포토닉스 기반 테라헤르츠 기술

Terahertz Technology Based on Photonics

Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 30, No. 2, April 2015, pp. 1-13

문기원 (Moon K.) THz포토닉스창의연구센터 선임연구원
김남제 (Kim N.) THz포토닉스창의연구센터 선임연구원
이일민 (Lee I.-M.) THz포토닉스창의연구센터 선임연구원
이의수 (Lee E.S.) THz포토닉스창의연구센터 선임연구원
이원희 (Lee W.-H.) THz포토닉스창의연구센터 선임연구원
고현성 (Ko H.) THz포토닉스창의연구센터 책임연구원
한상필 (Han S.-P.) THz포토닉스창의연구센터 책임연구원
박경현 (Park K.H.) THz포토닉스창의연구센터 센터장

Abstract

포토닉스 기술에 기반한 테라헤르츠 발생/검출 소자 기술은 광대역/저잡음 테라헤르츠 시스템 기술의 기반이 된다. 이것은 주파수 대역의 특성으로 인해 소자의 설계와 제작에 있어서 반도체, 광소자 관련 기술에서 RF 회로 및 안테나에 이르는 광범위한 분야의 기술이 통합적으로 적용되어야 하는 흥미로운 분야인 동시에, 향후의 기술발전에 따라 새로운 주파수 대역이 개척됨으로써 많은 응용기술이 파생될 수 있는 중요한 분야이다. 본고는 현재 본 센터에서 개발 중인 소자들을 중심으로 포토닉스 기반 테라헤르츠 기술 전반의 현황을 요약하고, 향후의 발전방향을 예측해 보고자 한다.

I. 서론

테라헤르츠(1THz=1×10¹²Hz) 대역의 전자기파는 비분극성 물질을 투과하는 특징을 가지며, 그 파장은 대략 수백 μm에 해당된다(1THz=300μm). 산업적으로는 비교적 고해상도의 투과 이미지를 얻을 수 있다는 특성으로 인해 품질관리에의 응용이 기대되어 왔다. 엑스레이 등에 비해서 인체에 위해를 가하지 않으며, 특히 암 조직과 정상 조직에 대해 일정 수준 이상의 명암비를 가지는 것으로 알려져 의료영상으로써의 가능성도 제시되고 있다. 분자 또는 전자집단의 집단적인 진동 주파수가 이 대역에 위치하기 때문에, 차세대 전자 소자의 기반 물질로 주목받고 있는 그래핀, 고온 초전도체, DNA 등에 존재하는 각종 동적 현상의 연구에도 테라헤르츠 대역의 분광기법이 널리 사용되고 있다[1][2].

이러한 테라헤르츠 기술의 발전은 결국 발생 소자와 측정 소자의 개발에 달려있다. 가장 널리 알려진 테라헤르츠 기술은 펨토초 레이저를 사용한 시영역 분광법에 기반한 것으로, 넓은 주파수 대역 특성과 높은 신호대 잡음비로 인해 학계를 중심으로 테라헤르츠 기술의 가능성을 보이는 데 기여하였다. 그러나 그 크기와 가격 및 사용의 편의성 면에서 많은 제한이 존재하며, 이로 인해 테라헤르츠 대역의 주파수 자원을 다양한 응용에 적극적으로 활용하기 위해서는 보다 대량 생산에 적합하고 사용이 편리한 저가격의 테라헤르츠 소자 기술이 절실하다.

특히 주목할만한 기술은 두 개의 연속파 레이저를 중첩시켜 얻은 비팅 광원을 이용한 테라헤르츠 연속파 발생/검출 기술이다. 본고에서는 테라헤르츠 연속파 기술에 핵심적인 소자들을 소개하고, 각 소자들의 개발현황 및 시스템 응용현황 등을 소개하고자 한다.

