KR101978983B1

KR101978983B1 - Wide area array type photonic crystal photomixer for generating and detecting broadband terahertz wave

Info

Publication number: KR101978983B1
Application number: KR1020130103230A
Authority: KR
Inventors: 문기원; 류한철; 한상필; 박경현
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2019-05-17
Also published as: KR20140092203A

Abstract

본 발명은 연속 주파수 가변형 및 펄스형 테라헤르츠파 발생의 핵심인 광대역 포토믹서 기술에 관한 것이다. 2차원 광결정 구조의 투과 특성을 응용하여 광흡수도를 향상시키고, 이를 통해 테라헤르츠파의 발생 효율을 높일 수 있다. 이와 함께 interdigit 구조의 적용 및 다양한 주기를 갖는 광결정 구조를 공간적으로 적절히 배치함으로써 대면적 어레이형 테라헤르츠 포토믹서를 구현할 수 있다. 이를 통해 광흡수부의 높은 광 밀도를 완화하여 열특성 및 광정렬의 어려움을 해결하고, 낮은 광전 변환효율을 획기적으로 개선한다. 덧붙여, 본 기술을 통해 테라헤르츠파의 방사 패턴은 전기적으로 제어될 수 있다.The present invention relates to a broadband photomixer technique that is key to continuous frequency tunable and pulsed terahertz wave generation. By applying the transmission characteristics of the two-dimensional photonic crystal structure, the light absorbance can be improved and the generation efficiency of the terahertz wave can be increased. In addition, a large-area array type terahertz photomixer can be realized by applying an interdigit structure and appropriately arranging photonic crystal structures having various periods in a space. This alleviates the high optical density of the light absorbing part to solve the difficulty of thermal property and optical alignment, and dramatically improves the low photoelectric conversion efficiency. In addition, the radiation pattern of terahertz waves can be electrically controlled through this technique.

Description

광대역 테라헤르츠파 발생 및 검출용 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서{Wide area array type photonic crystal photomixer for generating and detecting broadband terahertz wave}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a photonic crystal photomixer for generating and detecting broadband terahertz waves,

본 발명은 광발생 및 흡수 기술에 관한 것으로, 특히 테라헤르츠파를 발생을 위한 연속 주파수 가변형 및 펄스형 광대역 포토믹서 기술에 관한 것이다.
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to light generation and absorption techniques, and more particularly to continuous frequency tunable and pulsed broadband photomixer techniques for generating terahertz waves.

전형적으로, 전자기파 스펙트럼 대역에서 0.1 ~ 10THz (1THz: 10¹²Hz) 영역은 테라헤르츠파로 정의되고 있다. 특히, 0.1 ~ 3THz 영역은 매우 다양한 분자들의 회전 및 공진주파수들이 존재하는 영역이다. 이들 분자지문들을 테라헤르츠파를 활용하여 비파괴, 미개봉, 비접촉법으로 획득함으로써 의료, 의학, 농업식품, 환경계측, 바이오, 통신, 비파괴 조사, 첨단재료평가 등에서 지금까지 없었던 신개념의 미래 핵심 기술 제공이 가능해질 수 있다. 이에 따라 관련 핵심기술 개발에 매우 치열한 경쟁이 진행되고 있다. Typically, the region of 0.1 to 10 THz (1 THz: 10 ¹² Hz) in the electromagnetic wave spectrum band is defined as a terahertz wave. In particular, the 0.1 to 3 THz region is the region where the rotational and resonant frequencies of a very wide variety of molecules are present. By acquiring these molecular fingerprints using non-destructive, unspared, and non-contact methods using terahertz waves, we are able to provide new conceptual core technologies that have never been seen before in medical, medicine, agricultural food, environmental measurement, biotechnology, communications, It can be possible. As a result, there is intense competition for the development of related core technologies.

테라헤르츠 파는 수 meV수준의 매우 낮은 에너지를 가지므로 인체에 영향이 거의 없다. 따라서, 인간중심의 유비쿼터스 사회 실현의 핵심기술들 중 하나로 대두된 테라헤르츠파 처리 기술은 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되지만, 아쉽게도 실시간, 포터블, 저가격, 광대역 등의 이슈를 동시에 만족할만한 기술이 아직까지 개발되지 못하였다. 하지만, 지속적인 기술력 향상으로 테라헤르츠 분광 및 영상 분야 활용에 관한 다양한 제시가 이루어지고 있는 상황이다.
The terahertz wave has very low energy of several meV level and has little effect on the human body. Therefore, the demand for terahertz wave processing technology, which is one of the key technologies for the realization of the human-centered ubiquitous society, is expected to increase rapidly. However, unfortunately, technologies satisfying the real time, portable, low price, It was not developed. However, with the continuous improvement of technology, various suggestions are being made about using terahertz spectroscopy and image field.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 테라헤르츠 파의 발생 효율을 높이고 대면적의 포토믹서를 제작할 수 있는 포토닉 크리스탈 포토믹서를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a photonic crystal photo-mixer capable of increasing the efficiency of generation of terahertz waves and producing a large-area photomixer.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 테라헤르츠 파의 방사 패턴을 전기적으로 제어할 수 있는 광대역 테라헤르츠파 발생 및 검출용 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서를 제공함에 있다.
It is another object of the present invention to provide a large-area array type photonic crystal photo-mixer for generating and detecting a broadband terahertz wave capable of electrically controlling a radiation pattern of a terahertz wave.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 개념의 일 양상(an aspect)에 따라, 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서는,According to an aspect of the concept of the present invention to achieve the above object, a large area array type photonic crystal photo-

평행으로 서로 이격되며 바이어스 전압에 연결된 복수의 제1 전극들;A plurality of first electrodes spaced apart from each other in parallel and connected to a bias voltage;

상기 제1 전극들 사이에 설치되며 접지레벨에 연결된 제2 전극; A second electrode disposed between the first electrodes and connected to a ground level;

기판에 형성된 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1 전극들 중 상부 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제1 단위 금속 셀 어레이를 포함하는 제1 포토닉 크리스탈; 및 And a plurality of first unit metal cell arrays formed between the upper first electrode and the second electrode of the first electrodes and arranged at predetermined intervals at an upper portion of the photoconductive layer formed on the substrate, crystal; And

상기 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1 전극들 중 하부 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제2 단위 금속 셀 어레이를 포함하는 제2 포토닉 크리스탈을 구비하는;And a second photonic crystal including a plurality of second unit metal cell arrays formed between the lower first electrode and the second electrode among the first electrodes on the photoconductive layer at predetermined intervals, ;

서브 포토믹서 어레이를 포함한다. And a sub-photomultiplier array.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 개념의 다른 양상에 따라, 포토믹서용 포토 컨닥티브 스위치는,According to another aspect of the present invention, there is provided a photoconductive switch for a photomultiplier,

제1 레벨의 전압에 연결되는 제1 전극;A first electrode coupled to a first level of voltage;

제2 레벨의 전압에 연결되는 제2 전극; 및A second electrode coupled to a second level voltage; And

기판에 형성된 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1,2 전극들 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 단위 금속 셀 어레이를 포함하는 포토닉 크리스탈을 포함한다. And a photonic crystal including a plurality of unit metal cell arrays formed between the first and second electrodes at an upper portion of the photoconductive layer formed on the substrate and arranged at preset intervals.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 개념의 또 다른 양상에 따라, 광대역 테라헤르츠파 발생 및 검출용 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서는,According to another aspect of the present invention, there is provided a photodetector array photonic crystal photo-mixer for generating and detecting broadband terahertz waves,

평행으로 서로 이격되며 복수의 바이어스 전압들에 각기 연결된 복수의 제1 전극들;A plurality of first electrodes spaced apart in parallel and connected to a plurality of bias voltages, respectively;

평행으로 서로 이격되고 상기 제1 전극들에 대응적으로 각기 설치되며 접지레벨에 공통 연결된 복수의 제2 전극들; 및 A plurality of second electrodes spaced apart from each other in parallel, each corresponding to the first electrodes and connected in common to a ground level; And

기판에 형성된 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1 전극들 중 대응되는 제1 전극들 간에 상기 제2 전극들 중 대응되는 제2 전극을 기준으로 대칭적으로 형성되며 미리 설정된 간격으로 각기 배열된 복수의 제1,2 단위 금속 셀 어레이들을 포함하는 제1,2 포토닉 크리스탈들을 구비하는 서브 포토믹서 어레이를 복수로 포함한다.
A plurality of first electrodes formed symmetrically with respect to a corresponding second electrode of the second electrodes among the first electrodes among the first electrodes on the top of the photoconductive layer formed on the substrate, And a plurality of first photonic crystals including first and second unit metal cell arrays of the first and second unit metal cell arrays.

