capacitor may include a variable capacitance capacitor provided at a central portion of the split ring resonator; And fixed-capacitors respectively provided at both sides of the split ring resonator.
본 발명에 따르면, 변조지수를 80%수준으로 높일 수 있고, 변조 대역폭을 ~GHz로 높일 수 있고, 동작전압을 낮출 수 있는 장점이 있다. 그 외에도 발명의 본질에 따라서 다양한 장점을 얻을 수 있고, 그에 대한 설명은 상세한 설명에서 구체적으로 드러날 것이다.According to the present invention, the modulation index can be increased to 80% level, the modulation bandwidth can be increased to GHz, and the operating voltage can be lowered. In addition, various advantages can be obtained according to the nature of the invention, and a description thereof will be made apparent in the detailed description.
도 1은 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 작용을 설명하는 도면. 1 illustrates the operation of a terahertz modulator according to an embodiment.
도 2는 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기를 설명하는 도면. 2 illustrates a terahertz modulator according to an embodiment.
도 3은 어느 하나의 공진기의 확대도. 3 is an enlarged view of any one resonator.
도 4와 도 5는 각각 도 3의 Ⅰ-Ⅰ'와 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'의 단면도. 4 and 5 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 3 and II-II ′ of FIG. 3, respectively.
도 6은 저주파에서 공진기의 등가회로도이고, 도 7은 고주파에서 공진기의 등가회로도. 6 is an equivalent circuit diagram of a resonator at low frequencies, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a resonator at high frequencies.
도 8와 도 9는 공진기의 형상에 따른 투과특성의 차이를 설명하는 도면.8 and 9 are diagrams illustrating a difference in transmission characteristics according to the shape of a resonator.
도 10은 반도체층에 쇼트키 컨택의 게이트의 길이를 달리하면서 커패시턴스 특성을 측정한 결과한 도면.10 is a result of measuring capacitance characteristics while varying the length of a gate of a Schottky contact on a semiconductor layer.
도 11은 실시예어서 InP에 기반하는 햄트의 일 실시예.11 is an embodiment of a hamt based on InP by way of example.
도 12는 GaAs에 기반하는 햄트의 일 실시예.12 is an embodiment of a hamt based on GaAs.
도 13은 GaN에 기반하는 햄트의 일 실시예.Figure 13 is an embodiment of a hamt based on GaN.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail a specific embodiment of the present invention. However, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments set forth below, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add, change, delete, add, etc. to other embodiments within the scope of the same idea. It may be easily proposed by the present invention, but this will also be included within the scope of the present invention.
실시예의 설명에 있어서 함께 제공되는 도면은, 실제 제품과는 다르게 과장되어 도시될 수 있지만, 이는 발명 사상의 설명을 위한 범위로 이해해야 한다. 또한, 이하의 설명에 있어서도 특별한 지칭이 없는 경우에 종래기술은 상기 비특허문헌 1에 소개되는 기술을 의미하는 것으로 한다. The accompanying drawings in the description of the embodiments may be exaggeratedly shown differently from the actual product, but it should be understood as a scope for explanation of the inventive idea. In addition, in the following description, when there is no special reference, a prior art shall mean the technique introduced by the said nonpatent literature 1.
도 1은 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기의 작용을 설명하는 도면이다. 1 is a view for explaining the operation of the terahertz modulator according to the embodiment.
도 1을 참조하면, 제어신호(controlling signal)가 인가되는 테라헤르츠 변조기(1)의 전방에 테라헤르츠 파가 입사하고, 상기 테라헤르츠 파가 상기 테라헤르츠 변조기(1)를 통과하면 제어신호에 따라서 변조된 변조 테라헤르츠 파가 출사한다. 이에 변조된 신호는 이미지처리 및 압축센싱 등의 다양한 방식으로 이용될 수 있다. Referring to FIG. 1, when a terahertz wave enters the front of a terahertz modulator 1 to which a control signal is applied, and the terahertz wave passes through the terahertz modulator 1, the terahertz wave is controlled according to a control signal. A modulated terahertz wave is emitted. The modulated signal may be used in various ways such as image processing and compression sensing.
