보고서 정보
주관연구기관 |
한국전자통신연구원 Electronics and Telecommunications Research Institute |
연구책임자 |
박경현
|
참여연구자 |
한상필
,
박정우
,
김현수
,
이일민
,
문기원
,
이의수
,
박동우
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2017-01 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201700008880 |
과제고유번호 |
1711047500 |
사업명 |
한국전자통신연구원연구운영비지원 |
DB 구축일자 |
2017-11-04
|
초록
▼
IV. 연구결과
당해연도 연구개발 목표인 집적형 테라헤르츠 트랜시버 기술개발과 관련하여, 어레이형 테라헤르츠파 발생 및 검출 소자를 개발하였고, 영상, 분광, 통신을 위한 플랫폼 기술을 개발하였다.
반도체 광 증폭기 집적형 광대역 비팅광원을 개발하였고, 신물질을 활용한 테라헤르츠파 발생 및 검출 기술을 연구하였다.
테라헤르츠 분광시스템 응용을 위해 0.3~2 THz의 광대역 파장 가변범위가 요구되고 있으며, 이는 기존의 DML에서 제공하는 파장가변범위로는 확보하기 어려운 수준이다. 이를 위해 기존의 DML의
IV. 연구결과
당해연도 연구개발 목표인 집적형 테라헤르츠 트랜시버 기술개발과 관련하여, 어레이형 테라헤르츠파 발생 및 검출 소자를 개발하였고, 영상, 분광, 통신을 위한 플랫폼 기술을 개발하였다.
반도체 광 증폭기 집적형 광대역 비팅광원을 개발하였고, 신물질을 활용한 테라헤르츠파 발생 및 검출 기술을 연구하였다.
테라헤르츠 분광시스템 응용을 위해 0.3~2 THz의 광대역 파장 가변범위가 요구되고 있으며, 이는 기존의 DML에서 제공하는 파장가변범위로는 확보하기 어려운 수준이다. 이를 위해 기존의 DML의 활성층에 비대칭적 다중양자우물을 적용, 광대역 주파수 튜닝을 가능하게 하였다. 또한, Spot-size converter를 적용, 효율을 개선하였다. 이를 통해 4 nm 튜닝 범위에서 9dB 감소하던 출력을 3dB 수준으로 개선하였다. 튜닝 범위를 더욱 확대하기 위해 2개의 DML을 Y-branch 구조를 통해 하나로 집적, 보다 광대역 튜닝이 가능한 소자를 설계하였다.
비팅신호를 테라헤르츠파로 변환하기위한 UTC-PD 포토믹서 소자를 개발하였고, 이를 어레이화하기위한 고저항 실리콘 렌즈 집적형 포토믹서 모듈을 제작하였다. 300 GHz에서 25 uW 이상의 높은 값을 얻었으며, 모듈을 어레이화함으로써 100 uW이상의 고출력을 달성 가능함을 확인하였다.
고속 실시간 이미징을 위한 어레이형 Schottky Barrier Diode를 개발하였다. 소자 특성의 균일성을 측정, 대면적 어레이화 가능한 수준의 공정 균일도를 확보하였다.
UTC-PD를 이용하여 발생된 테라헤르츠 연속파를 Photomixer 및 Schottky barrier diode로 측정함으로써 광대역 테라헤르츠 분광플랫폼을 구축하였다. Photomixer를 이용한 연속파 테라헤르츠 분광플랫폼의 경우, 2.7 THz의 밴드폭과 90 dB의 Dynamic range를 확보하였고, 300 GHz 기준 실제 출력은 대약 30uW인 것으로 나타났다.
SBD를 이용한 테라헤르츠 분광 플랫폼의 경우 1.5 THz의 밴드폭과 80dB의 SNR을 확보할 수 있었다.
고속 실시간 테라헤르츠 영상을 위한 플랫폼 기술을 개발하였다.
헤테로다인 검출 방식을 이용한 테라헤르츠 연속파 투과 영상플랫폼을 개발하였고, 래스터 스캔 기반으로 시스템을 구성하였으며,테라헤르츠 발생원으로 250 GHz Gunn diode를 사용하였다. 검출기로는 SBD가 사용되었다. 이를 통해 금속 재질의 시료 형상, 연질 흡수물질의 시료 형상에 대한 영상이 성공적으로 얻어졌다.
또한, 호모다인 검출 방식을 이용한 래스터 스캔 방식의 2차원 투과 영상 플랫폼을 개발하였다. 자체개발한 UTC-PD와 Photomixer를 각각 광원 및 검출기로 사용, 의료용 칼과 교통카드 등의 투과영상을 얻었으며, 1mm의 최대 해상도를 얻었다.