상기한 바와 같은 본 발명의 예시적 구성에 따르면, 테라헤르츠 파의 발생 효율이 높아지고, 대면적 어레이 형의 포토믹서가 용이하게 제작될 수 있다. According to the exemplary configuration of the present invention as described above, the efficiency of generation of a terahertz wave is increased, and a large area array type photo-mixer can be easily manufactured.

또한, 테라헤르츠 파의 방사 패턴이 전기적으로 제어된다.
In addition, the radiation pattern of the terahertz wave is electrically controlled.

도 1은 통상적인 THz TDS(Time domain spectroscopy)시스템 개요를 나타내는 도면이다.
도 2는 통상적인 THz FDS (Frequency domain spectroscopy) 시스템 발생부 개요를 나타내는 도면이다.
도 3은 통상적인 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 테라헤르츠파 발생용 평판형 포토믹서 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 안테나가 집적된 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 평면 형상이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 포토닉 크리스탈 기반 포토컨닥티브 스위치의 예시를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 포토닉 크리스탈을 구성하는 단위 금속 셀 어레이를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서의 단위 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 방사 패턴 조절이 가능한 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서를 예시적으로 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing an overview of a typical THz time domain spectroscopy (TDS) system.
FIG. 2 is a diagram showing an overview of a typical THz frequency domain spectroscopy (FDS) system generating unit.
3 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional photomixer for generating a terahertz wave.
4 is a view showing an equivalent circuit of the photomixer for generating the terahertz wave shown in FIG.
5 is a view showing a structure of a planar photomixer for generating the terahertz wave of FIG.
6 is a plan view of a terahertz wave generating photomixer integrated with the antenna of FIG.
7 is a diagram illustrating an example of a photonic crystal based photoconductive switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view exemplarily showing a unit metal cell array constituting the photonic crystal of FIG. 7. FIG.
9 is a view illustrating an exemplary large area array type photonic crystal photomixer according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a unit structure of the large area array type photonic crystal photomixer of FIG. 9; FIG.
11 is a view illustrating an exemplary large-area array type photonic crystal photo-mixer capable of adjusting a radiation pattern according to another embodiment of the present invention.

위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art, without intention other than to provide an understanding of the present invention.

본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자 블록에 연결된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자 블록에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다. In this specification, when it is mentioned that some element or lines are connected to a target element block, it also includes a direct connection as well as a meaning indirectly connected to the target element block via some other element.

또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다. 일부 도면들에 있어서, 소자 및 라인들의 연결관계는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 나타나 있을 뿐, 타의 소자나 회로블록들이 더 구비될 수 있다. In addition, the same or similar reference numerals shown in the drawings denote the same or similar components as possible. In some drawings, the connection relationship of elements and lines is shown for an effective explanation of the technical contents, and other elements or circuit blocks may be further provided.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함될 수 있으며, 포토믹서에 대한 기본적 동작과 물성적 설명의 세부는 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 상세히 설명되지 않을 것이다. Each embodiment described and exemplified herein may also include its complementary embodiment, and the basic operation of the photomixer and the details of the physical property description will not be described in detail to avoid obscuring the gist of the present invention.

도 1은 통상적인 THz TDS(Time domain spectroscopy)시스템 개요를 나타내는 도면이고, 도 2는 통상적인 THz FDS (Frequency domain spectroscopy) 시스템 발생부 개요를 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an overview of a conventional THz (Time domain spectroscopy) system, and FIG. 2 is a diagram illustrating an overview of a conventional THz frequency domain spectroscopy (FDS) system generation unit.

고출력의 파워 및 고감도 어레이형 검출기 채택이 필수적인 테라헤르츠 영상분야와 달리 테라헤르츠 분광에서는 광대역의 테라헤르츠파원이 시스템의 핵심기술로 되며 이는 광 기술에 기반되고 있다.Unlike terahertz imaging where high power and high sensitivity array-type detectors are essential, terahertz spectroscopy is the core technology of broadband terahertz spectroscopy, which is based on optical technology.

최근까지 가장 광범위하게 사용되고 있는 광대역 테라헤르츠 시스템은 도 1에서와 같은 THz-TDS(Time Domain Spectroscopy)이다. THz-TDS는 펨토초급 초단 펄스레이저를 초고속 응답속도를 가지는 반도체에 조사시켜 테라헤르츠파가 발생되도록 하는 광 발생 시스템이다. The most widely used broadband terahertz system until recently is THz-TDS (Time Domain Spectroscopy) as in FIG. THz-TDS is a light generation system that generates a terahertz wave by irradiating a femtosecond ultralow pulse laser to a semiconductor having an ultra-fast response speed.

도 1에 보여지는 펄스형 광대역 테라헤르츠파 발생 시스템인 THz-TDS 시스템은 펨토초급 초단 펄스레이저(3)인 Ti: Sapphire 레이저가 일반적으로 활용된다. 또한, 펨토초 광 여기에 의한 테라헤르츠파 발생기인 PCA 즉 초고주파 광전 변환기(optical-to-electrical converter)는 광 전송기(5), 광수신기(7)를 기본적으로 포함한다. 상기 시스템에서 상용화된 Ti: Sapphire 레이저의 중심 발진 파장인 800nm가 흡수되며, 비교적 매우 짧은 캐리어 수명시간을 갖는 저온성장 GaAs 박막이 PCA 활성물질로서 활용된다. 테라헤르츠 분광 시스템 구성에서 여기 광원을 효율적으로 흡수하거나 광대역 특성에 필수적인 펨토초 수준의 캐리어 수명시간을 갖는 물질 채택은 필수적이다. The THz-TDS system, which is a pulsed broadband terahertz wave generation system shown in FIG. 1, is commonly used with a Ti: Sapphire laser, which is a femtosecond ultrasmall pulse laser (3). In addition, PCA, that is, a terahertz wave generator based on femtosecond optical excitation, ie, an optical-to-electrical converter basically includes an optical transmitter 5 and an optical receiver 7. The 800 nm wavelength of the central oscillation wavelength of the Ti: Sapphire laser commercialized in this system is absorbed, and a low temperature grown GaAs thin film having a relatively short carrier lifetime is utilized as the PCA active material. It is essential to efficiently absorb the excitation light source in a terahertz spectroscopy system configuration or to adopt a material having a femtosecond carrier lifetime which is essential for broadband characteristics.

펨토초급의 고출력 펄스레이저 및 PCA(Photonconductive antenna)로 구성되는 광대역 테라헤르츠 분광시스템은 높은 SNR, 광대역 특성 제공이 비교적 쉽게 구현 가능하므로 가장 먼저 상용화된 시스템이기도 하다. 하지만, 도 1의 THz-TDS시스템은 펨토초급 초단펄스레이저(3), 광 전송기(5), 광수신기(7), 및 광 지연기를 포함한 광학계(10)로 구성되기 때문에, 시스템이 매우 고가이다. 또한, 정교하고 복잡한 광학계(10)의 설치 등으로 인해 시스템 크기가 대형이다. 더구나, 시간영역 신호 측정 시 광 지연 소요 시간과 측정된 시간 영역 신호의 FFT(Fast Fourier Transform) 신호 처리 시간에 기인하여 실시간 계측에 어려움이 있다. 따라서, 상기한 이슈들은 산업적 활용 극대화를 위해 해결하여야 할 요소들로서 인식되고 있다. A broadband terahertz spectroscopy system consisting of a femtosecond high-power pulse laser and a PCA (Photonconductive antenna) is the first commercially available system because it can provide relatively high SNR and wide bandwidth characteristics. However, since the THz-TDS system of Fig. 1 is composed of the optical system 10 including the femtosecond ultralow pulse laser 3, the optical transmitter 5, the optical receiver 7, and the optical retarder, the system is very expensive . In addition, the size of the system is large due to the installation of the elaborate and complicated optical system 10 and the like. Moreover, there is a difficulty in real-time measurement due to the optical delay time and the FFT (Fast Fourier Transform) signal processing time of the measured time domain signal when measuring the time domain signal. Therefore, the above-mentioned issues are recognized as factors to be solved for maximizing industrial utilization.