도 2는 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기를 설명하는 도면이다. 2 illustrates a terahertz modulator according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 테라헤르츠 변조기는, 기판 상에 공진기(2) 어레이가 제공되고, 각각의 상기 공진기(2)에는 제 1 메탈(11)과 제 2 메탈(12)이 다른 물질을 개입하는 상태로 간접적으로 접촉을 이루는 구조로 제공된다. 따라서, 상기 메탈(11)(12)의 접점이 위치하는 곳에서만 쇼트키 컨택이 제공되고, 쇼트키 컨택에 의한 공핍영역(3)은 상기 메탈(11)(12)의 접점이 위치하는 곳에서만 제공된다. 따라서, 종래기술에 비하여 공핍영역이 좁고, 이에 따라서 공진기의 시정수가 낮아서 변조대역폭은 ~GHz에 이를 수 있다. 또한, 낮은 인가전압으로도 충분히 공진기가 동작할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the terahertz modulator according to the embodiment, an array of resonators 2 is provided on a substrate, and each of the resonators 2 is different from the first metal 11 and the second metal 12. It is provided in a structure that makes indirect contact with the substance. Thus, the Schottky contact is provided only where the contacts of the metals 11 and 12 are located, and the depletion region 3 by the Schottky contact is only where the contacts of the metals 11 and 12 are located. Is provided. Therefore, the depletion region is narrower than the prior art, and thus the time constant of the resonator is low, and thus the modulation bandwidth can reach ~ GHz. In addition, the effect that the resonator can operate sufficiently even at a low applied voltage can be expected.
상기 메탈(11)(12)에는 바이어스 전원(13)에 의한 바이어스 전압이 인가되고, 폐쇄회로를 이루는 상기 메탈(11)(12)의 형상과, 상기 메탈(11)(12) 간의 간접적인 접점이 포함되어 상기 공진기(2)가 제공될 수 있다. A bias voltage by a bias power source 13 is applied to the metals 11 and 12, and the indirect contact between the shapes of the metals 11 and 12 forming a closed circuit and the metals 11 and 12 is applied. It may be provided that the resonator (2).
이하에서는 상기 공진기를 더 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the resonator will be described in more detail.
도 3은 어느 하나의 공진기의 확대도이다. 3 is an enlarged view of any one resonator.
도 3을 참조하면, 상기 공진기(2)는 상기 제 1 메탈(11)과 상기 제 2 메탈(12)이 세 개소에서 서로 간접적으로 접점을 이룬다. 상기 제 1 메탈(11)과 상기 제 2 메탈(12)과 그 접점은 두 개의 사각형의 형상을 이룰 수 있다. 각 접점에 대하여 설명한다. 먼저, 양측 가장자리의 접점에는 용량성분이 고정되는 제 1 고정용량 캐패시터(5) 및 제 2 고정용량 캐패시터(6)가 제공되고, 가운데 부분에는 용량성분이 가변되는 가변용량 캐패시터(4)가 제공된다. 이 공진기의 형태는 스플릿 링 공진기(SRR)라고 할 수 있다. 상기 공핍영역(3)은 상기 가변용량 캐패시터(4)의 하측에만 제공되는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 3, the resonator 2 indirectly contacts the first metal 11 and the second metal 12 at three locations. The first metal 11, the second metal 12, and a contact thereof may form two quadrangular shapes. Each contact is demonstrated. Firstly, the first fixed capacitance capacitor 5 and the second fixed capacitance capacitor 6 on which the capacitive components are fixed are provided at the contacts at both edges, and the variable capacitance capacitor 4 on which the capacitive components are variable is provided at the center portion. . This resonator may be referred to as a split ring resonator SRR. It can be seen that the depletion region 3 is provided only below the variable capacitance capacitor 4.