Ⅱ. 테라헤르츠 연속파 시스템 개요

테라헤르츠 연속파 시스템은 높은 에너지가 필요하고구성이 복잡하며 가격도 높은 편인 펄스 광원을 대신하여 주파수 차이가 테라헤르츠 주파수에 해당하는 두 개의 광원을 이용하는 방식을 주로 사용한다[1][2]. 이 때, 주파수 차이를 갖는 두 광원을 합쳐 비팅 광원이라 부르기도 한다. 비팅 광원을 이용하지 않고, 직접 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 QCL(Quantum Cascaded Laser)과 같은 소자도 많은 주목을 받고 있지만[3], 아직은 상온 동작의 문제 및 제한된 광대역 특성 때문에, 비팅 광원을 이용한 방법이 현실적인 응용분야에 가장 적합한 방식으로 여겨진다. 전형적인 테라헤르츠 연속파 측정 시스템의 구성도를 (그림 1)에 나타내었다.

비팅 광원을 이용하여 테라헤르츠 연속파를 발생시키는 방법은 외부에서 빛을 비추면 내부에 전류가 잘 흐르게 되는 반도체의 광전도(photoconductive) 성질을 이용한다. 이 때, 빛의 주파수는 반도체 내부의 전하가 이동하는 속도보다 너무 높아서, 실제 흐르는 전류의 주파수는 비팅 광원의 주파수 차, 즉 비팅 주파수를 따르게 된다. 이렇게 유도된 전류를 안테나를 통하여 효과적으로 방사함으로써, 테라헤르츠파를 발생시키게 된다. 이러한 방식의 테라헤르츠 연속파 발생 방식을 포토믹싱(photomixing)이라 부르고, 이를 위한 반도체 소자를 포토믹서(photomixer)라 부른다.

(그림 1)

호모다인 연속파 테라헤르츠 시스템

(그림 1)에서 보이는 바와 같이, 테라헤르츠 연속파 시스템의 핵심 소자는 비팅 광원과 테라헤르츠파 발생기, 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.

테라헤르츠 연속파 시스템은 보다 저전력이고 소형의 시스템이 요구되는 분야에 주로 사용될 것으로 전망된다. 따라서, 핵심 소자들의 개발방향에 있어 중요한 한 가지 요건은 작고 가볍고 전력 소모가 적은 시스템에 기여를 해야 한다는 점이다. 이러한 측면에서, 종래 두 개의 반도체 레이저를 기반으로 구성하던 비팅 광원을 개선하여, 단일 공진기 파장 가변형 이중 모드 레이저를 사용하여 구성한 최근 기술은 많은 장점을 가지고 있는 기술이다[4][5]. 또한, 외부에 별도로 추가되던 광 증폭기를 이중 모드 레이저에 집적한 소자도 최근 개발되었으며[6], 향후에도 기능성과 집적도를 높이는 연구는 계속될 전망이다.

테라헤르츠 연속파 발생 소자에 대해서도 포토믹싱 방식의 낮은 출력으로 인해 포토다이오드(photo diode) 등의 다양한 광-전 변환 소자를 사용 함으로써 높은 테라헤르츠 연속파 출력을 얻기 위한 연구가 이루어지고 있으며[7], 검출기의 측면에서도 광혼합기 외에 쇼트키 다이오드(Schottky Barrier Diode) 등의 다양한 소자에 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한, 나노 구조와 다층 레이어 구조 등 소자의 물성적, 구조적 특성에 기반하여 보다 높은 효율의 테라헤르츠 연속파 발생/검출 소자를 만들기 위한 연구들도 다양하게 보고되고 있다[8].

Ⅲ. 테라헤르츠 소자

1. 반도체 레이저 기반 비팅 광원

테라헤르츠 연속파 발생에 있어서, 비팅 신호를 생성하는 레이저의 선폭, 노이즈 특성, 튜닝 범위 및 위상 안정도 등이 포토믹싱을 통해 발생되는 테라헤르츠 연속파의 물리적인 특성을 결정한다[9]. 또한, 안정적이고 동시에 넓은 파장 범위에서 연속으로 튜닝이 가능한 비팅 광원부 및 이를 증폭하는 증폭부가 테라헤르츠 연속파 시스템의 크기, 소모 전력, 그리고 시스템 응용분야를 결정하는 매우 중요한 요소로 작용하고 있다. 예로, 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 두께 측정기, 센서, 그리고 휴대용 계측기 등의 목적으로 고가이면서 동시에 크기가 큰 현재의 테라헤르츠 연속파 시스템을 사용하는 것은 불가능하다. 위와 같은 이유로 작고 효율적인 비팅 광원부의 제작을 위해 반도체 레이저를 기반으로 하는 테라헤르츠 연속파용 이중 모드/파장 레이저는 그 응용분야를 고려할 때, 테라헤르츠 연속파 시스템의 산업화 파급효과가 크다고 할 수 있다.