Gunn diode와 자체 개발한 1x60 SBD 어레이 소자를 이용, 1D 라인빔스캔 기반 투과 영상 시스템을 개발하였다. 이를 통해 약 4cm/s 속도로 움직이는 시료를 실시간으로 이미징하여, 의료용 칼 및 와셔 등의 금속 재질 시료의 투과 영상을 획득하였다.
보다 높은 활용도를 위해 갈바노 미러 적용한 반사형 1D 라인빔스캔 기반 영상 시스템을 개발하였다. 보다 높은 신호대잡음비를 위해 BCB 층을 도입한 고감도 어레이 SBD 검출소자를 개발하였고,이를 이용하여 살아 움직이는 배추흰나비 애벌레의 실시간 테라헤르츠 영상을 얻었다. 30 frame/s 이상의 빠른 속도로 측정이 가능하였다.
갈바노 미러 라인빔 형성 방식을 이용한 라인 스캔 반사영상플랫폼을 구축, 반사영상을 얻었다. 자체 제작한 1x100 쇼트키다이오드 어레이와 UTC-PD를 각각 검출기/발생기로 이용하였으며, 50mm 이상의 영상 폭을 얻었다. 이를 이용, 교통카드를 성공적으로 이미징하였다.
테라헤르츠 연속파 분광 플랫폼을 구축, 염화수소 가스의 흡수스펙트럼을 측정하였다. 기존 펄스 테라헤르츠 분광 시스템과 비교,보다 우수한 주파수 해상도를 얻었으며, 특정 주파수에 대한 선택적분광을 시연, 연속파 테라헤르츠 분광 시스템의 장점을 확보하였다.
테라헤르츠 무선 통신 기술을 위한 통신 플랫폼을 구축하였다.
Mach-Zenhder modulator를 이용한 광변조 방식을 이용, 2.5 Gbps의 변조 속도에서 깨끗한 eye pattern을 얻었고, BER 10-9를 달성하였다.
TX로 UTC-PD, RX로 SBD를 이용하였으며, 별도의 전치증폭기를 사용하였다. 10 Gbps까지 eye pattern을 확인하였다. 보다 높은 bit rate를 확보하기 위해 10Gbps direct detection용 receiver를 제작하였다. 전치증폭기로 15 dB gain과 20 GHz BW를 갖는 LNA를 사용하였고, post amplifier로써 10 Gbps급 상용 limiting amplifier를 사용하였다. Receiver 특성을 평가하였으며, 10 Gbps에서 깨끗한 eye diagram을 얻었다.
양방향 통신을 위한 Rowland grating을 디자인하여 수치해석을 통해 검증하였다. 차주파수 25 GHz를 3도 이상의 각도차로 분리하였으며, crosstalk은 40dB 이하임을 확인하였다. 향후 실제 제작을 통하여 파장분할필터로써의 동작과 함께 양방향 통신을 위한 기본 플랫폼으로서의 가능성을 검증할 예정이다.
갈바노 기반 2차원 실시간 테라헤르츠 반사 영상 구현을 위해 f-theta lens를 설계하였다. 두 가지의 서로 다른 영상계에 대해 렌즈 설계를 수행하였고, 렌즈 물질로써 PTFE와 HDPE의 두 물질을 이용하기 위해 그 굴절율과 손실율을 반영하였다. 상용 렌즈 설계도구인 Zmax를 사용, HDPE를 이용한 telecentric f-theta 렌즈를 설계하였고, 실제 제작하여 대략적인 측정을 수행하였다. 사입사를 위한 f-theta 렌즈를 설계하였고, 각각의 렌즈에 대해 이미지 평면에서의 초점 형성 등을 연구하였다.
UTC-PD 모듈 4개를 어레이화하여 고출력 라인빔 기반 이미징 시스템을 구축하였고, 라인빔 1-D scan을 통해 교통카드 투과 영상을 얻었다. SBD 어레이소자와 이의 구동을 위한 controller를 제작하였다.
저온성장 물질의 한계를 벗어나기 위해 MOCVD 성장막 기반나노전극 포토믹서를 연구하였다. 나노전극을 기존 소자 구조에 적용함으로써 전자 포집 효율을 높일 수 있었고, 결과적으로 MBE법을 이용한 저온성장 반도체 물질 없이도 테라헤르츠파 검출 소자를 제작할 수 있다는 가능성을 보였다. 또한 연속파 테라헤르츠 발생소자 역시 MOCVD를 이용한 기존 반도체 박막과 나노전극을 이용함으로써 제작 가능함을 보였고, 흡수층의 두께와 전극의 형상이 연속파 테라헤르츠파 발생 소자의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 연구하였다.