한편, 최근 들어 펄스형의 광대역 테라헤르츠파 발생법인 THz-TDS 시스템 외에 도 2와 같은 연속파 발생의 THz-FDS(frequency domain spectroscopy) 시스템 개발에 많은 노력들이 진행 중이다. 도 2의 시스템은 연속파 방식에 따른 높은 주파수 분해능 제공을 가능하게 하고, 두 대의 독립된 고출력 반도체 레이저들(22,24)을 활용함으로써 저가격, 광대역, 초소형 시스템 개발을 가능하게 한다. 그러므로, 현장 적용형으로 테라헤르츠 분광시스템 개발이 가능하기 때문에 이와 관련된 기술 개발이 많은 기관에서 경쟁적으로 진행되고 있는 실정이다. 하지만, 연속파 방식의 매우 열악한 광전 변환 효율로 인해 구체적이고 실질적인 시스템 적용 사례는 미흡한 실정이다. Recently, in addition to the THz-TDS system, which is a pulsed broadband terahertz wave generation method, much efforts are underway to develop a THz-FDS (frequency domain spectroscopy) system of continuous wave generation as shown in FIG. The system of FIG. 2 enables high frequency resolution according to the continuous wave scheme, and utilizes two independent high power semiconductor lasers 22 and 24 to enable low-cost, wide-band, ultra-small system development. Therefore, it is possible to develop a terahertz spectroscopy system on site, so that the related technology development is proceeding competitively in many organizations. However, due to the very poor photoelectric conversion efficiency of the continuous wave system, concrete and practical application examples are insufficient.

도 1과 같은 펄스형 TDS 시스템과 달리, 도 2와 같은 연속파 발진 방식인 FDS 시스템은 TDS시스템과 경쟁 중에 있다. 도 1에서의 여기 광원은 펨토초급 초단펄스 레이저이다. 이에 비해, 도 2에서의 여기 광원은 매우 안정적인 고출력의 두 파장의 비팅을 활용함에 의해 생성된다. Unlike the pulse type TDS system shown in FIG. 1, the continuous wave oscillation type FDS system shown in FIG. 2 is in competition with the TDS system. The excitation light source in Fig. 1 is a femtosecond level ultrafast pulse laser. In contrast, the excitation light source in FIG. 2 is generated by utilizing a very stable high output beating of two wavelengths.

여기 광원을 만드는 방식을 제외하면, 테라헤르츠파를 발생하는 방식 측면에서 도 1의 THz-TDS시스템과 도 2의 시스템은 서로 유사하다. 도 1의 THz-TDS용 초고주파 광전 변환기인 PCA 경우에 초단 펄스레이저의 높은 피크 값에 기인하여 수 마이크로미터 크기의 사각형 광 여기 영역과 매우 간단한 다이폴 안테나를 이용하면 광대역 테라헤르츠파 발생이 손쉽게 가능하다. The THz-TDS system of FIG. 1 and the system of FIG. 2 are similar to each other in terms of the manner of generating the terahertz wave, except for the manner of making the light source here. In the case of the PCA, which is a microwave photoelectric converter for THz-TDS in FIG. 1, a wide-band terahertz wave can be easily generated by using a rectangular light excitation region of several micrometers in size and a very simple dipole antenna due to the high peak value of the ultra- .

반면, 도 2의 THz-FDS 시스템의 경우에 두 개의 파장 차이에 해당하는 주파수를 갖는 테라헤르츠파가 발생된다. 따라서, 도 2에서는 고주파 광전 변환기(30)는 상기 PCA 라는 용어 대신에 "포토믹서"라고 흔히 불려진다. On the other hand, in the case of the THz-FDS system of FIG. 2, a terahertz wave having a frequency corresponding to two wavelength differences is generated. Therefore, in FIG. 2, the high frequency photoelectric converter 30 is commonly referred to as a " photomixer " instead of the PCA term.

펄스형이 아닌 연속파 발생을 위한 포토믹서 개발에는 매우 높은 피크 값을 갖는 펨토초 레이저와 달리, 연속적으로 발진하는 수십 mW 수준의 광원이 활용된다. 이 경우에는 도 3과 같은 손가락 형태의 IDT(interdigitated) 패턴이 많이 활용된다.Unlike the femtosecond laser, which has a very high peak value, the photo-mixer for continuous wave generation, which is not a pulse type, utilizes continuous light sources of several tens of mW. In this case, an IDT (interdigitated) pattern as shown in FIG. 3 is often used.

IDT패턴은 포화가 쉽고 입사광의 편광에 의존적이라는 단점이 있지만, 비교적 낮은 입력 광출력으로도 광대역 테라헤르츠파 발생이 가능하기 때문에 많이 활용되고 있다. Although the IDT pattern has a disadvantage that it is easy to saturate and is dependent on the polarization of the incident light, it is widely used because it can generate a broadband terahertz wave even at a relatively low input light output.

도 3은 통상적인 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 회로 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4는 도 3에 따른 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 등가회로를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional photomixer for generating a terahertz wave. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the THz-wave generating photomixer shown in FIG.

도 3의 포토 믹서(30)는 반응속도가 피코(10^-12)초 수준의 매우 빠른 물질로 구성된다. 도 3에서 포토 믹서(30)는 빛이 조사되었을 때 전류가 흐르는 PCS(photoconductive switch)(108)와 발생된 테라헤르츠파의 한 방향으로의 이득을 확보하기 위한 안테나(107)로 구성된다. The photo-mixer 30 of FIG. 3 is composed of a very fast material with a reaction rate of the order of 10 ^-12 seconds. 3, the photomultiplier 30 includes a photoconductive switch (PCS) 108 through which current flows when light is irradiated, and an antenna 107 for securing a gain in one direction of the generated terahertz wave.

펄스형 광대역 테라헤르츠파 발생시스템이나, 연속 주파수 가변형 테라헤르츠파 발생 시스템의 주요 특성은 여기 광원의 특성과, 광전 변환기인 PCA 또는 포토믹서의 광전 효율이다. 펄스형과 달리 연속파 발생용 포토믹서의 설계 시 매우 높은 입력 광 파워에 기인하는 포토믹서 내부의 열 상승 효과가 필수적으로 고려되어야 한다. 주요 열원으로는 광 주입에 따른 물질의 흡수와 포토믹서 바이어스 인가에 따른 전류에 의한 주울(Joule)히팅 등이 있다. The main characteristics of the pulsed broadband terahertz wave generation system and the continuous frequency tunable terahertz wave generation system are the characteristics of the excitation light source and the photoelectric efficiency of the photoelectric converter PCA or the photomixer. In contrast to the pulse type, the thermal synergy effect inside the photomixer due to the very high input optical power must be considered when designing the continuous wave generating photomixer. The main heat source is absorption of material by light injection and joule heating by current due to photomixer bias application.

포토믹서 내부 온도가 증가하면 입사광이 조기에 포화되고 내부 온도가 상승되어 광전 효율 특성 저하가 급격히 진행될 수 있다. 따라서, 원활한 열 방출은 고효율 확보에 필수적이고 특히, 연속파 방식에서 열 방출 고려는 무엇보다도 중요한 핵심 사안이다. As the internal temperature of the photomixer increases, the incident light is saturated early and the internal temperature rises, so that the deterioration of the photovoltaic efficiency characteristic can proceed rapidly. Therefore, it is essential to ensure high efficiency, and especially, consideration of heat emission in the continuous wave system is a key issue.