실제 연구분야에서도 이와 같은 초소형/고효율/저가의 비팅 광원을 제작하려는 노력이 계속되어 왔다[10]-[12]. 두 개의 레이저 빔을 단일 공진기 구조에서 얻는 다면 비팅 주파수가 외부 노이즈에 대해서 상대적으로 안정적이고, 시스템 구성이 간단해 질 수 있다. 하지만, 단일 공진기 구조에서 출력되는 두 개의 발진 모드 사이의 파장 간격을 연속적으로 튜닝하는 것은 매우 어렵다. 그러므로, 단일 공진기 구조를 사용하는 비팅 광원의 대부분은 단일 주파수 응용으로 그 용도가 제한되고 있는 실정이다. 두 개의 단일 모드 반도체 레이저를 하나의 반도체 칩상에 집적하여 만들어 지는 이중 파장 레이저로 연구가 진행되고 있는 것도 단일 공진기 구조를 가지면서 동시에 넓은 범위에서 튜닝이 가능한 반도체 레이저의 제작이 어렵기 때문이다.

최근에 두 개의 레이저와 이 레이저 사이의 상호작용을 조절할 수 있는 위상 조절 영역을 집적하여 단일 공진기 구조를 갖는 이중모드레이저(DML: Dual-Mode Laser)가 개발되어 우수한 특성이 보고되었다[4]-[6]. 두 레이저 사이의 상호작용을 제어하고, 집적된 마이크로히터를 이용하여 각 발진 모드의 동작 파장을 조절하여 비팅 주파수를 300GHz~1.3THz 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 공진기 구조를 갖는 집적형 비팅 광원도 함께 보고되었다[13]. (그림 2)에 나타낸 것과 같이 두 개의 단일 모드 반도체 레이저와 위상 조절 영역, 마이크로히터, 반도체 광 증폭기, 모드 변환기가 집적된 구조로 단일 공진기 형태를 유지하면서도 안정적인 이중모드 발진 특성과 함께 고출력 특성을 얻은 것은 기술적으로 볼 때, 테라헤르츠 연속파 응용을 위해 매우 중요한 발전이라 할 수 있다. (그림 3)은 SOA-DML(Semiconductor Optical Amplifier integrated Dual-Mode Laser)의 튜닝 스펙트럼으로 넓은 영역에서 연속적으로 튜닝이 가능하면서도 안정적인 이중모드 발진 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.

(그림 2)

반도체 광 증폭기 집적형 이중모드 레이저(SOA-DML)의 개략도

(그림 3)

SOA-DML의 발진 모드 튜닝 결과

SOA-DML은 별도의 증폭단을 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, 광소자 패키지 기술을 이용하여 단일 모듈로 구현되는 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. 또한 초소형의 시스템 구성이 가능하여, 테라헤르츠 연속파를 이용한 센싱, 분광 및 무선통신 등 많은 분야에서 이용이 가능할 것이다.

2. 포토다이오드 기반 포토믹서

포토다이오드를 이용한 테레헤르츠 연속파 발생의 개념을 (그림 4)에 보였다. 앞서 설명한 비팅 광원으로부터의 광 신호를 포토다이오드의 활성층에 입사시킨다. 포토다이오드의 활성층에 흡수된 광은 전자-정공 쌍으로 변환, 이 비팅 광원의 주파수(f_beat)에 해당되는 주파수로 포토다이오드에 흐르는 전류를 변조한다. 이렇게 변조된 전류는 적절한 구조의 안테나를 통해서 테라헤르츠 연속파를 자유 공간으로 방사시킨다.

(그림 4)

포토다이오드 기반의 포토믹싱 기술

앞서 언급한 고효율 포토믹싱 기술의 구현을 위해서는 고속에서 동작하는 소자를 설계하는 것이 필수적인데, 1THz가 1ps의 주기에 대응됨을 고려할 때, 가장 큰 제약 요소는 전자 및 정공의 운반자 수명이다. 일반적인 반도체 물질에서 이 수명시간은 전자-정공 간의 결합에 의해 제한되는데, 이 경우 10 나노초 이상의 값을 가진다.

