[논문]포토닉스 기반 테라헤르츠 기술

문기원; 김남제; 이일민; 이의수; 이원희; 고현성; 한상필; 박경현

문제 정의

본 절은 광 기반 테라헤르츠皿) 무선 인터커넥션기술의 일본의 기술동향과 현재 한국전자통신연구원에서 개발중인 시스템에 대해 소개한다.
기술이다. 본고에서는 테라헤르츠 연속파 기술에 핵심적인 소자들을 소개하고, 각 소자들의 개발현황 및 시스템 응용현황 등을 소개하고자 한다.
이러한 금속 나노 구조를 통해 소자의 특성을 획기적으로 개선할 여지가 존재하며, 결정 결함이 없는 통상적인 기판상에 테라헤르츠검출용 포토믹서를 제작할 수 있는지 역시도 중요한 관심 사항으로, 일부 의미 있는 연구결과들이 발표되고 있다[28]. 향후 나노 공정기술과의 결합을 통해 기술적 돌파구가 마련될 수 있을지 그 귀추가 주목된다.

제안 방법

InGaAs/InAlAs 다층 구조의 적용을 통하여 검출용 테라헤르츠 포토믹서를 제작하였다. 테라헤르츠파의 수신 효율을 높이기 위한 광대역 평면 안테나로써, 나선형 로그 안테나를 집적하였으며, 두께가 1.
개발하였다[37]. 광 영역에서 광 강도(Intensity) 를 ASK 변조하여 UTC-PD를 통하여 광 신호를 전기 신호로 변환하여 안테나를 통하여 전송하였다. 이때의 송신 출력은 200μW이다.
-⑹. 두 레이저 사이의 상호작용을 제어하고, 집적된 마이크로히터를 이용하여 각 발진 모드의 동작 파장을 조절하여 비팅 주파수를 300GHz~ 1.31压 이상까지 넓은 범위에서 튜닝하였다. 테라헤르츠 연속파 응용을 위해서는 포토믹싱의 낮은 효율로 30mW 이상의 높은 레이저 출력이 요구되는데, 넓은 튜닝 범위를 유지하면서 반도체 광 증폭기를 집적하여 출력 60mW급의 단일 공진기구조를 갖는 집적형 비팅 광원도 함께 보고되었다[13].
이런 관점에서 단일 칩 소자의 장점은 매우 두드러지며, 특히 ETN는 직접변조가 가능한 DML의 출력을 증가시키기 위해 (그림 2)와 같은 SOA(Semi- conductor Optical Amplifier) 가 집적된 DML 모듈을 개발하였고, 이를 고속의 ECPD와 결합함으로써 고출력의 송신기를 개발하였다. 또한 자체 개발한 쇼트키 다이오드를 수신기로 사용함으로써 THz 무선 인터커넥션 시스템을 (그림 15)와 같이 구성하였다. 이러한 한국전자통신연구원의 포토닉스 기반의 테라헤르츠 핵심 소자기술들은 차별화된 THz 무선 인터커넥션 시스템 개발에서 캐리어 주파수와 전송속도를 향상시키고 소형 경량화 시스템을 개발하기 위한 기반 기술이 된다.
이런 관점에서 단일 칩 소자의 장점은 매우 두드러지며, 특히 ETN는 직접변조가 가능한 DML의 출력을 증가시키기 위해 (그림 2)와 같은 SOA(Semi- conductor Optical Amplifier) 가 집적된 DML 모듈을 개발하였고, 이를 고속의 ECPD와 결합함으로써 고출력의 송신기를 개발하였다. 또한 자체 개발한 쇼트키 다이오드를 수신기로 사용함으로써 THz 무선 인터커넥션 시스템을 (그림 15)와 같이 구성하였다.
테라헤르츠 연속파 발생에 있어서, 비팅 신호를 생성하는 레이저의 선폭, 노이즈 특성, 튜닝 범위 및 위상 안정도 등이 포토믹싱을 통해 발생되는 테라헤르츠 연속파의 물리적인 특성을 결정한다⑼. 또한, 안정적이고 동시에 넓은 파장 범위에서 연속으로 튜닝이 가능한 비팅 광원부 및 이를 증폭하는 증폭부가 테라헤르츠 연속파 시스템의 크기, 소모 전력, 그리고 시스템 응용 분야를 결정하는 매우 중요한 요소로 작용하고 있다.
포토믹서를 제작하였다. 테라헤르츠파의 수신 효율을 높이기 위한 광대역 평면 안테나로써, 나선형 로그 안테나를 집적하였으며, 두께가 1.2皿인 InGaAs 단일막 기판상에 제작된 기준 포토믹서와 그 특성을 비교하였다[(그림 12) 참조].

대상 데이터

(그림 10)은 실제 제작된 쇼트키 다이오드 검출기 사진이다. 사용된 안테나는 광대역 특성을 갖는 square spiral antenna 이다[22].