여러 가지 광전 변환기 중 가장 열악한 특성을 보이는 장파장용 포토믹서 경우에 대해 고려해 보자. 연속 주파수 가변 테라헤르츠파 발생 주파수와 여기광의 두 발진 파장차이는 f=cDl /l² 관계를 가진다.여기 광인 두 개의 독립적인 레이저 각각의 발진파장 l₁ 및 l₂에 해당하는 주파수 f₁=c/l₁ f₂=c/l₂의 차이에 의해 테라헤르츠파의 주파수가 결정된다. 이때 발생된 주파수 가변형 테라헤르츠파원 특성은 여기 광원의 특성에 직접적인 영향을 받는다. 여기 광원의 안정도, 선폭, 편광, 위상 모두가 발생되는 테라헤르츠파에 영향을 주기 때문에 안정적인 여기 광원 개발에 많은 노력이 필요하다. Consider the case of a long-wavelength photomixer that exhibits the worst characteristics of various photoelectric transducers. The difference between the oscillation frequency of the continuous-frequency variable terahertz wave and the oscillation wavelength of the excitation light is f = cDl / l ² Relationship. The oscillation wavelength l _{1 of} each of the two independent lasers And a frequency corresponding to l ₂ = f ₁ by the c / l ₁ f ₂ = difference between the c / l ₂ are determined by the frequency of the terahertz wave. At this time, the frequency tunable terahertz power source characteristic generated is directly influenced by the characteristics of the excitation light source. Since the stability, line width, polarization, and phase of the excitation light source are affected by the terahertz wave generated, it is necessary to develop a stable excitation light source.

포토믹서를 통하여 발생된 테라헤르츠파 출력 해석을 위해 도 4와 같은 등가회로를 이용한 해석법이 많이 활용된다. 도 4에서 포토믹서 특성에 영향을 미치는 주요 변수들로는 인가전압V_B, 안테나(107)의 임피던스R_L, 포토믹서 Capacitance C, 포토믹서 포토컨닥턴스 G₀등이 있다. 광이 입사되는 영역 Ap, 광투과도T, 내부 양자효율 h_i, planck상수h, 전하 이동도(mobility) m, 주파수 n를 고려하고 광이 입사되는 영역에 아무런 금속패턴이 없는 심플 스퀘어(simple square)형 포토믹서를 가정하였을 때 포토컨덕티브 G₀는 아래 수학식 1과 같이 주어진다. In order to analyze the terahertz wave output generated through the photomixer, an analysis method using an equivalent circuit as shown in Fig. 4 is widely used. 4, the applied voltage V _B , the impedance R _L of the antenna 107, the photomixer Capacitance C, and the photomixer photo-consistency G ₀ are the main parameters affecting the characteristics of the photomixer. A simple square with no metal pattern in the region where the light is incident in consideration of the area Ap where the light is incident, the light transmittance T, the internal quantum efficiency h _i , the planck constant h, the mobility m, ) Type photomixer, the photoconductive G ₀ is given by Equation 1 below.

G₀를 갖는 포토믹서에서 출력되는 테라헤르츠파 특성은 아래 식과 같다. 여기서, R_A는 안테나의 방사저항, C 및 τ는 photoconductive의 정전용량 및 캐리어 소멸시간을 나타낸다. The terahertz wave characteristic output from the photomixer with G ₀ is given by the following equation. Where R _A is the radiation resistance of the antenna, C and τ are the capacitance of the photoconductive and the carrier decay time.

고효율의 테라헤르츠파 발생을 위해서는 고출력 광원과 함께 포토믹스의 광전 변환 효율에 직접적인 영향을 미치는 변수들을 조절하여야 한다. In order to generate highly efficient terahertz waves, the parameters directly affecting the photoelectric conversion efficiency of the photo-mix with the high-power light source should be controlled.

수학식 2에서 볼 수 있듯이 광전 변환효율은 포토믹스의 높은 응답속도, 안테나 저항, 그리고 입력광 세기 등에 영향을 받는다. 펄스형 테라헤르츠파 발생기인 PCA에서는 여기 광에 의한 특성 저하는 연속파에 비해 비교적 적은 영향을 받는다. 그러나, 연속파 발생용 포토믹서의 경우 연속적인 입력 광 주입과 흡수에 의한 활성층의 온도 증가 및 정션 온도에 따라 영향을 많이 받는다. 상기 T_j(Junction temperature)은 바이어스 인가시 주울(joule) 히팅 등에 의해 공기와 반도체 계면에서 형성되는 온도이다. 상기 정션 온도는 입사광의 최대값을 결정하므로 고효율 포토믹서 개발에는 필수적으로 고려되어야 하는 요소이다.As shown in Equation 2, the photoelectric conversion efficiency is affected by the high response speed of the photo mix, the antenna resistance, and the intensity of the input light. In PCA, which is a pulse - type terahertz wave generator, the characteristic degradation due to the excitation light is relatively less affected than the continuous wave. However, in the case of a continuous wave photomixer, the influence of the temperature increase and the junction temperature of the active layer due to continuous injection and absorption of input light is great. The T _j (junction temperature) is a temperature formed at the interface between the air and the semiconductor by joule heating or the like when the bias is applied. Since the junction temperature determines the maximum value of incident light, it is an essential factor to be considered in the development of a high-efficiency photomixer.

식 (1), (2)에서 볼 수 있듯이 광대역 포토믹서 특성은 매우 짧은 캐리어 소멸시간, 포토믹서 정전용량 특성에 많은 영향을 받는다. 이중 테라헤르츠 분광기에서 필수적인 광대역 특성에 직접적인 영향을 끼치는 캐리어 소멸시간 확보는 필수적이다. As can be seen from Eqs. (1) and (2), the characteristics of a wideband photomixer are greatly influenced by very short carrier decay time and photomixer capacitance characteristics. It is essential to secure carrier extinction time, which directly affects the broadband characteristics essential for dual-terahertz spectroscopy.

캐리어 소멸시간 확보를 위해 반도체 단결정 특성을 보유한 채 매우 짧은 캐리어 소멸시간을 갖는 반도체 물질이 필요하다. 그러한 반도체 물질은 일반적으로 MBE(molecular beam epitaxy) 장비를 이용하여 성장된다. 일반적인 반도체의 캐리어 소멸시간은 수 ns(10^-9)초 수준인데, 1THz에 해당되는 시간이1피코(10^-12) 초 수준이므로 광대역 특성 확보를 위해서는 캐리어 소멸시간을 1피코 수준으로 줄여야 한다. 이를 위해 불순물을 포함하는 반도체 결정을 이용한다. In order to secure the carrier decay time, a semiconductor material having a semiconductor single crystal characteristic and a very short carrier decay time is needed. Such semiconductor materials are generally grown using molecular beam epitaxy (MBE) equipment. In general semiconductor, the carrier decay time is several ns (10 ^-9 ) second. Since the time corresponding to 1 THz is 1 picosecond (10 ^-12 ) second, the carrier decay time should be reduced to 1 picosecond in order to obtain broadband characteristics. For this purpose, semiconductor crystals containing impurities are used.

낮은 온도에서 반도체 결정을 성장하면, 물질 내 3족 원소 위치를 5족 원소가 점유함에 따른 불순물이 생성된다. 따라서, 펨토초급 캐리어 소멸시간이 확보될 수 있다. When the semiconductor crystal is grown at a low temperature, an impurity is generated as the group 5 element occupies the position of the group III element in the material. Therefore, a femtosecond level carrier decay time can be secured.

앞서 언급하였지만, THz-TDS시스템의 광원인 Ti: Sapphire 레이저의 중심 발진 파장인 800nm광 출력을 흡수하기 위해 GaAs 물질을 활용하거나, 장파장 비팅 광원의 흡수를 위해 InGaAs 물질이 주로 사용되고 있다. As mentioned above, InGaAs materials are mainly used for absorbing GaAs materials for absorbing 800 nm light output, which is the central oscillation wavelength of the Ti: Sapphire laser, which is a light source of the THz-TDS system, or absorbing long wavelength beating light sources.

