[논문]테라헤르츠 광전자공학

강광용; 백문철; 한석길; 이승권; 김현탁

doi:10.22648/etri.2006.j.210413

테라헤르츠 광전자공학
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강광용 (테라전자소자팀) , 백문철 (테라전자소자팀) , 한석길 (테라전자소자팀) , 이승권 (테라전자소자팀) , 김현탁 (테라전자소자팀)

테라헤르츠 대역(100GHz-10THz)은 광파와 전파의 경계 영역에 존재하며 기술적으로 뒤늦게 개발된 주파수 대역으로 테라헤르츠 대역을 개척하기 위해 최신의 레이저기술, 반도체 기술 및 고온초전도 기술을 사용하는 새로운 전자기파 기술로 발전하였다. 테라헤르츠 전자파 펄스는 펨토초 광펄스에 의한 초고속 광스위치(광전도 안테나),반도체 표면, 양자우물 구조 등의 여기(excitation)에 의해 발생하고, 두 가지 연속파(CW) 레이저 빔을 혼합하면 주파수 가변의 테라헤르츠 전자파가 발생한다. 본 논문에서는 이와 같은 THz 전자파 펄스의 발생 및 검출과 THz 응용분야에 대해 기술하고자한다.

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문제 정의

이러한 신기술의 출현은 다른 방법도 번성시켜 THz 영역의 연구를 여러 각도로 살펴볼 때, 1950년대와 1970년대에 이어 3번째 번성기를 맞고 있다. 본 논문에서는 THz 관련 현상을 가능한한 폭넓게 다루고자 하겠지만, 여기서는 주로 펨토초 광펄스와 반도체 및 유전체와의 상호작용에 의한 THz 파 발생과 그 응용에 국한하여 기술하고자 한다.

제안 방법

원리는 THz 전계를 인가한 E-O 결정을 통과하는 직선 편광된 probe 광의 편광 회전 정도를 검출하여, 입사 THz 전계의 크기를 측정하는 방식이다. E-O 결정으로서는 ZnTe 및 GaP 등이 사용되고, 높은 신호 대 잡음비 (SNR) 가 얻어진다.

대상 데이터

또한 고주파 영역의 특성은 광전도 LT-GaAs 박막의 carrier 의 수명 (t), 안테나의 임피던스 (R) 및 광스위치부의 커패시턴스 (C) 의 곱 RC 에 의해 결정된다. CW 레이저로서는 CW 발진 반도체 레이저 또는 CW Ti: 사파이어 레이저를 사용한다.

성능/효과

이 방법은 결국 직류적으로 수행하고 전류를 사용하는 pump 광에 광 초퍼 (chopper) 를 사용하여 변조를 주고 lock-in 증폭기로 검출한다. 이 방법에 의한 검출 대역은 종래 (~30fs 이상의 광 펄스를 사용하는 경우에는 6~7THz 이하였지만, 최근 15fs 의 광펄스 여기 방식을 택한 경우, 60THz 까지 확장 검출되는 것을 실험적으로 보였다.

후속연구

최근 펨토초 레이저의 괄목할 만한 발전은 5fs 씩 자른 펄스폭을 낼 수 있는 레이저와 증폭기를 일체화시켜 조작이 간단한 고출력의 레이저를 이용할 수 있었기 때문에 새로운 지식을 얻을 수 있다는 것과 응용 분야가 더욱 더 넓어지는 것이 기대된다. 또한 현재로서는 레이저 발진과 광전도 박막의 동작도 800nm 근방에 국한되어 있지만, 1.5“m 파장 대역에서 펨토초 레이저 조사에 의한 THz 펄스파의 발생 연구를 수행할 수 있다면 통신분야에 대한 응용도 확대 가능할 것으로 기대되고 있다.
즉, x(2) 값이 높은 전기광학 결정 내부에 펨토초 광 펄스를 전파시키면 광정류 작용에 의해, 약 1사이클의 THz 펄스파가 체렌코프 원(circle)을 형성하면서 발생한다((그림 1e) 참조). 전기광학재료로 LiTaOa 를 사용한 실험에서는 0~4THz 영역까지를 포함하는 THz 펄스파의 발생이 관측되었지만 [11], (그림 1e) 와 같은 구성은 다루기가 아주 어려워 체렌코프방사를 좀 더 쉽게 얻을 수 있는 방안이 고려되어야 할 것이다[12].
이것은 레이저와 반도체의 신기술응용에 의하여 유도된 결과이지만, 이중에서도 특히 펨토초 레이저와 저온성장 갈륨비소 (LT-GaAs) 의 기여가 아주 컸다. 최근 펨토초 레이저의 괄목할 만한 발전은 5fs 씩 자른 펄스폭을 낼 수 있는 레이저와 증폭기를 일체화시켜 조작이 간단한 고출력의 레이저를 이용할 수 있었기 때문에 새로운 지식을 얻을 수 있다는 것과 응용 분야가 더욱 더 넓어지는 것이 기대된다. 또한 현재로서는 레이저 발진과 광전도 박막의 동작도 800nm 근방에 국한되어 있지만, 1.
5GHz 정도만 되기 때문에 그다지 높은 분해능은 기대하기 어렵다. 측정 대상은 기체, 액체, 고체 등이고 예를 들면, 기체에서는 대기오염 문제와 배기가스 문제 등에 응용이 가능할 것으로 생각된다. 실시간 혼합가스 모니터링 [19] 과불 길 속의 분자조성의 측정 [20], 액체에서는 생체와 연관성이 깊고 중요한 물의 측정 [21], 아울러 고체에 대해서는 반도체, 유전체, 고온초전도체 등 많은 시료에 대한 측정이 이루어지고 있다.
영상을 얻은 결과이다. 캐리어 밀도 차에 의한 농도 이미지를 얻을 수 있기 때문에 Drude 모델과 조합하여 일반 실리콘 웨이퍼의 불순물 농도나 이동 도의 불균일성 매핑이 가능할 것으로 판단된다. 1 Tesla 정도의 자장을 인가하여 THz 홀 (hall) 효과를 사용한 n-GaAs 의 불순물 농도와 이동 후의 불균일성의 영상에 대해서는 미국의 Bell 연구소 연구그룹에 의하여 수행되었다 [28].

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