도 4와 도 5는 각각 도 3의 Ⅰ-Ⅰ'와 도 3의 Ⅱ-Ⅱ'의 단면도이다. 4 and 5 are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 3 and II-II ′ of FIG. 3, respectively.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 가변용량 캐패시터(4)에는, 기판(9) 상에 제공되는 반도체층(7), 상기 반도체층(7)을 덮는 구조로 제공되는 보호막(10), 상기 보호막이 제거되는 서로 이격되는 양측 부분에서 상기 반도체층(7)에 접촉되는 제 1, 2 메탈(11)(12)이 포함된다. 상기 고정용량 캐패시터(5)(6)에는, 유전층(21)이 개입된 상태로 상기 제 1, 2 메탈(11)(12)이 서로 포게지는(overlapped) 구조로 제공된다. 상기 유전층(21)과 상기 보호막(10)은 SiNx를 바람직하게 사용할 수 있다. 3 to 5, the variable capacitance capacitor 4 includes a semiconductor layer 7 provided on the substrate 9, a protective film 10 provided in a structure covering the semiconductor layer 7, and the First and second metals 11 and 12 contacting the semiconductor layer 7 may be included at both side portions spaced apart from each other to remove the protective film. The fixed capacitance capacitors 5 and 6 are provided in a structure in which the first and second metals 11 and 12 are overlapped with each other with the dielectric layer 21 interposed therebetween. The dielectric layer 21 and the passivation layer 10 may preferably use SiN x .
상기 반도체층(7)은 햄트(HEMT: High Electron Mobility Transistor(고전자이동도 트랜지스터))를 바람직하게 예시할 수 있다. 상기 햄트는 이종접합반도체의 계면에 전자의 이동도가 매우 높아지는 2차원 영역(2차원 전자가스: 2DEG)이 생성되도록 하고, 이때 캐리어는 이온산란을 받기 어려워 일반 반도체 중의 캐리어에 비하여 높은 이동도를 가지게 되는 것을 이용한다. 따라서, 높은 반응속도를 얻어낼 수 있는 효과가 있기 때문에 테라헤르츠 변조기에 바람직하게 적용할 수 있다. The semiconductor layer 7 may preferably exemplify a High Electron Mobility Transistor (HEMT). The Hamp allows the formation of a two-dimensional region (two-dimensional electron gas: 2DEG) at the interface of the heterojunction semiconductor is very high, the carrier is difficult to receive the ion scattering, the carrier has a higher mobility than the carrier in the general semiconductor Use what you have. Therefore, the present invention can be preferably applied to a terahertz modulator because there is an effect of obtaining a high reaction rate.
상기 접점에 대하여 더 상세하게 설명한다. The contact point will be described in more detail.
먼저, 상기 가변용량 캐패시터(4)에 있어서, 상기 제 1, 2 메탈(11)(12)은 공진기(2)의 대략 가운데 부분에서 반도체층(7)과 쇼트키 접합을 이룬다. 상기 쇼트키 접합은 테라헤르츠 영역에서 용량성분의 스위칭을 위하여 나노스케일의 게이트 컨택으로 이룰 수 있다. 상기 나노스케일의 쇼트키 컨택이 게이트로서 반도체 평면에 제공되면, 배랙터(varactor)의 특성을 가질 수 있다. 즉 상기 가변용량 캐패시터(4)는 배랙터라고 할 수 있는 것이다. 더 구체적으로는, 상기 배랙터는 메탈(11)-반도체층(7)-메탈(12)의 구성으로 제공되는 것으로서 MSM(Metal Semiconductor Metal) 배랙터라고 할 수 있다. 상기 가변용량 캐패시터(4)는 바이어스 전원(13)으로부터 인가되는 바이어스 전압에 따라서 용량성분이 가변될 수 있다. First, in the variable capacitance capacitor 4, the first and second metals 11 and 12 form a Schottky junction with the semiconductor layer 7 at approximately the center of the resonator 2. The Schottky junction can be made with nanoscale gate contacts for the switching of capacitive components in the terahertz region. When the nanoscale schottky contact is provided to the semiconductor plane as a gate, it may have a varactor characteristic. That is, the variable capacitance capacitor 4 may be referred to as a varactor. More specifically, the varactor may be referred to as a metal semiconductor metal (MSM) varactor, which is provided in the configuration of the metal 11-semiconductor layer 7 and the metal 12. The variable capacitance capacitor 4 may have a variable capacitance according to a bias voltage applied from the bias power source 13.