(그림 5)는 포토다이오드로 가장 많이 사용되고 있는 pin-PD와 일본전신전화주식회사(NTT: Nippon Telegraph and Telephone Corporation)에서 원천기술을 가지고 있는 단일전송운반자-포토다이오드(UTC-PD: Uni-Tra-veling-Carrier PhotoDiode)의 밴드갭 구조를 나타낸다. 일반적인 pin-PD[(그림 5 a) 참조]에 있어서 광에 의해 생성된 전자와 정공이 함께 전류에 기여하는데, 이 경우에 소자의 동작속도는 발생한 전자와 정공의 흡수층 내의 이동 시간과 screening 효과에 의해 영향을 받는다. 특히 이동도가 낮은 정공이 속도를 제한하는 요소이다. UTC-PD[(그림 5 b) 참조]의 경우, 전극에 인접한 광 흡수층이 p형으로 도핑된 구조로, 일반적인 pin-PD에서 이동도가 높은 전자만이 그 동작에 관여한다. 이를 통해 고주파에서 고출력의 테라헤르츠파 발생이 가능하여, 2.5THz 이상의 높은 주파수에서 발생 및 측정이 보고되었다[14].

(그림 5)

PD 밴드 다이어그램

소자에서 발생한 고주파 전류를 안테나까지 손실 없이 전달하기 위해서는 다양한 고주파 회로 설계기술이 필수적이다. 일반적인 RF 회로 설계기술에서 그 동작 속도는 RC 시상수로 표현되는데, 소자의 저항을 낮추고 정전 용량을 줄임으로써 광대역 특성을 개선할 수 있다. 보다 적극적인 방법으로써, RF 회로에서 임피던스 매칭을 위해 널리 사용되는 구조인 stub-line을 적용할 수 있으며[(그림 6 a) 참조], 이를 통해 최소 3-dB 이상의 출력 향상이 가능하다[15][16]. 또한 포토다이오드 칩으부터 발생된 테라헤르츠파의 전송 및 효율적인 방사 역시 매우 중요한 부분을 차지한다. (그림 6 b)에 보인 바와 같이 도파로 전송구조와 혼(horn) 안테나를 통하여 특정 주파수에서 높은 효율의 출력이 가능하다[17]. 최근, 이러한 방법들을 통하여 300GHz에서 1mW 이상의 출력을 갖는 소자 특성에 대해 보고되었다[18].

(그림 6)

UTC-PD의 예[17]

본 센터에서는 비교적 에피 구조가 단순한 pin-PD 구조를 채택하여 설계 및 공정을 통해, 300GHz 약 1.5μW의 파워 출력[(그림 7 a) 참조]을 확인하였으며 앞서 설명한 DML 소자와 함께 주파수 가변이 가능한 테라헤르츠 발생기를 구현하여 테라헤르츠 분광 시스템을 구현[(그림 7 b) 참조]하였다(530GHz에서 측정된 α-lactose 물질의 흡수 피크).

(그림 7)

Pin-PD 포토믹서 특성

3. 쇼트키 다이오드 검출기

쇼트키 다이오드 THz 검출기는 렉테나(rectenna) 구조를 가지고 있다[19]. 렉테나는 정류기(rectifier)와 안테나(antenna)의 합성어이다. 렉테나에서는 전자기파 에너지를 안테나로 받은 뒤에 정류기와 저역필터(low pass filter)를 이용하여 직류 전력을 얻으며 이를 이용하여 THz파의 세기를 측정한다. (그림 8)에 쇼트키 다이오드를 정류기로 사용하는 렉테나 기본 구조를 나타내었다.

(그림 8)

THz 쇼트키 다이오드 검출기 원리

(그림 9)는 쇼트키 다이오드 제작에 사용한 에피 구조이다. Metal-Organic Chemical Vapor Deposition을 이용하여 성장하였으며 도핑이 높은 오믹(ohmic)용 InGaAs층과, 상대적으로 도핑이 매우 낮은 InGaAs 쇼트키층으로 이루어진다. 쇼트키 콘택층으로 InGaAs를 사용하면 turn-on 전압이 낮아 바이어스 전압을 가할 필요가 없어 노이즈 특성이 좋고 검출기 회로가 간단해 지는 장점이 있다[20][21].