일반적으로 활용되고 있는 포토믹서 제작법과 본 발명에서 새롭게 제안하고 있는 방법에 대해 비교함으로써 본 발명의 차별화를 설명하고자 한다. The differentiation of the present invention will be explained by comparing the method of producing a photomixer which is generally used and the method newly proposed by the present invention.

도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이 포토믹서는 여기광에 고속으로 반응함으로써, 피코초 수준의 지속 시간을 갖는 과도전류를 생성하는 포토컨닥티브 스위치(108) 및 발생된 전류를 공간상의 임의의 방향으로 방사하기 위한 안테나(107)로 구성된다. 매우 다양한 안테나를 용도에 맞게 채택하여 사용한다. 테라헤르츠 분광 시스템을 위해서는 광대역 안테나 사용이 필수적이고, 테라헤르츠 영상 시스템을 위해서는 고효율의 공진형 안테나가 활용되고 있다. As shown in FIGS. 3 and 4, the photomixer responds to the excitation light at a high speed, so that a photoconductive switch 108 for generating a transient current having a duration of a picosecond level and a photoconductive switch 108 for generating the generated current in any direction And an antenna 107 for emitting radiation. A wide variety of antennas are used to suit the application. The use of a broadband antenna is essential for a terahertz spectroscopy system, and a highly efficient resonant antenna is used for a terahertz imaging system.

캐리어 소멸시간이 확보된 물질에 바이어스 인가가 가능한 구조의 안테나만 제작된 가장 간단한 형태의 포토믹서가 도 5에 나타나 있다. The simplest type of photomixer is shown in Fig. 5, in which only an antenna having a structure capable of applying a bias to a material ensuring a carrier decay time is manufactured.

도 5는 도 3의 테라헤르츠파 발생용 평판형 포토믹서 구조를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a structure of a planar photomixer for generating the terahertz wave of FIG.

전형적인 평판형 포토믹서의 단면구조를 나타내는 도 5에서 참조부호(101)은 기판이다. 상기 기판(101)은 테라헤르츠파가 반도체 기판 상의 존재하는 전하들에 의해 흡수되는 양을 최소화하기 위해 semi-insulating GaAs 혹은 InGaAs 기판으로 구현될 수 있다. In FIG. 5, which shows a cross-sectional structure of a typical planar type photo-mixer, reference numeral 101 denotes a substrate. The substrate 101 may be implemented as a semi-insulating GaAs or InGaAs substrate to minimize the amount of THz waves absorbed by the charges present on the semiconductor substrate.

상기 기판(101)에 정상적인 반도체 박막 성장을 위해 버퍼층(102)이 형성된다. 상기 버퍼층(102)은 AlGaAs, InAlAs, GaAs, 및 InP 들 중 적어도 하나의 재질을 이용하여 상기 기판(101)의 상부에 성장될 수 있다. A buffer layer 102 is formed on the substrate 101 to grow a normal semiconductor thin film. The buffer layer 102 may be grown on the substrate 101 using at least one of AlGaAs, InAlAs, GaAs, and InP.

포토믹서 제작의 핵심인 포토컨닥티브 층은 참조부호(103)로서 나타나 있다. 상기 포토컨닥티브 층(103)은 캐리어 수명시간을 확보하기 위해 저온성장법을 통해 형성될 수 있다. The photoconductor layer, which is the core of the photomixer production, is shown at 103. The photoconductor layer 103 may be formed through a low-temperature growth method to secure a carrier lifetime.

활성층으로서 활용되는 반도체 박막들로는 벌크형으로 800nm대역의 GaAs와 장파장 영역용으로는 밴드갭이 여기 광원 파장과 일치하는 물질인 InGaAs, InGaAsP등을 활용하여야 한다. 벌크형 활성층 이외에 장파장 여기 광원에 의해 발생된 전자, 정공의 원활한 포획을 위해 InGaAs/InAlAs등과 같은 다층박막 구조를 채택할 수도 있다. As the semiconductor thin films used as the active layer, InGaAs or InGaAsP, which is a material having a band gap equal to the wavelength of the excitation light source, should be used for the 800 nm band GaAs and the long wavelength region. In addition to the bulk active layer, multilayer thin film structures such as InGaAs / InAlAs may be employed to smoothly trap electrons and holes generated by the long wavelength excitation light source.

식(2)에서 볼 수 있듯이 인가 전압에 제곱에 비례 테라헤르츠파 출력이 결정되고 포토컨닥티브 스위치에 바이어스 인가를 위해 안테나를 포함한 전극 형성은 필수적이다. As shown in equation (2), the terahertz wave output proportional to the square of the applied voltage is determined, and formation of an electrode including the antenna is necessary for applying bias to the photoconductive switch.

이후에, 절연체 박막(104), 금속패턴(105), 및 무반사막(106)을 차례로 형성하면, 포토믹서 칩이 완성된다. 여기서, 상기 금속패턴(105)은 상기 절연체 박막(104)의 형성 후에 포토 리소그라피 과정을 통해 상기 포토컨닥티브 층(103)의 상부 일부가 노출되도록 한 다음, 상기 금속패턴(105)을 이루는 금속막을 도포함에 의해 형성된다. Thereafter, the insulator thin film 104, the metal pattern 105, and the anti-reflection film 106 are formed in order to complete the photomixer chip. After forming the insulator thin film 104, the metal pattern 105 is exposed through a photolithography process so that the upper part of the photoconductive layer 103 is exposed. Then, the metal pattern 105, .

상기 무반사막(106)은 반도체에 의한 표면 반사를 저하시키기 위해 형성되는 막이다. 상기 무반사막(106)은 상기 금속패턴(105)의 상부에 도포된 후 포토 리소그라피 과정을 통해 광이 입사되는 영역 A_p에만 형성된다. The anti-reflection film 106 is a film formed to reduce surface reflection by the semiconductor. The anti-reflection film 106 is formed only on a region A _p where light is incident through the photolithography process after being applied to the upper portion of the metal pattern 105.

도 6은 도 3의 안테나가 집적된 테라헤르츠파 발생용 포토믹서의 평면 형상이다. 6 is a plan view of a terahertz wave generating photomixer integrated with the antenna of FIG.

도 6은 제작이 완성된 사진으로 전형적인 광대역 안테나인 보우타이 안테나(107)가 집적되었고, 또한 패키징을 위한 패드(109), 그리고 포토믹서의 핵심인 점선 부분 내의 포토컨닥티브 스위치(108)가 나타나 있다. FIG. 6 is a photograph of a completed photovoltaic antenna in which a bowtie antenna 107 as a typical wide band antenna is integrated and a pad 109 for packaging and a photoconductive switch 108 in a dotted line portion as a core of the photomixer are displayed have.

입사되는 펄스 광원, 혹은 연속파 비팅 광원은 상기 포토컨닥티브 스위치(108)의 전극들 사이의 활성 영역에 집속되는데, 집속된 광원의 초점 지름은 전극들 간의 간격에 해당되는 10μm 내외이다. An incident pulse light source or a continuous wave beating light source is focused on an active region between the electrodes of the photoconductive switch 108. The focal diameter of the focused light source is about 10 μm corresponding to the interval between the electrodes.

도 6에 보인 바와 같은 전형적인 포토믹서에 있어서, 활성 영역에서의 높은 광밀도로 인해 온도 상승에 따른 광 효율의 저하는 극복해야 할 문제 중 하나이다. 광의 집속을 위해서는 추가적인 광학계 및 고정밀 광정렬이 요구되므로, 높은 단가, 낮은 생산성의 원인이 된다. In a typical photomixer as shown in FIG. 6, a decrease in light efficiency due to a rise in temperature due to a high optical density in the active region is one of the problems to be overcome. For optical focusing, additional optical systems and high-precision optical alignment are required, which results in high unit cost and low productivity.