상기되는 바와 같이 상기 가변용량 캐패시터(4)에서 용량이 가변되는 것에 대하여 설명한다. 먼저, 상기 제 1, 2 메탈(11)(12)과 상기 반도체층(7)이 접촉하여 제공되는 두 개의 나노스케일의 쇼트키 컨택에는, 표면에 제공되는 쇼트키 레이어와, 상기 쇼트키 레이어의 내부에 제공되는 전자이동이 가능한 전자이동가능층(예를 들어, 2DEG(8))이 포함된다. 이때 상기 메탈(11)(12)에서 볼 때, 상기 쇼트키 레이어에 의한 캐패시턴스(C1)와 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)는 서로 직렬연결되는 커패시턴스로 볼 수 있다. 상기 쇼트키 레이어에 의한 캐패시턴스(C1)는 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)에 비하여 매우 크다. 따라서, 두 캐패시턴스(C1)(C2)의 직렬병합시에 캐패시턴스의 총량은 각 커패시턴스의 역수의 합에 대한 역수이므로, 상기 MSM 배랙터의 캐패시턴스는 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)에 의해서 지배된다. 이 경우에, 전자이동가능층의 캐패시턴스(C2)는 상기 바이어스 전압에 따라서 상기 전자이동가능층 내부에서 전자가 양방향으로 이동하면서 서로 대칭적으로 달라진다. 결국, 일정한 바이어스 전압의 범위 내에서만 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)가 달라지고, 다른 경우에는 동일한 커패시턴스를 가지는데, 상기 전자이동가능층에 의한 커패시턴스(C2)가 달라지기 시작하는 바이어스 전압은 실시예의 경우 대략 ±3V로 주어진다. As described above, the variable capacity of the variable capacitor 4 will be described. First, two nanoscale schottky contacts provided by contacting the first and second metals 11 and 12 and the semiconductor layer 7 include a schottky layer provided on a surface and a schottky layer. An electron moveable layer (eg, 2DEG 8) provided therein is included. In this case, when viewed from the metals 11 and 12, the capacitance C1 by the Schottky layer and the capacitance C2 by the electron movable layer may be viewed as capacitances connected in series. The capacitance C1 by the Schottky layer is much larger than the capacitance C2 by the electron-movable layer. Therefore, since the total amount of capacitance in series merging of two capacitances C1 and C2 is an inverse of the sum of the inverses of each capacitance, the capacitance of the MSM varactor is determined by the capacitance C2 by the electron-movable layer. Is dominated. In this case, the capacitance C2 of the electron moveable layer is symmetrically different from each other as electrons move in both directions in accordance with the bias voltage. As a result, the capacitance C2 due to the electron-movable layer varies only within a range of a constant bias voltage, and in other cases, the capacitance C2 is different, and the bias C2 caused by the electron-movable layer starts to vary. The voltage is given in the example of approximately ± 3V.
상기 고정용량 캐패시터(5)(6)에 대하여 설명한다. 상기 제 1 메탈(11) 및 상기 제 2 메탈(12)은, 상기 공진기(2)의 양 측부에서 서로 오버랩되는 구조로 제공된다. 서로 오버랩이 됨으로써 용량성분을 가질 수 있다. 상기 오버랩 구조물은 메탈(11), 유전층(21), 및 메탈(12)의 구조로서, MIM(Metal-insulator-metal) 캐패시터를 구성한다. 이때 고정용량 캐패시터(5)(6)의 커패시턴스는, 메탈이 오버랩되는 면적(A), 유전층(21)의 유전상수(εr), 유전층(21)의 두께(t)에 의해서 수학식 1과 같이 결정된다. The fixed capacitance capacitors 5 and 6 will be described. The first metal 11 and the second metal 12 are provided in a structure overlapping each other at both sides of the resonator 2. By overlapping each other, it may have a capacitive component. The overlap structure is a structure of the metal 11, the dielectric layer 21, and the metal 12, and constitutes a metal-insulator-metal (MIM) capacitor. In this case, the capacitance of the fixed capacitance capacitors 5 and 6 is represented by Equation 1 by the area A where the metal overlaps, the dielectric constant ε r of the dielectric layer 21, and the thickness t of the dielectric layer 21. Is determined as follows.
Figure PCTKR2016007386-appb-M000001
Figure PCTKR2016007386-appb-M000001
상기 수학식 1로 주어지는 상기 고정용량 캐패시터(5)(6)의 커패시턴스는, 테라헤르츠 주파수 영역(예를 들어 1Terahertz)에서 매우 낮은 임피던스를 가질 수 있도록, 매우 크게 설계할 수 있다. 상기 고정용량 캐패시터의 커패시턴스는, 예를 들어 318fF(펨토패럿)이상으로 제공할 수 있다. The capacitance of the fixed capacitance capacitors 5 and 6 given by Equation 1 may be designed to be very large so as to have a very low impedance in the terahertz frequency region (for example, 1 terahertz). The capacitance of the fixed capacitance capacitor can be, for example, provided at 318 fF (femtofarad) or more.