(그림 9)

쇼트키 다이오드 에피 구조

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

(그림 10)

제작된 쇼트키 다이오드 검출기

(그림 11)은 제작된 쇼트키 다이오드 검출기 IV 특성 측정 결과이다. 오믹층의 종류, 도핑 농도, 안테나 길이에 따라 시리즈 저항은 40~80Ω의 값을 가지는데, 주로 집적된 안테나에 의해 영향을 받는다. Ideality factor는 InGaAs를 오믹층으로 사용하는 쇼트키 다이오드에서 1.1~1.3 사이의 값을 가진다. 측정된 responsivity값은 360V/W였으며 noise equivalent power는 33pW/√Hz였다.

(그림 11)

쇼트키 다이오드 IV 특성 측정 결과

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(matching)에 의해서도 결정되므로 쇼트키 다이오드 임피던스 측정, 안테나 임피던스 측정 방법, 테스트 구조설계 등에 대한 연구를 진행하고 있다[23].

4. 저온 성장 반도체 기반 포토믹서

테라헤르츠 연속파의 검출을 위해 사용되는 포토믹서는 극히 짧은(통상 1 피코초 이내) 운반자수명을 갖는 광 흡수성 기판상에 제작된다. 쇼트키 다이오드와는 달리 테라헤르츠파의 검출을 위해서는 광 비팅 신호가 필요하며, 따라서 호모다인(homodyne) 기법을 통해 사용된다. 검출 기법의 특성상 높은 신호대 잡음비가 가능하여 분광기법에 널리 사용되어 왔으나, 추가적인 광 정렬이 필요한 특성으로 인해 활용 가능성에 제한이 존재하는 것 또한 사실이다.

저온 성장 반도체 기반 포토믹서에 있어서, 짧은 운반자수명은 반도체 기판의 특성을 인위적으로 제어함으로써 확보된다. 구체적으로, 결정 내부에 전하를 포획할 수 있는 결정 결함들을 인위적으로 생성함으로써 달성된다[24]. 이를 위해 낮은 온도에서 분자선 증착법을 통해 결정 성장을 수행하는데, 대량 생산에 적합하지 않은 공정의 특성상 많은 제약이 존재한다. 전기적 특성 또한 매우 중요한데, 여기광이 입사되지 않을 경우 높은 저항을 가지는 것이 바람직하다. 이를 위해 추가적인 열처리 등이 일반화되어 있다[25]. 특히 1.3/1.5μm 파장의 비팅 광원을 통해 테라헤르츠 광원을 제작하는 경우, InGaAs 등의 물질에서 원하는 수준의 전기저항을 얻기는 GaAs 등의 물질에 비해 매우 어렵다.

최근 다층 구조의 기판을 사용하여 전기적인 특성을 높이는 연구가 이루어져서, 많은 특성상의 개선이 이루어 졌으며[26], 현재 GaAs 기반 테라헤르츠 기술에 비해서도 비슷하거나 혹은 능가하는 수준의 연구결과들이 발표되고 있다.

InGaAs/InAlAs 다층 구조의 적용을 통하여 검출용 테라헤르츠 포토믹서를 제작하였다. 테라헤르츠파의 수신 효율을 높이기 위한 광대역 평면 안테나로써, 나선형 로그 안테나를 집적하였으며, 두께가 1.2μm인 InGaAs 단일막 기판상에 제작된 기준 포토믹서와 그 특성을 비교하였다[(그림 12) 참조].

다층 성장된 InGaAs/InAlAs의 운반자수명은 1.2 피코초로 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 주파수 범위에 대해 측정이 가능한 것으로 평가되었다.

테라헤르츠 소자의 동작에 있어서 극히 짧은 시간 내에 일어나는 전하들의 동적 거동이 매우 중요한 관건인데, 이와 관련해 최근 금속 나노 구조를 활용하는 연구들이 증가하고 있다[8][27][28]. 이러한 금속 나노 구조를 통해 소자의 특성을 획기적으로 개선할 여지가 존재하며, 결정 결함이 없는 통상적인 기판상에 테라헤르츠 검출용 포토믹서를 제작할 수 있는지 역시도 중요한 관심사항으로, 일부 의미 있는 연구결과들이 발표되고 있다[28]. 향후 나노 공정기술과의 결합을 통해 기술적 돌파구가 마련될 수 있을지 그 귀추가 주목된다.