성능/효과

다층 성장된 InGaAs/InAlAs의 운반자수명은 1.2 피코초 류 필요한 수준의 운반자수명을 확보했으며, 이를 통해 제작된 포토믹서는 기존 포토믹서에 비해 10dB 이상 향상된 신호세기를 나타내었다. 전체 동적 범위 (dynamic range)는 60dB 내외로, 2THz 이상의 주파수범위에 대해 측정이 가능한 것으로 평가되었다.
5mm 간격으로 하나의 라인에 일렬로 연속으로 있으며, 스캔 라인 길이(총 검출 가능 길이)는 12cm이다. 쇼트키 다이오드 어레이 칩의 평균 응답도는 98V/ W@250GHz이며, 평균 NEP(Noise Equivalent Power) 는 106pW/VHz, 최대 검출 가능 주파수는 630GHz로 측정되었다. 평균 응답도가 비교적 낮은 이유는 squarespiral 광대역 안테나를 사용하였기 때문인데, 이 안테나 대신에 horn 공진 안테나를 사용할 경우에 응답 도는 높아질 수 있으나 소형의 어레이 검출기로 구현하기에는 부적합한 구조이다.
2 피코초 류 필요한 수준의 운반자수명을 확보했으며, 이를 통해 제작된 포토믹서는 기존 포토믹서에 비해 10dB 이상 향상된 신호세기를 나타내었다. 전체 동적 범위 (dynamic range)는 60dB 내외로, 2THz 이상의 주파수범위에 대해 측정이 가능한 것으로 평가되었다.

후속연구

장점이 있다. 그러므로 작고 효율적인 테라헤르츠 연속파 시스템의 구성이 가능할 것이다. 이는 현재 실험실 수준에 머물러 있는 테라헤르츠 연속파 기술을 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 수준으로 발전시키는 데에 매우 중요한 의미를 갖는다.
이는 현재 실험실 수준에 머물러 있는 테라헤르츠 연속파 기술을 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 수준으로 발전시키는 데에 매우 중요한 의미를 갖는다. 또한 초소형의 시스템 구성이 가능하여, 테라헤르츠 연속파를 이용한 센싱, 분광 및 무선통신 등 많은 분야에서 이용이 가능할 것이다.
이러한 측면에서, 종래 두 개의 반도체 레이저를 기반으로 구성하던 비팅 광원을 개선하여, 단일 공진기 파장 가변형 이 중 모드 레이저를 사용하여 구성한 최근 기술은 많은 장점을 가지고 있는 기술이다[4][5]. 또한, 외부에 별도로 추가되던 광 증폭기를 이 중 모드 레이저에 집적한 소자도 최근 개발되었으몌6], 향후에도 기능성과 집적도를 높이는 연구는 계속될 전망이다.
테라헤르츠파 검출기를 들 수 있다. 여기에 필요와 용도에 따라 도파로, 필터, 증폭기, 결합/분배기 등 다양한 소자나 하부 시스템이 결합될 수 있을 것이다. 또한 응용분야에 따라, 주파수 분광 시스템, 두께 측정 시스템, 이미징 시스템 등으로 구분할 수 있으며, 투과형, 반사형, 귀환형, 간섭형 등 다양한 구성의 사례가 있을 수 있다.
제작된 쇼트키 다이오드의 특성을 향상시키기 위하여 소자 시리즈 저항과 정전용량을 줄이기 위하여 에피 구조 변경, air bridge 구조 도입[21], IV 특성을 개선하기 위한 공정 개선 연구 등을 수행 중이다. 쇼트키 다이오드 검출기의 responsivity, bandwidth등의 특성은 쇼트키 다이오드와 안테나, 외부회로와의 RF 매칭(inert- ching)에 의해서도 결정되므로 쇼트키 다이오드 임피던스 측정, 안테나 임피던스 측정 방법, 테스트 구조설계 등에 대한 연구를 진행하고 있다[23].
테라헤르츠파 발생기의 출력은 향후 수년 안에 수 mW급으로 발전할 것으로 예측되며, 이에 발맞추어 수신기의 성능도 현저한 개선이 있을 것이다. 이러한 소자의 성능 개선은 필연적으로 그동안 가능성으로만 회자되던 많은 응용 기술의 구현으로 이어지게 되고, 소형, 저가격의 부품, 모듈 및 어레이 기술은 기존 전자업계에서 부품이 차지하는 만큼의 중요성을 갖게 될 것이다.
향후 테라헤르츠 연속파를 이용한 두께 측정 기법은 휴대가 가능한 두께 측정기, 혹은 분광기 등에 응용되어 다양한 산업현장에 널리 쓰일 수 있도록 지금도 개선의 노력이 이루어지고 있다.
기술의 선두주자로 자리매김하였다. 향후의 연구는 광 소자, RF 소자 기술, 모듈 및 시스템 기술 전반을 총망라하는 종합적인 형태로 진행될 것이며, 이를 위 한보다 높은 차원의 국가적 역량 집중이 또한 절실한 시점이다.

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