상기되는 설명과 같이 상기 고정용량 캐패시터(5)(6)의 커패시턴스를 크게 하면, 테라헤르츠 신호에서 볼 때, 공진기(2)의 양 측부에 제공되는 고정용량 캐패시터(5)(6)는 없는 것으로서 단락된 것으로 보인다. 그러나, DC신호는 고정용량 캐패시터(5)(6)에 의해서 개방된 것으로서 바이어스 전원(13)에 의해서 바이어스 전압을 인가할 수 있다. As described above, when the capacitance of the fixed capacitance capacitors 5 and 6 is increased, there is no fixed capacitance capacitors 5 and 6 provided on both sides of the resonator 2 in the terahertz signal. It seems to be shorted. However, the DC signal is opened by the fixed capacitance capacitors 5 and 6, and the bias voltage can be applied by the bias power supply 13.
도 6은 저주파에서 공진기의 등가회로도이고, 도 7은 고주파(실시예에서는, 테라헤르츠 주파수)에서 공진기의 등가회로도이다.  FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the resonator at low frequency, and FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the resonator at high frequency (terahertz frequency in the embodiment).
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 가변용량 캐패시터(4)는 바이어스 전압에 따라서 커패시턴스가 변한다. 상기 고정용량 캐패시터(5)(6)는 저주파에서는 개방된 것으로 보이고, 고주파에서는 단락된 것으로 보인다. 따라서, 테라헤르츠의 고주파 영역에서 공진기(2)는 공진회로를 이루게 된다. 테라헤르츠 파가 공진기로 입사할 때, 테라헤르츠 파가 상기 공진기(2)의 공진주파수와 메칭이 되는 주파수인 경우에는, 공진기(2)를 투과하지 못하는 작용을 이끌어 낼 수 있다. 이 상황에서 변조작용을 이끌어낼 수 있다. 상기 공진기의 공진주파수는 수학식 2로 주어질 수 있다. 6 and 7, the capacitance of the variable capacitance capacitor 4 changes according to a bias voltage. The fixed capacitance capacitors 5 and 6 appear to be open at low frequencies and shorted at high frequencies. Therefore, the resonator 2 forms a resonant circuit in the terahertz high frequency region. When the terahertz wave enters the resonator, when the terahertz wave is a frequency matched with the resonant frequency of the resonator 2, the terahertz wave can lead to an operation that cannot penetrate the resonator 2. In this situation, modulation can be induced. The resonant frequency of the resonator may be given by Equation 2.
Figure PCTKR2016007386-appb-M000002
Figure PCTKR2016007386-appb-M000002
여기서 L은 폐회로로서 메탈(11)(12)의 형상이 이루는 인덕턴스이고, Cvar은 상기 가변용량 캐패시터(4)의 커패시턴스이다. 따라서, 전체적으로 사각형으로 예시되는 메탈(11)(12)의 형상을 다양한 방식으로 변경하여 공진기의 인덕턴스를 변경하는 것으로써 공진주파수를 변경시킬 수 있고, 상기 가변용량 캐패시터(4)의 커패시턴서의 상태를 온 또는 오프함으로써(즉, bistable) 변조의 여부를 결정할 수 있다. L is an inductance formed by the shapes of the metals 11 and 12 as a closed circuit, and C var is the capacitance of the variable capacitance capacitor 4. Therefore, the resonance frequency can be changed by changing the inductance of the resonator by changing the shapes of the metals 11 and 12, which are generally illustrated as quadrangles, in various ways, and the capacitance of the capacitor of the variable capacitance capacitor 4 can be changed. By turning the state on or off (ie, bistable), one can determine whether to modulate.
도 8와 도 9는 공진기의 형상에 따른 투과특성의 차이를 예로 들어 설명하는 도면이다. 8 and 9 are views for explaining the difference in transmission characteristics according to the shape of the resonator as an example.