(그림 12)

Multilayer 포토믹서 측정 결과

Ⅳ. 응용 시스템

1. 두께 측정 시스템

테라헤르츠파는 가시광선이 투과하지 못하는 플라스틱이나 종이 등, 일부 불투명한 물질, 또는 비산 먼지가 많은 대기 중을 비교적 적은 손실을 느끼며 투과할 수 있다. 이러한 성질은 테라헤르츠 연속파가 초음파나 마이크로파 보다는 높은 정밀도를 가지면서 가시광을 적용할 수 없는 분야나 환경의 두께 측정에 유용하게 사용될 수 있는 이유가 된다.

테라헤르츠 연속파를 이용한 두께 측정 방식은 여타의 전자기파를 이용하는 방식과 마찬가지로 테라헤르츠파가 물질 속을 진행하면서 겪게 되는 상대적인 위상 변화를 측정하는 방식을 이용한다. 이를 간략하게 살펴보면 (그림 11 a)와 같이 테라헤르츠파가 물체를 투과하는 경우를 생각할 때 물체의 굴절율이 n, 두께가 d라고 하면 이 물체를 투과한 파장 λ인 테라헤르츠 연속파는 같은 거리의 진공을 투과한 경우에 대해서 (2π/λ)(n-1)d의 위상 변화를 겪게 된다. 이러한 방식은 측정의 정밀도는 높은 편이나, 파장 범위를 벗어나는 두께 변화마다 동일한 위상 변화를 겪는 파의 특성상 갖게 되는 위상 모호성이 제약 조건으로 남게 된다.

이러한 위상의 모호성을 없애기 위하여 일반적으로 사용할 수 있는 방법은 기계적인 위상 지연장치를 사용하여 위상 변화량의 물리적 절대 기준치를 토대로 두께를 측정 하는 방법과[29], 여러 파장에 대한 위상 변화를 측정하여 그 추이로부터 두께를 추출해 내는 방법 [30], 혹은 테라헤르츠 연속파의 주파수나 위상을 변조하는 방법[31] 등을 생각할 수 있다.

(그림 13 a)는 이 중 주파수 변조를 이용한 두께 측정 방법에 대한 구성도로 이 방법은 라디오 주파수나 광 주파수에서 널리 알려진 주파수 변조 연속파(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)라는 방법을 테라헤르츠 연속파에 적용한 사례이다.

(그림 13)

테라헤르츠 연속파 두께 측정 시스템

이 방법에서는 (그림 13 b)와 같이 비팅 광원의 주파수가 예를 들어 톱니파의 형태로 변조가 되고 있다고 할 때, 샘플의 두께에 의하여 수신단에서 측정되는 신호의 주파수가 바뀌게 된다. 이러한 관계를 이용하면 (그림 13 c)와 같이, 샘플의 두께에 따라 뚜렷하게 위상 지연이 드러나는 측정 결과를 얻을 수 있다. 이 때 샘플의 두께와 측정된 주파수 변화량 또는 위상 변화량에 대하여 다음과 같은 상관 관계를 얻을 수 있다.

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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.

2. SBD 기반 실시간 이미징 시스템

테라헤르츠파는 X-선과는 달리 에너지가 매우 낮아 인체에 위해가 없으며, 식품 속에 들어갈 수 있는 벌레나 고무재질 등과 같은 이물질을 찾아내는 데도 X-선에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 또한, 테라헤르츠파는 공항, 우편물 취급소, 지하철 등과 같은 공공장소에서 보안 체크용 투시기로도 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 달성하기 위해서는 실시간이면서 1차원 또는 2차원 어레이 형태의 고밀도 테라헤르츠 영상용 검출기 소자가 필요하게 되는데, 전 세계적으로 테라헤르츠 대역에서 사용할 수 있는 실시간 고밀도 검출기는 124×124 파이로 일렉트릭(pyroelectric) 어레이 카메라, 4.3THz에서 동작하는 320×240 마이크로 볼로미터(microbolometer), 0.7THz-1.1THz 대역에서 동작하는 32×32 CMOS 검출기, 250GHz에서 동작하는 1×20 InGaAs 쇼트키 다이오드 검출기 등이 있다[32]-[35].