테라헤르츠 파의 방사를 위한 보우타이 안테나(107)등의 광대역 안테나에 있어서, 안테나의 주파수 특성으로 인해 테라헤르츠파의 스펙트럼 특성이 좌우된다. 통상적인 광대역 안테나의 스펙트럼의 신호크기 및 위상 스펙트럼은 평탄하지 않다. 이는 특히 테라헤르츠 분광기의 정밀도와 직결되기 때문에, 테라헤르츠 포토믹서가 충족해야 할 중요한 조건 중의 하나이다.In a broadband antenna such as a bowtie antenna 107 for emitting a terahertz wave, the spectral characteristics of the terahertz wave are dominated by the frequency characteristics of the antenna. The signal amplitude and phase spectrum of the spectrum of a typical wideband antenna are not smooth. This is one of the important conditions that a terahertz photomixer must meet, especially since it is directly related to the precision of a terahertz spectrometer.

따라서, 위와 같은 이슈들을 극복하기 위해 본 발명의 실시 예에서는 도 7과 같은 포토닉 크리스탈 기반 포토컨닥티브 스위치가 마련된다. Therefore, in order to overcome the above problems, the photonic crystal based photoconductive switch as shown in FIG. 7 is provided in the embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 포토닉 크리스탈 기반 포토컨닥티브 스위치의 예시를 나타내는 도면이다. 또한, 도 8은 도 7의 포토닉 크리스탈을 구성하는 단위 금속 셀 어레이를 예시적으로 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating an example of a photonic crystal based photoconductive switch according to an embodiment of the present invention. 8 is a diagram exemplarily showing a unit metal cell array constituting the photonic crystal of FIG. 7. FIG.

도 7을 참조하면, 포토믹서용 포토 컨닥티브 스위치는, Referring to FIG. 7, in the photo-

제1 레벨의 전압에 연결되는 제1 전극(110)과, 제2 레벨의 전압에 연결되는 제2 전극(111), 및 기판에 형성된 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1,2 전극들 (110,111)사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 단위 금속 셀 어레이(120)를 포함하는 포토닉 크리스탈(112)을 포함한다. A first electrode 110 connected to a voltage of a first level, a second electrode 111 connected to a voltage of a second level, and a second electrode 111 connected to the first and second electrodes And a photonic crystal 112 including a plurality of unit metal cell arrays 120 arranged between predetermined intervals.

상기 단위 금속 셀 어레이(120)는 제1,2 방향(수평 및 수직방향)에서 설정 간격으로 배치된 적어도 4개의 금속 셀(114)을 포함할 수 있다. The unit cell array 120 may include at least four metal cells 114 arranged at predetermined intervals in the first and second directions (horizontal and vertical directions).

상기 금속 셀(114)의 평면 형상은 원형, 3각형 이상을 포함하는 다각형, 및 십자형 중의 선택된 하나일 수 있다. The planar shape of the metal shell 114 may be a circular shape, a polygon including a triangle or more, and a cross shape.

여기서, 상기 설정 간격은 대칭적 격자 구조 혹은 비대칭적 격자 구조를 이루도록 형성될 수 있다. Here, the setting interval may be a symmetric lattice structure or an asymmetric lattice structure.

테라헤르츠파의 발생 조절을 위해 상기 복수의 단위 금속 셀 어레이(120)의 미리 설정된 간격과 배열의 주기는 설계시에 가변 가능하다.The predetermined interval and the period of arrangement of the plurality of unit cell arrays 120 for controlling generation of the terahertz wave can be variable at the time of designing.

상기 제1 전극(110)이 양극인 경우에 상기 제2 전극(111)은 음극일 수 있으며, 상기 제2 전극(111)이 양극인 경우에 상기 제1 전극(110)은 음극일 수 있다. When the first electrode 110 is an anode, the second electrode 111 may be a cathode. When the second electrode 111 is an anode, the first electrode 110 may be a cathode.

상기 포토컨닥티브 층은 GaAs 재질, InGaAs 재질, 또는 InGaAsP 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 경우에 따라 상기 포토컨닥티브 층은 InGaAs 재질로 이루어진 층과 InAlAs 재질로 이루어진 층을 포함하는 다층박막일 수 있다. The photoconductive layer may be made of a GaAs material, an InGaAs material, or an InGaAsP material. In some cases, the photoconductive layer may be a multilayer thin film including a layer made of InGaAs and a layer made of InAlAs.

도 7에서, 양극(110), 음극(111), 및 2차원 포토닉 크리스탈 (112)로 구성되는 상기 포토믹서용 포토 컨닥티브 스위치는 바이어스 전원(V₀;113)에 의해 전기적으로 제어된다. 7, the photoconductive switch for the photomultiplier composed of the anode 110, the cathode 111, and the two-dimensional photonic crystal 112 is electrically controlled by the bias power source (V ₀ ) 113.

상기 포토닉 크리스탈 (112)은 평면 구조를 갖는 금속 박막을 반도체 결정상에 증착함으로써 이루어진다. The photonic crystal 112 is formed by depositing a metal thin film having a planar structure on a semiconductor crystal phase.

상기 포토닉 크리스탈(112)의 단위 금속 셀 어레이(120)의 확대 형상은 도 8에 나타나 있다. The enlarged shape of the unit cell array 120 of the photonic crystal 112 is shown in FIG.

도 8을 참조하면, 단위 금속 셀 어레이(120)는 4개의 금속 셀들(114-1,114-2,114-3,114-4))로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 8, the unit cell array 120 may include four metal cells 114-1, 114-2, 114-3, and 114-4.

포토닉 크리스탈의 주기(Λ₁, Λ₂) 및 간격(d₁,d₂)의 조절을 통해 포토닉 크리스탈(112) 하부의 포토컨닥티브 층(103)에 입사되는 광원이 흡수되는 정도가 조절될 수 있다. 특정 파장을 갖는 입사파가 포토컨닥티브 층(103)에 흡수되는 정도는 포토닉 크리스탈의 주기 및 간격에 따라 극대화 되기도 하며, 극소화 되기도 한다. The degree to which the light source incident on the photoconductive layer 103 under the photonic crystal 112 is absorbed through the adjustment of the periods (Λ ₁ , Λ ₂ ) and the intervals (d ₁ , d ₂ ) . The extent to which the incident wave having a specific wavelength is absorbed by the photoconductive layer 103 is maximized or minimized depending on the period and interval of the photonic crystal.

입사된 광원이 포토컨닥티브 층(103)에 전하를 생성하면, 인가된 바이어스 전압(V₀)에 의해 순간적인 전류가 생성되며, 이 전류로 인해 테라헤르츠파가 생성된다. When an incident light source generates charge in the photoconductive layer 103, an instantaneous current is generated by the applied bias voltage V ₀ , and this current causes a terahertz wave to be generated.

만약 포토닉 크리스탈의 주기가 흡수를 극소화 하도록 설계되어 있다면, 테라헤르츠파의 발생 역시 극소화 되며, 주기가 흡수를 극대화 하도록 설계되어 있다면, 테라헤르츠파의 발생 역시 극대화 된다. If the period of the photonic crystal is designed to minimize absorption, the generation of the terahertz wave is also minimized, and if the period is designed to maximize the absorption, the generation of the terahertz wave is also maximized.

도 8에서 상기 금속 셀(114)의 평면 형상은 원형으로 되어 있지만, 이에 한정됨이 없이 삼각형, 사각형, 십자형 등의 여러 가지로 구성될 수 있다. Although the planar shape of the metal shell 114 is circular in FIG. 8, the planar shape of the metal shell 114 is not limited thereto, but may be formed in various shapes such as a triangular shape, a square shape, and a cross shape.

격자 구조 역시 도 7 및 도 8에서 보여지는 바와 같은 사각형 외에, 삼각형 격자구조 등이 구현될 수 있다. Λ₁, Λ₂ 를 다르게 설정함으로써, 비대칭적 격자 구조가 사용될 수도 있음은 물론이다.The lattice structure may also be a triangular lattice structure, etc., in addition to the rectangle as shown in Figs. 7 and 8. It is of course also possible to use an asymmetric lattice structure by setting Λ ₁ and Λ ₂ differently.