그래핀을 이용한 테라헤르츠 검출 소자를 제작하였으며, 지난 연도에 래스터 스캔 기반 이미징을 시연한 데 이어, 이번 연도에는 어레이 소자를 제작하였다. 전기적 특성을 평가하였으며, 향후 추가 연구가 진행될 예정이다.
차세대 테라헤르츠 발생 소자로써 양자폭포 레이저 개발을 위한 기초 연구를 수행하였다. 러시아 Mosocow State University과의 긴밀한 협조 하에 epi wafer를 확보, 기본적 물성 및 구조 측정을 수행하였고, 소자 제작을 위한 공정 및 측정 기법에 대해 연구하였다.
향후 실제 소자 제작 및 측정이 이루어질 예정이다.
( 출처 : 요약문 6p )
Abstract
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Ⅳ. RESULTS
We have developed array type terahertz wave generation and detection device and developed platform technology for image, spectroscopy and communication in relation to the development of integrated type terahertz transceiver technology, which is the research and development target of th
Ⅳ. RESULTS
We have developed array type terahertz wave generation and detection device and developed platform technology for image, spectroscopy and communication in relation to the development of integrated type terahertz transceiver technology, which is the research and development target of the year. Semiconductor optical amplifier integrated broadband beating light source was developed, and terahertz wave generation and detection technology using new material was studied.
For the application of the terahertz spectroscopy system, a broadband tunable range of 0.3 ~ 2 THz is required, which is difficult to achieve with the wavelength tunable range provided by the conventional DML. For this purpose, the asymmetric multi - quantum well is applied to the active layer of the DML to enable tuning of the wideband frequency. In addition, the spot-size converter was applied to improve the efficiency. As a result, the output decreased by 9dB in the 4nm tuning range to 3dB level. To further expand the tuning range, two DMLs are integrated into a single Y-branch structure, and a broadband tunable device is designed.
We have developed a UTC-PD photo-mixer device for converting the beating signal into terahertz wave and fabricated a high-resistance silicon lens integrated photo-mixer module for arraying it. At 300 GHz, we obtained a high value of more than 25 uW. We confirmed that high power of 100 uW or more can be achieved by making the module array.
An array type Schottky barrier diode for high speed real - time imaging has been developed. The uniformity of the device characteristics was measured, and the process uniformity was ensured to the extent that a large area array could be obtained.
A broadband Terahertz spectral platform was constructed by measuring the terahertz continuous wave generated by UTC-PD with a photomixer and a Schottky barrier diode. The continuous wave terahertz spectroscopy platform using Photomixer has a bandwidth of 2.7 THz and a dynamic range of 90 dB, and the actual output at 300 GHz is about 30 uW. In the case of the terahertz spectral platform using SBD, the bandwidth of 1.5 THz and SNR of 80dB were obtained.
We developed platform technology for high-speed real-time terahertz video. A terahertz continuous wave transmission image platform using heterodyne detection system was developed, and a system was constructed based on raster scan. A 250 GHz gunn diode was used as a terahertz source. SBD was used as the detector. As a result, images of the shape of the metal material and the shape of the soft absorbing material were successfully obtained.
In addition, a raster scanning two - dimensional transmission image platform using homodyne detection method was developed. Using UTC-PD and Photomixer developed as a light source and detector respectively, we obtained transmission image of medical knife and transportation card, and got maximum resolution of 1mm.
We developed a 1D line beam scanning based transmission image system using Gunn diode and our developed 1x60 SBD array device.
Through this, a moving image of about 4cm / s was imaged in real time, and a transmission image of a metal sample such as a medical knife and washer was obtained.
We have developed a reflective 1D line beam scanning based image system using galvanometer mirror for higher utilization. We developed a high sensitivity array SBD detector using a BCB layer for higher signal - to - noise ratio and obtained a real - time terahertz image of a living parasitic larvae. It was possible to measure at high speed of 30 frame / s or more.
We constructed a line scan reflection platform using Galvano mirror line beamforming method and obtained a reflection image. We used our own 1x100 Schottky diode array and UTC-PD as detectors / generators, respectively, and obtained image widths over 50mm. Using this, we successfully imaged the traffic card.