도 8과 도 9를 참조하면, 사각형으로 제공되는 상기 공진기의 종횡비(aspect ratio)를 달리함으로써 변조지수(modulation index)를 조절할 수 있는 것을 알 수 있다. 상세하게 설명하면, 상기 공진기(2)의 2차 공진 주파수(second resonance frequency)는 메탈(11)(12)의 다이폴 공진에 따라 변화하는데, 상기 공진기(2)의 메탈(11)(12)을 변화시켜 세로방향의 길이를 가로방향에 비하여 짧게 하면(즉, 도 9), 상기 2차 공진 주파수를 더 높은 곳으로 천이시킬 수 있고, 스펙트럼은 더욱 평활한 형태로 제공될 수 있다. 8 and 9, it can be seen that the modulation index can be adjusted by varying the aspect ratio of the resonator provided as a quadrangle. In detail, the second resonance frequency of the resonator 2 changes according to the dipole resonance of the metals 11 and 12, and the metals 11 and 12 of the resonator 2 are changed. By changing the length in the longitudinal direction to be shorter than in the transverse direction (ie, FIG. 9), the secondary resonant frequency can be shifted to a higher position, and the spectrum can be provided in a more smooth form.
빗금의 원을 관찰하면, 도 9에서 1fF의 경우에 20%대의 투과율이지만, 3fF의 경우에는 거의 100%의 투과율을 보이는 것을 관찰할 수 있다. 그렇지만, 도 8의 경우에는 1fF의 경우에 20%대의 투과율이지만, 3fF의 경우에는 90%~95%의 투과율을 보이는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 2차 공진주파수를 더 높은 곳으로 천이시킴으로써, 변조효율의 향상과, 평활한 스텍트럼 반응을 얻을 수 있다.Observation of the circle of hatched in Fig. 9 shows a transmittance of 20% in the case of 1fF, but almost 100% in the case of 3fF. However, in the case of FIG. 8, it can be observed that the transmittance of 20% in the case of 1fF, but 90% to 95% in the case of 3fF. Therefore, by shifting the secondary resonant frequency to a higher place, the modulation efficiency can be improved and a smooth spectrum response can be obtained.
도 10은 반도체층에 쇼트키 컨택의 게이트의 길이를 달리하면서 커패시턴스 특성을 측정한 결과이다. 이미 설명한 바와 같이, 상기 쇼트키 컨택은 나노스케일로 제공하고, 이때 게이트 간의 거리는 4㎛이었다. 10 is a result of measuring capacitance characteristics while varying the length of the gate of the Schottky contact in the semiconductor layer. As already explained, the Schottky contacts were provided on a nanoscale, with the distance between the gates being 4 μm.
도 10을 참조하면, 바이어스 전압이 대략 ±3V일 때 커패시턴스의 변화가 일어나는데, 이는 ±3V에서 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)의 변화가 일어나기 시작하고. 일정한 기간(G) 동안은 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)가 급격히 변화하고, ±2V이내에서는 상기 전자이동가능층에 의한 캐패시턴스(C2)가 거의 변하지 않는 것을 보이고 있다. 따라서 상기 가변용량 캐패시터(4)에 의한 커패시턴스는 두 지점(예를 들어, 실시예에서는 1fF 및 3fF)에서 안정적으로 동작할 수 있는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 10, a change in capacitance occurs when the bias voltage is approximately ± 3V, which starts to change in capacitance C2 by the electron-movable layer at ± 3V. It is shown that the capacitance C2 due to the electron-movable layer changes rapidly during a predetermined period G, and that the capacitance C2 due to the electron-movable layer hardly changes within ± 2V. Therefore, it can be seen that the capacitance by the variable capacitance capacitor 4 can be stably operated at two points (for example, 1fF and 3fF in the embodiment).
나노스케일의 상기 쇼트키 컨택의 게이트 길이(L)는 커지면 커질수록, 상기 가변용량 캐패시터(4)가 온/오프됨에 따른 커패시턴스의 차이가 커지게 된다. 이를 적절히 조합하여 사용상태에 적합한 최적의 테라헤르츠 변조기를 얻을 수 있을 것이다. As the gate length L of the schottky contact of the nanoscale becomes larger, the difference in capacitance as the variable capacitor 4 is turned on and off becomes larger. By combining them properly, an optimal terahertz modulator suitable for the state of use will be obtained.