도 8과 같은 단위 금속 셀 어레이(120)의 2차원적 주기적 배열을 통해 도 7의 포토닉 크리스탈(112)이 전체적으로 구성될 수 있다. The photonic crystal 112 of FIG. 7 may be constructed entirely through a two-dimensional periodic arrangement of the unit cell array 120 as shown in FIG.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서를 예시적으로 나타내는 도면이다.9 is a view illustrating an exemplary large area array type photonic crystal photomixer according to another embodiment of the present invention.

도 9의 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서는 도 10에서와 같은 서브 포토믹서 어레이의 반복적이 배치로 이루어진다. The large-area array type photonic crystal photo-mixer of FIG. 9 consists of a repetitive arrangement of the sub-photomixer array as in FIG.

도 10은 도 9의 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서의 단위 구조를 예시적으로 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a unit structure of the large area array type photonic crystal photomixer of FIG. 9; FIG.

먼저, 도 10을 참조하면, 서브 포토믹서 어레이는, 10, the sub-photomultiplier array includes sub-

평행으로 서로 이격되며 바이어스 전압에 연결된 복수의 제1 전극들(110),A plurality of first electrodes 110 spaced apart from each other in parallel and connected to a bias voltage,

상기 제1 전극들(110) 사이에 설치되며 접지레벨에 연결된 제2 전극(111),A second electrode 111 disposed between the first electrodes 110 and connected to a ground level,

기판에 형성된 포토컨닥티브 층(103)의 상부에서 상기 제1 전극들 중 상부 제1 전극과 상기 제2 전극(111) 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제1 단위 금속 셀 어레이(120a)를 포함하는 제1 포토닉 크리스탈(112-1), 및 A plurality of first unit metal cell arrays (not shown) formed between the upper first electrode and the second electrode 111 of the first electrodes and arranged at preset intervals on the photoconductive layer 103 formed on the substrate A first photonic crystal 112-1 comprising a first photonic crystal 120a,

상기 포토컨닥티브 층(103)의 상부에서 상기 제1 전극들 중 하부 제1 전극과 상기 제2 전극(111)사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제2 단위 금속 셀 어레이(120b)를 포함하는 제2 포토닉 크리스탈(112-2)을 포함한다. A plurality of second unit metal cell arrays 120b formed between the lower first electrode and the second electrode 111 of the first electrodes and arranged at preset intervals on the photoconductive layer 103, And a second photonic crystal 112-2 including a second photonic crystal 112-2.

상기 제1 전극들(110)은 도 10에서 양극으로서 기능하고, 상기 제2 전극(111)은 음극으로서 기능한다. The first electrodes 110 function as an anode in FIG. 10, and the second electrode 111 functions as a cathode.

상기 제1 포토닉 크리스탈(112-1)은 입사되는 광원을 투과시키는 흡수(투과) 영역으로서 작용하고, 상기 제2 포토닉 크리스탈(112-2)는 입사되는 광원을 반사시키도록 설계된 반사 영역으로서 사용된다. The first photonic crystal 112-1 acts as an absorption (transmission) region for transmitting an incident light source, and the second photonic crystal 112-2 is a reflection region designed to reflect an incident light source Is used.

다시 도 9로 돌아가서, 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서의 가로 및 세로 크기 (L_X,L_Y)는 테라헤르츠 파의 방사 효율이 최대화될 수 있도록 설정된다. 가로 및 세로의 사이는 대체로 수백 μm 이상의 크기이므로, 고정밀도의 광집속이 필요치 않는 구조이다. 또한, 도 9의 구조에서는 포토닉 크리스탈 자체가 테라헤르츠파를 방사하는 역할을 함께 수행하므로, 별도의 안테나 구조가 필요 없는 이점이 있다. Referring back to FIG. 9, the horizontal and vertical sizes (L _x , L _y ) of the large area array photonic crystal photo-mixer are set to maximize the radiation efficiency of the terahertz wave. Since the size between the horizontal and the vertical is generally several hundreds of micrometers or more, it is a structure that does not require high-precision light focusing. In addition, in the structure of FIG. 9, the photonic crystal itself also plays a role of emitting a terahertz wave, so that there is an advantage that a separate antenna structure is not necessary.

도 10을 참조하면, 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서의 단위 구조는 흡수 영역(112-1)과 반사 영역(112-2)을 포함한다. 상기 흡수 영역(112-1)과 반사 영역(112-2)은 어레이 구현을 위해 양극과 음극이 교차되는 IDT 구조임을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, the unit structure of the large-area array type photonic crystal photomixer includes an absorption region 112-1 and a reflection region 112-2. It can be seen that the absorption region 112-1 and the reflection region 112-2 are an IDT structure in which an anode and a cathode cross each other for array implementation.

상기 IDT 구조에 기인하여 흡수 영역(112-1)과 반사 영역(112-2)에 인가되는 전기장은 도 10에서와 같이 서로 반대 방향이 된다(E₀, E₀'). 때문에, 만일 흡수 영역(112-1)과 반사 영역(112-2)에서 광흡수로 인해 생성되는 캐리어의 양이 동일하다면, 양 영역에서 흐르는 전류는 서로 반대방향이 된다. 따라서, 이로 인한 상쇄효과로 인해 테라헤르츠파의 방사는 불가능하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해, 흡수 영역(112-1)과 반사 영역(112-2)의 주기는 각각 흡수 및 반사를 극대화하도록 설계될 필요가 있다. 결과적으로 흡수영역(112-1)에서만 전하가 생성되므로, 순방향의 전류 흐름이 극대화되어, 테라헤르츠파의 방사 효율을 극대화할 수 있게 된다.The electric fields applied to the absorption region 112-1 and the reflection region 112-2 due to the IDT structure are opposite to each other (E ₀ , E ₀ ') as shown in FIG. Therefore, if the amounts of carriers generated due to light absorption in the absorption regions 112-1 and 112-2 are the same, the currents flowing in both regions are opposite to each other. Therefore, the radiation effect of the terahertz waves becomes impossible due to the canceling effect. To solve this problem, the period of the absorption region 112-1 and the reflection region 112-2 needs to be designed to maximize absorption and reflection, respectively. As a result, since charge is generated only in the absorption region 112-1, the forward current flow is maximized, and the radiation efficiency of the terahertz wave can be maximized.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 방사 패턴 조절이 가능한 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서를 예시적으로 나타내는 도면이다.11 is a view illustrating an exemplary large-area array type photonic crystal photo-mixer capable of adjusting a radiation pattern according to another embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 광대역 테라헤르츠파 발생 및 검출용 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서는,11, a large-area array type photonic crystal photo-mixer for generating and detecting a broadband THz wave includes:

평행으로 서로 이격되며 복수의 바이어스 전압들에 각기 연결된 복수의 제1 전극들(110a,110b,110c),A plurality of first electrodes 110a, 110b, and 110c spaced apart from each other in parallel and connected to a plurality of bias voltages,

평행으로 서로 이격되고 상기 제1 전극들에 대응적으로 각기 설치되며 접지레벨에 공통 연결된 복수의 제2 전극들(111a,111b,111c), 및 A plurality of second electrodes 111a, 111b, and 111c spaced apart from each other in parallel and corresponding to the first electrodes and connected in common to a ground level,

기판에 형성된 포토컨닥티브 층(103)의 상부에서 상기 제1 전극들 중 대응되는 제1 전극들(110a,110b)간에 상기 제2 전극들 중 대응되는 제2 전극(111a)을 기준으로 대칭적으로 형성되며 미리 설정된 간격으로 각기 배열된 복수의 제1,2 단위 금속 셀 어레이들을 포함하는 제1,2 포토닉 크리스탈들(112-1,112-2)을 구비하는 서브 포토믹서 어레이(112)를 복수로 포함한다. The first electrode 110a and the second electrode 110b of the first electrodes 110a and 110b are formed symmetrically with respect to the corresponding second electrode 111a among the first electrodes 110a and 110b on the photoconductive layer 103 formed on the substrate. Photonic crystals 112-1 and 112-2 including a plurality of first and second unitary metal cell arrays respectively arranged at preset intervals, and a plurality of sub-photonic crystals 112-1 and 112-2 .