A terahertz continuous wave spectroscopy platform was constructed and the absorption spectrum of hydrogen chloride gas was measured. Compared to conventional pulse terahertz spectroscopy system, we obtained better frequency resolution, demonstrated selective spectroscopy for specific frequency, and secured the advantage of continuous wave terahertz spectroscopy system.
We have established a communication platform for terahertz wireless communication technology. Using a Mach-Zenhder modulator, we obtained a clean eye pattern at a modulation rate of 2.5 Gbps and achieved BER 10-9. The eye pattern was confirmed up to 10 Gbps.
In order to secure a higher bit rate, a receiver for 10Gbps direct detection was fabricated. LNAs with 15 dB gain and 20 GHz BW were used as preamplifiers, and 10 Gbps class limiting amplifiers were used as post amplifiers. Receiver characteristics were evaluated and a clean eye diagram was obtained at 10 Gbps.
Rowland grating for bidirectional communication was designed and verified by numerical analysis. It is confirmed that the difference frequency of 25 GHz is separated by more than 3 degrees and the crosstalk is less than 40dB. In future, we will verify the feasibility as a basic platform for bidirectional communication as well as operation as a wavelength division filter through actual production.
The f-theta lens was designed for Galvano-based 2D real-time terahertz reflection imaging. The lens design was performed for two different imaging systems, and the refractive index and the loss rate were used for PTFE and HDPE as lens materials. The telecentric f-theta lens using HDPE was designed using Zmax, a commercial lens design tool. We have designed f-theta lenses for incident lenses and studied focus formation in the image plane for each lens.
A high power line beam based imaging system was constructed by arraying four UTC-PD modules, and a traffic card transmission image was obtained through a line beam 1-D scan. The SBD array device and the controller for its operation were fabricated.
To overcome the limitation of low - temperature grown materials, MOCVD grown film - based nanoelectrode photomixers were studied. It is possible to fabricate a terahertz wave detection device without the low-temperature growth semiconductor material using the MBE method. In addition, the continuous wave terahertz device was fabricated by using the conventional semiconductor thin film and nanoelectrode using MOCVD, and the effect of the thickness of the absorption layer and the shape of the electrode on the performance of the continuous wave terahertz wave generating device was systematically studied.
A terahertz detector using graphene was fabricated, and the raster scan based imaging was demonstrated in last year, and array devices were made this year. Electrical characteristics were evaluated and further studies will be conducted in the future.
As a next generation terahertz generation device, basic research for quantum cascade laser development was carried out. We worked closely with Mosocow State University in Russia to secure epi wafers, to perform basic physical and structural measurements, and to study process and measurement techniques for device fabrication. Actual device fabrication and measurement will be done in the future.
( 출처 : Abstracts 11p )
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 인사말씀 ... 3
- 제출문 ... 5
- 요약문 ... 6
- ABSTRACT ... 11
- CONTENTS ... 16
- 목차 ... 19
- 표목차 ... 21
- 그림목차 ... 22
- 제1장 서 론 ... 28
- 제1절 사업 개요 ... 28
- 제2절 사업 목표 및 내용 ... 28
- 제3절 사업 수행체계 ... 30
- 제4절 보고서 체계 ... 30
- 제2장 연구개발 동향 분석 ... 31
- 제1절 연구개발과제의 중요성 ... 31
- 제2절 테라헤르츠 기술의 시장 동향 ... 40
- 제3절 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 기술 개발의 의미 ... 49
- 제3장 튜너블 테라헤르츠 트랜시버 기술 개발 ... 52
- 제1절 당해년도 연구목표 및 내용 ... 52
- 1. 연구개발 목표 ... 52
- 2. 연구개발 내용 ... 52
- 제2절 집적형 테라헤르츠 트랜시버 기술 개발 ... 53
- 1. 어레이형 테라헤르츠파 발생 및 검출 소자 기술 개발 ... 53
- 2. 테라헤르츠파 발생 기술 ... 84
- 3. 테라헤르츠 응용플랫폼 기술 개발 ... 87
- 4. 집적형 테라헤르츠파 발생 기술 ... 119
- 5. 신물질을 활용한 테라헤르츠파 발생기술 ... 123
- 제4장 연구결과의 활용계획 ... 144
- 제1절 성과 확산 계획 ... 144
- 제2절 기술이전을 통한 기업화 추진방안 ... 147
- 제5장 결론 및 건의사항 ... 150
- 제1절 결 론 ... 150
- 제2절 건의사항 ... 151
- 참고문헌 ... 153
- 약어표 ... 155
- 끝페이지 ... 157
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