이중에서 InGaAs 쇼트키 다이오드 검출기는 검출 시 바이어스를 인가하지 않기 때문에 낮은 소비전력을 가지는 장점을 가지고 있으며, 200×200µm² 크기를 가진 square-spiral 안테나 사용으로 어레이 크기가 작기 때문에 소형의 테라헤르츠 이미지 스캐너에 적용 가능성이 높은 소자로 지목되고 있다. 더욱이 쇼트키 다이오드의 기생 정전용량을 줄이기 위해 일반적으로 도입하는 air-bridge 구조 대신에 평면형 구조의 사용으로 어레이 제작 시 균일도가 향상되어 대규모 고밀도 어레이 칩을 구현하는 것이 가능하게 되었다[36].

(그림 14)는 최근 한국전자통신연구원에서 개발한 실시간 대면적 SBD(Schottky Barrier Diode) 어레이 검출기 및 이를 이용한 테라헤르츠파 투시 결과이다. Square-spiral 안테나가 각 픽셀마다 집적되어 있고, 240 픽셀이 0.5mm 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/√Hz, 최대 검출 가능 주파수는 630GHz로 측정되었다. 평균 응답도가 비교적 낮은 이유는 square-spiral 광대역 안테나를 사용하였기 때문인데, 이 안테나 대신에 horn 공진 안테나를 사용할 경우에 응답도는 높아질 수 있으나 소형의 어레이 검출기로 구현하기에는 부적합한 구조이다. 이 외에도 square-spiral 광대역 안테나는 안테나 방사 편광 특성이 원편광이기 때문에 테라헤르츠 파원의 편광에 따른 영향을 받지 않으며 방사각이 ±30도 이내이기 때문에 인근 픽셀에 대한 크로스톡(crosstalk)이 작은 장점을 가지고 있다.

(그림 14)

실시간 대면적 1×240 SBD 어레이 검출기에 의한 테라헤르츠파 투시 결과

1×240 SBD 어레이 검출기를 이용하여 테라헤르츠 영상 획득 측정 결과, X-선 투시기에서는 검출이 되지 않는 연질의 오징어에 대한 영상과, 에이스 크래커 밑에 숨겨져 있는 이물질(금속 링/클립)에 대한 검출이 가능하다고 보고되었다.

3. 테라헤르츠 무선 인터커넥션

본 절은 광 기반 테라헤르츠(THz) 무선 인터커넥션 기술의 일본의 기술동향과 현재 한국전자통신연구원에서 개발 중인 시스템에 대해 소개한다.

일본의 NTT는 2001년에 125GHz 대역에서 10Gbps 데이터 전송을 목표로 광 기술을 기반으로 소형 경량의 송수신기를 개발하였다[37]. 광 영역에서 광 강도(In-tensity)를 ASK 변조하여 UTC-PD를 통하여 광 신호를 전기 신호로 변환하여 안테나를 통하여 전송하였다. 이때의 송신 출력은 200µW이다. 2009년에는 캐리어 주파수 250GHz에서 8Gbit/s의 무선 데이터 전송을 하였다[38]. 같은 해에 오사카대학에서는 기본적인 송신기 구성은 같지만 수신기를 도파관 기반 혼 안테나를 이용하여 300GHz에서 10µW 송신 출력을 갖고 2Gbit/s의 데이터 전송 속도를 갖는 THz 무선 인터커넥션 기술을 소개하였다 [39]. 2010년에는 UTC-PD의 성능을 개선하여 300GHz에서 10Gbit/s의 데이터 전송을 하였다[40].

현재 한국전자통신연구원의 THz포토닉스창의연구센터는 Ⅲ장에서 기술된 비팅 광원, PD(Photodiode) 기반 포토믹서, THz 검출소자 등 높은 성능의 테라헤르츠 연속파용 소자 제작 능력을 갖추었다. 이러한 광 소자 제작 능력을 바탕으로 THz에서 동작하는 10Gbit/s 이상의 데이터 전송 능력을 갖는 무선 인터커넥션 기술을 연구하고 있다. (그림 13)에는 THz 무선 인터커넥션의 개념도를 나타내었다.