도 11은 도 10에 보인 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서의 응용 기술이다. 11 is an application of the large area array type photonic crystal photo-mixer shown in FIG.

상기 포토믹서의 구조는 양극(110)들에 서로 다른 전압 (V₁,V₂,V₃,···,V_n)을 인가할 수 있게 되어 있다. 이에 따라, 테라헤르츠파를 방사하는 전류의 분포를 공간적으로 제어할 수 있게 된다. 그러므로 결과적으로 방사 패턴이 전기적 제어에 의해 임의로 조절될 수 있다. The structure of the photomixer allows different voltages V ₁ , V ₂ , V ₃ ,..., V _n to be applied to the anodes 110. Thus, the distribution of the current radiated from the terahertz wave can be spatially controlled. Consequently, the radiation pattern can be arbitrarily adjusted by electrical control.

도 11에 보인 바와 같은 배열 이외에도, 2차원적인 구성이 역시 변형 가능하다. 배열의 변형을 통해 임의의 방사 패턴을 조절·변조하는 것이 가능해진다.In addition to the arrangement as shown in Fig. 11, the two-dimensional configuration is also deformable. It becomes possible to modulate / modulate an arbitrary radiation pattern through deformation of the array.

이상에서와 같이 도면과 명세서를 통해 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. As described above, an optimal embodiment has been disclosed in the drawings and specification. Although specific terms have been employed herein, they are used for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments are possible without departing from the scope of the present invention.

예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 도면들의 구조나 구성을 변경하거나 가감하여, 포토믹서의 세부 구현을 다르게 할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 개념에서는 테라헤르츠파의 취급 위주로 설명되었으나, 이에 한정됨이 없이 타의 전자기파에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이다.
For example, without departing from the technical idea of the present invention, the structure or configuration of the drawings may be changed or added to change the detailed implementation of the photomixer when the matter is different. In addition, although the concept of the present invention has been described mainly on the handling of terahertz waves, the present invention can be applied to other electromagnetic waves without being limited thereto.

101: 기판
102: 버퍼 층
103: 포토 컨닥티브 층
104: 절연 층
105: 금속 패턴
106: 무반사막
107: 보우타이안테나
108: 포토컨닥티브 스위치
109: 패드
112: 포토닉 크리스탈101: substrate
102: buffer layer
103: Photoconductive layer
104: insulating layer
105: metal pattern
106: deserted desert
107: bowtie antenna
108: Photoconductive switch
109: Pad
112: Photonic Crystal

Claims

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평행으로 서로 이격되며 바이어스 전압에 연결된 복수의 제1 전극들;
상기 제1 전극들 사이에 설치되며 접지레벨에 연결된 제2 전극;
기판에 형성된 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1 전극들 중 상부 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제1 단위 금속 셀 어레이를 포함하는 제1 포토닉 크리스탈; 및
상기 포토컨닥티브 층의 상부에서 상기 제1 전극들 중 하부 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되며 미리 설정된 간격으로 배열된 복수의 제2 단위 금속 셀 어레이를 포함하는 제2 포토닉 크리스탈을 구비하는,
서브 포토믹서 어레이를 포함하되,
상기 제1 포토닉 크리스탈은 광 흡수 영역으로서 사용되고, 상기 제2 포토닉 크리스탈은 광 반사 영역으로서 사용되는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
A plurality of first electrodes spaced apart from each other in parallel and connected to a bias voltage;
A second electrode disposed between the first electrodes and connected to a ground level;
And a plurality of first unit metal cell arrays formed between the upper first electrode and the second electrode of the first electrodes and arranged at predetermined intervals at an upper portion of the photoconductive layer formed on the substrate, crystal; And
And a second photonic crystal including a plurality of second unit metal cell arrays formed between the lower first electrode and the second electrode among the first electrodes on the photoconductive layer at predetermined intervals, And
A sub-photomultiplier array,
Wherein the first photonic crystal is used as a light absorbing region and the second photonic crystal is used as a light reflecting region.

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제11항에 있어서, 상기 제1,2 단위 금속 셀 어레이의 사이즈는 서로 다른 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The photonic crystal photo-mixer of claim 11, wherein the first and second unit metal cell arrays have different sizes.

제14항에 있어서, 상기 제1 단위 금속 셀 어레이의 사이즈는 상기 제2 단위 금속 셀 어레이의 사이즈 보다 작은 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
15. The photonic crystal photo-mixer array of claim 14, wherein the size of the first unit cell array is smaller than the size of the second unit cell array.

제11항에 있어서, 상기 서브 포토믹서 어레이는 하나의 대형 포토믹서를 형성하기 위해 적어도 3개 이상 배열되는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The large area array type photonic crystal photo-mixer of claim 11, wherein the sub-photomultiplier array is arranged at least three or more in order to form one large-sized photo-mixer.

제16항에 있어서, 상기 서브 포토믹서 어레이는 하나의 대형 포토믹서를 형성 시에 상기 제1,2 전극들이 서로 교대로 배치되는 IDT(interdigitated)구조를 가지는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
17. The large-area array photonic crystal photo-mixer of claim 16, wherein the sub-photomultiplier array has an IDT (interdigitated) structure in which the first and second electrodes are alternately arranged when forming one large-sized photo-mixer.

삭제delete

제11항에 있어서, 상기 제1,2 단위 금속 셀 어레이는 제1,2 방향에서 설정 간격으로 배치된 적어도 4개의 금속 셀을 포함하는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The large area array photonic crystal photo-mixer of claim 11, wherein the first and second unit metal cell arrays include at least four metal cells arranged at predetermined intervals in the first and second directions.

제22항에 있어서, 상기 금속 셀의 평면 형상은 원형, 3각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형, 십이각형, 십삼각형, 및 십자형 중의 선택된 하나 이상인 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
23. The method of claim 22, wherein the planar shape of the metal shell is at least one selected from a circle, a triangle, a rectangle, a pentagon, a hexagon, a hexagon, an octagon, a quadrangle, a decagon, an octagon, a diagonal, Area array type photonic crystal photo mixer.

제22항에 있어서, 상기 설정 간격은 대칭적 격자 구조 혹은 비대칭적 격자 구조를 이루도록 형성된 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
23. The photonic crystal photo-mixer of claim 22, wherein the set spacing is configured to provide a symmetrical lattice structure or an asymmetric lattice structure.

제11항에 있어서, 테라헤르츠파의 발생 조절을 위해 상기 제1,2 단위 금속 셀 어레이의 미리 설정된 간격과 배열의 주기는 제작시에 가변 가능하게 되는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The large area array photonic crystal photo-mixer of claim 11, wherein the predetermined interval and the period of arrangement of the first and second unit metal cell arrays are variable at the time of fabrication to control generation of the terahertz wave.

제11항에 있어서, 상기 제1 전극들은 서로 다른 바이어스 전압들이 제공되는 양극들이고, 상기 제2 전극은 그라운드 전위가 인가되는 음극인 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The photonic crystal photo-mixer array of claim 11, wherein the first electrodes are anodes provided with different bias voltages, and the second electrode is a cathode to which a ground potential is applied.

제11항에 있어서, 상기 포토컨닥티브 층은 저온 성장법으로 형성되는 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The large-area array type photonic crystal photo-mixer according to claim 11, wherein the photoconductive layer is formed by a low-temperature growth method.

제11항에 있어서, 상기 포토컨닥티브 층은 InGaAs 재질이나 InGaAsP 재질로 이루어진 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
The photonic crystal photomultiplier of claim 11, wherein the photoconductive layer is made of InGaAs or InGaAsP.

제11항에 있어서, 상기 포토컨닥티브 층은 InGaAs 재질로 이루어진 층과 InAlAs 재질로 이루어진 층을 포함하는 다층박막인 대면적 어레이형 포토닉 크리스탈 포토믹서.
12. The large area array photonic crystal photo-mixer of claim 11, wherein the photoconductive layer is a multilayer thin film comprising a layer made of an InGaAs material and a layer made of an InAlAs material.

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