상기 반도체층(7)의 적용예로서, 높은 반응속도를 얻어낼 수 있는 햄트가 사용될 수 있는 것을 설명한 바가 있다. 도 11은 InP에 기반하는 햄트의 일 실시예를 나타내고, 도 12는 GaAs에 기반하는 햄트의 일 실시예를 나타내고, 도 13은 GaN에 기반하는 햄트의 일 실시예를 나타내고 있다. InP 또는 GaAs에 기반하는 햄트의 경우에는 높은 전자이동도에 기반하여 작은 시정수를 구현할 수 있고, GaN에 기반하는 햄트의 경우에는 밴드갭 특성으로 인하여 붕괴에 강하게 저항할 수 있다.As an example of application of the semiconductor layer 7, it has been described that a hamt capable of obtaining a high reaction rate can be used. FIG. 11 illustrates an embodiment of a ham based on InP, FIG. 12 illustrates an embodiment of a ham based on GaAs, and FIG. 13 illustrates an embodiment of a ham based on GaN. Hamps based on InP or GaAs can implement small time constants based on high electron mobility, and Hamps based on GaN can be strongly resistant to collapse due to bandgap characteristics.
본 발명에 따른 테라헤르츠 변조기는, 낮은 변조지수의 문제, 매우 낮은 변조 대역폭의 문제, 높은 동작전압의 문제를 개선하였다. 따라서 고효율의 테라헤르츠 변조기를 제공함으로써 테라헤르츠의 실제 사용에 대한 적용을 한층 더 앞당길 수 있다.The terahertz modulator according to the present invention improves the problem of low modulation index, very low modulation bandwidth, and high operating voltage. Thus, by providing high-efficiency terahertz modulators, the application to terahertz's actual use can be further advanced.

Claims (20)

  1. 기판;Board;
    상기 기판 상에 제공되는 제 1 메탈; A first metal provided on the substrate;
    상기 기판 상에 제공되는 제 2 메탈;A second metal provided on the substrate;
    상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 간접적으로 접촉하는 적어도 세 개의 접점; 및At least three contacts indirectly contacting the first metal and the second metal; And
    상기 제 1 메탈, 상기 제 2 메탈, 및 상기 적어도 세 개의 접점을 포함하는 폐쇄회로로서, 테라헤르츠 파의 투과를 조절하는 적어도 하나의 공진기가 포함되는 테라헤르츠 변조기.And a closed circuit comprising the first metal, the second metal, and the at least three contacts, the terahertz modulator comprising at least one resonator for controlling transmission of terahertz waves.
  2. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 공진기는 적어도 두 개 이상이 상기 기판 상에 어레이로 제공되는 테라헤르츠 변조기.And at least two resonators are provided in an array on the substrate.
  3. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 접점 중의 적어도 어느 하나는 고정용량 캐패시터인 테라헤르츠 변조기.At least one of the contacts is a terahertz modulator.
  4. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein
    상기 고정용량 캐패시터는, The fixed capacitance capacitor,
    상기 제 1 메탈 및 상기 제 2 메탈이 오버랩되고, 그 계면에 유전층이 개입되는 테라헤르츠 변조기.And a terahertz modulator, wherein the first metal and the second metal overlap, and a dielectric layer intervenes at an interface thereof.
  5. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein
    상기 고정용량 캐패시터는 두 개가 공진기의 양 측부에 각각 제공되는 테라헤르츠 변조기.And two fixed capacitance capacitors each provided at both sides of the resonator.
  6. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 접점 중의 적어도 어느 하나는 가변용량 캐패시터인 테라헤르츠 변조기.At least one of the contacts is a terahertz modulator.
  7. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 가변용량 캐패시터에는, The variable capacitance capacitor,
    상기 기판 상에 제공되는 반도체층; 및A semiconductor layer provided on the substrate; And
    상기 반도체층 상의 보호막이 포함되고, A protective film on the semiconductor layer is included,
    상기 보호막이 개방된 두 개소를 통하여 상기 메탈이 각각 접촉되는 테라헤르츠 변조기.And a terahertz modulator in which the metal is in contact with each other through two open portions of the protective film.
  8. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 반도체층에 접촉되는 상기 메탈은 나노스케일로 상기 반도체층에 접촉되는 테라헤르츠 변조기.And the metal in contact with the semiconductor layer is in contact with the semiconductor layer on a nanoscale.