THz 연속파를 이용한 무선 통신용 직접 변조형 비팅 광원은 전체 통신시스템의 구조와 안정성 등을 고려할 때 소형이면서도 간단한 구조의 단일 소자인 것이 바람직하다. 이런 관점에서 단일 칩 소자의 장점은 매우 두드러지며, 특히 ETRI는 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 소자 기술들은 차별화된 THz 무선 인터커넥션 시스템 개발에서 캐리어 주파수와 전송속도를 향상시키고 소형 경량화 시스템을 개발하기 위한 기반 기술이 된다.

(그림 15)

THz 무선 인터커넥션의 개념도

Ⅴ. 결론

테라헤르츠 대역은 많은 응용 가능성을 가지고 있는 마지막 미개척의 주파수 영역이며, 이 주파수 자원을 이용하기 위한 노력들이 세계 각지에서 경주되고 있다. 그 태동에서 현재에 이르는, 약 20년에 이르는 기간 동안 대학을 비롯한 소규모의 몇몇 그룹에서 그 연구를 주도해 왔으나, 최근 몇 년에 걸쳐 광범위한 분야에 높은 수준의 역량을 가진 대규모 연구그룹들을 중심으로 실용화에 가까운 연구결과들이 발표되고 있다. 최근에는 영국의 Teraview, 독일의 Toptica, 미국의 Zomega, Advantest와 같은 민간 기업에서도 상용 시스템을 개발하였고, 이미 많은 응용사례들이 축적되고 있다. 날이 갈수록 증가하는 통신 수요와 산업, 의료 기술에의 응용 가능성은 테라헤르츠 기술개발의 중요한 동인이었으며, 아직도 현재 진행형이다. 테라헤르츠 기술이 독보적으로 충족시킬 수 있는 기술적 수요와, 최근 들어서 더욱 가속화된 발전속도를 감안할 때, 그 기술의 적용범위가 가까운 시일 안에 산업계 전반으로 확대될 가능성은 매우 높아 보인다.

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.

국내에서는 한국전자통신연구원의 THz포토닉스창의연구센터가 해당 분야의 후발주자로써 소재에서부터 시스템에 이르는 테라헤르츠 기술의 전 분야를 망라한 연구를 수행해 왔으며, 현 시점에서는 독일의 HHI(Heinrich Hertz Institude), 일본의 NTT 등과 함께 테라헤르츠 기술의 선두주자로 자리매김하였다. 향후의 연구는 광 소자, RF 소자 기술, 모듈 및 시스템 기술 전반을 총망라하는 종합적인 형태로 진행될 것이며, 이를 위한 보다 높은 차원의 국가적 역량 집중이 또한 절실한 시점이다.

용어해설

Dual Mode Laser독립적인 주파수 조절이 가능한 두 개의 반도체 레이저를 하나의 칩안에 공진기를 공유하는 형태로 집적한 소자. 비팅 신호 생성에 사용됨.

Photomixer광 비팅 신호를 전류의 흐름으로 변환하여 테라헤르츠파를 생성하거나 검출하는 데 사용되는 소자

잡음 등가 파워(Noise Equivalent Power)광 검출기의 성능을 나타내는 지표 중 하나로써 주파수 대역을 단위 대역폭으로 한정시켰을 때 잡음과 신호가 같아지는 입사광의의 크기를 나타냄. W/√Hz 단위로 표시됨.

저역필터(Low Pass Filter)차단 주파수보다 낮은 주파수의 전류를 통과시키고, 차단 주파수보다 높은 주파수의 전류는 차단하는 필터

약어 정리

DML

Dual-Mode Laser

FMCW

Frequency Modulation Continuous Wave

HHI

Heinrich Hertz Institude

NEP

Noise Equivalent Power

NTT

Nippon Telegraph and Telephone Corporation

QCL

Quantum Cascaded Laser

SBD

Schottky Barrier Diode

SOA

Semiconductor Optical Amplifier

SOA-DML

Semiconductor Optical Amplifier integrated Dual-Mode Laser

UTC-PD

Uni-Traveling-Carrier PhotoDiode

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