  9. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 반도체층에 접촉되는 상기 메탈은 쇼트키 컨택을 이루는 테라헤르츠 변조기.And the metal in contact with the semiconductor layer makes a Schottky contact.
  10. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 반도체층은 헴트인 테라헤르츠 변조기.The terahertz modulator of the semiconductor layer is a hemp.
  11. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 가변용량 캐패시터는 상기 공진기의 중앙부에 제공되는 테라헤르츠 변조기.And the variable capacitance capacitor is provided at the center of the resonator.
  12. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 가변용량 캐패시터의 하측부에만 공핍영역이 제공되는 테라헤르츠 변조기.And a terahertz modulator provided with a depletion region only below the variable capacitance capacitor.
  13. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 적어도 세 개의 접점 중에서, 적어도 하나의 접점은 가변용량 캐패시터이고, 적어도 두 개의 접점은 고정용량 캐패시터이고, 상기 가변용량 캐패시터는 가운데 상기 고정용량 캐패시터는 양 측부에 제공되는 테라헤르츠 변조기.Wherein said at least one contact is a variable capacitance capacitor, at least two contacts are fixed capacitance capacitors, and said variable capacitance capacitor is provided at both sides of said terahertz modulator.
  14. 기판; Board;
    상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 1 메탈;A first metal provided on the substrate in a predetermined shape;
    상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 2 메탈; 및 A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And
    상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 접촉하는 적어도 두 개소에서 상기 메탈간의 사이에 각각 제공되는 캐패시터가 포함되는 테라헤르츠 변조기.And a capacitor provided between the metals in at least two places where the first metal and the second metal are in contact with each other.
  15. 제 14 항에 있어서, The method of claim 14,
    상기 캐패시터는 적어도 하나의 가변용량 캐패시터와 적어도 하나의 고정용량 캐패시터가 포함되어 공진기를 이루고, The capacitor includes at least one variable capacitance capacitor and at least one fixed capacitance capacitor to form a resonator.
    상기 공진기는 상기 기판 상에 어레이를 이루는 테라헤르츠 변조기.And the resonator is an array on the substrate.
  16. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 고정용량 캐패시터는 두 개가 제공되고, 상기 가변용량 캐패시터는 하나가 제공되는 테라헤르츠 변조기.And two fixed-capacitance capacitors and one variable-capacitance capacitor.
  17. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 고정용량 캐패시터는 테라헤르츠의 고주파에서 볼 때에는 단락되고, 저주파에서는 개방되는 것인 테라헤르츠 변조기.Wherein said fixed capacitance capacitor is shorted at high frequencies in terahertz and open at low frequencies.
  18. 제 15 항에 있어서, The method of claim 15,
    상기 공진기는 사각형으로 제공되고, 세로방향이 더 긴 테라헤르츠 변조기.Wherein said resonator is provided in a quadrangle and has a longer longitudinal direction.
  19. 기판; Board;
    상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 1 메탈;A first metal provided on the substrate in a predetermined shape;
    상기 기판 상에 소정의 형상으로 제공되는 제 2 메탈; 및A second metal provided on the substrate in a predetermined shape; And
    테라헤르츠 파의 투과를 조절할 수 있는 공진기의 어레이가 포함되고, An array of resonators is included that can control the transmission of terahertz waves,
    상기 공진기에는, 상기 제 1 메탈과 상기 제 2 메탈이 접촉하는 적어도 두 개소에 각각 제공되는 캐패시터가 포함되고, The resonator includes a capacitor provided at each of at least two places where the first metal and the second metal contact each other,
    상기 공진기는 스플릿 링 공진기를 이루는 테라헤르츠 변조기.And the resonator is a terahertz modulator forming a split ring resonator.
  20. 제 19 항에 있어서, The method of claim 19,
    상기 캐패시터는, The capacitor,
    상기 스플릿 링 공진기의 중앙부에 제공되는 가변용량 캐패시터; 및A variable capacitance capacitor provided at the center of the split ring resonator; And
    상기 스플릿 링 공진기의 양측부에 각각 제공되는 고정용량 캐패시터가 포함되는 테라헤르츠 변조기.And a terahertz modulator including fixed capacitance capacitors respectively provided at both sides of the split ring resonator.
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