Trend in Industrial Terahertz Technologies

1. 반도체 레이저 기반 비팅광원

테라헤르츠 연속파 발생을 위한 비팅광원은 광대역 주파수 튜닝이 가능하면서도 포토믹서를 구동하기에 충분한 출력을 가져야 한다. 이중모드 레이저(DML: Dual-mode laser)와 광증폭기 및 파장 가변용 마이크로 히터를 단일 소자로 집적할 경우, 고출력 주파수 가변 비팅광원 제작이 가능하고, 포토믹서 및 광 변조기 등을 집적할 경우 초소형/저가격의 연속파 테라헤르츠 시스템 구현이 가능하다. (그림 1)은 두 개의 레이저와 위상 조절 영역을 집적한 단일 공진기 구조의 DML로[18], 300GHz~1.3THz의 비팅 주파수 범위를 확보하였다. 또한, 반도체 광증폭기를 집적한 출력 60mW급의 고출력 비팅광원도 개발된 바 있다[19].

(그림 1)

반도체 광증폭기 집적형 이중모드 레이저 (SOA-DML)의 개략도[28]

테라헤르츠 무선통신에는 252~325GHz 범위의 캐리어 주파수가 사용될 것으로 기대되고 있다. 고해상도 테라헤르츠 이미징의 경우, 300~700GHz 범위의 주파수가 주로 사용될 것으로 예상되어 비교적 협대역의 파장 가변이 요구되고 있다. 그러나 페인트 두께 측정, 유해물질 검출 등을 위한 테라헤르츠 분광시스템 적용을 위해서는 0.3~2THz 정도의 광대역 주파수 가변이 필요하며, 이에 대응하기 위한 광대역 비팅광원 개발이 요구된다. 또한, 파장가변 범위 내에서 광출력 및 측모드 억제율의 균일성이 요구된다. 마이크로 히터를 이용한 파장 조절은 간단한 메커니즘, 좁은 선폭, 연속적 파장가변 등의 장점이 있지만, 가변 범위가 증가할수록 광 세기가 급격히 감소하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 AMQW(Asymmetric multiple quantum well) 구조로 넓은 이득분포를 갖는 1.55µm 대역 DML을 제작하였다[20].

(그림 2)에 양자우물 구조에 따른 DML의 파장가변 스펙트럼을 보였다. 일반적인 양자우물 구조에 비해 AMQW를 사용한 DML이 훨씬 균일한 출력을 보였다. 또한, 마이크로 히터를 개선하여 파장 가변시 SMSR(Side mode suppression ratio)의 변화를 줄였다.

(그림 2)

이중모드 레이저의 파장가변 스펙트럼

(그림 3)과 같이 기존 소자에서는 마이크로 히터 전류가 증가함에 따른 SMSR의 감소가 심각한 반면, 개선 후에는 150mA까지 주입전류 증가에도 일정한 SMSR을 유지하고 있다. 비팅 주파수는 0.115~1.045THz까지 가변 가능하였다[(그림 4) 참조]. 이러한 광대역 비팅광원은 기존 THz-TDS를 대체할 수 있는 소형, 저가의 THz-FDS 시스템의 핵심 요소 기술이다.

(그림 3)

마이크로 히터 주입전류에 따른 SMSR 변화

(그림 4)

이중모드레이저의 비팅주파수 변화

2. 포토다이오드 기반 포토믹서

포토믹서는 비팅광원을 테라헤르츠파로 변환하는 핵심 소자이다. 포토믹싱을 통한 THz 연속파 발생 개념은 (그림 5)와 같다. 포토다이오드에 입사된 비팅광원은 전자-정공 쌍을 생성, 비팅 광의 차주파수(fbeat)에 해당되는 주파수로 포토다이오드의 광전류를 변조시키며, 이 전류는 안테나를 통해 테라헤르츠 연속파로 방사된다.

(그림 5)

포토다이오드 기반 포토믹싱

일반적인 pin-PD의 경우, 정공의 느린 속도로 인해 소자의 성능이 제한된다. 이에 반해 UTC-PD(Uni-traveling carrier photodiode)는 정공이 다수 캐리어가 되는 p형 흡수층을 사용하고 유전 완화 시간(Dielectric relaxation time) 내에 정공을 빠르게 제거해서 속도가 빠른 전자만이 광전류에 기여하여 효율적인 출력을 얻을 수 있다. 이때 흡수층의 도핑 분포를 경사지게끔 설계, 전위차를 생성하여 전자 이동이 원활하도록 한다. (그림 6)에 일반적인 pin-PD 및 UTC-PD의 밴드다이어그램, 기판 성장 구조 및 SIMS 측정 결과를 보였다.

(그림 6)

Pin-PD 및 UTC-PD의 구조와 측정결과

(그림 7)에서와 같이 화합물 반도체 공정을 통해 칩을 제작하고, (그림 8)에 보인 바와 같이 실리콘 렌즈와 편광유지 광섬유를 이용, 모듈화하였다. 제작된 UTC-PD의 responsivity는 약 0.2A/W이며, 테라헤르츠 출력 스펙트럼은 (그림 8b)에 보인 바와 같이 300GHz 기준 8mA의 광전류에서 25μW 이상임을 확인하였다. 이는 본 실에서 개발한 기존 pin-PD 구조와 비교하면 약 10dB 이상 향상된 출력이다.

(그림 7)

포토믹서 소자 개념도[28]

(그림 8)

제작된 포토믹서 모듈

3. 쇼트키 다이오드 검출 소자

SBD는 다이오드의 정류작용(Rectifying)을 이용하여 테라헤르츠파를 검출하는 소자로, 별도의 분기광을 사용하지 않고 자체적으로 테라헤르츠파의 세기를 직접 측정할 수 있으므로 테라헤르츠 이미징에 유용하다. SBD의 단자에는 보통 안테나 구조가 연결되어 입사된 테라헤르츠파가 안테나를 통해 SBD에 인가된다. SBD의 정류 작용에 의해 테라헤르츠파 전기장 세기에 비례하는 직류 전압이 발생되며, 이를 측정함으로써 테라헤르츠파의 정량화가 가능하여 테라헤르츠파 검출기로 널리 사용되고 있다. SBD는 일반적 다이오드와는 달리 동작 전하가 다수 캐리어(Majority carrier)이기 때문에 전하 수명시간(Carrier lifetime)이 매우 짧아 고주파 동작에 적합하다. 본 연구실에서는 이미징 및 통신 응용을 위해 무전원 공급에서도 활용이 가능한 낮은 잡음 특성을 갖는 InGaAs SBD를 개발해 왔으며, (그림 9)과 같이 1μm와 2μm의 직경으로 제작된 SBD의 정전용량을 나타내었다. 시리즈 저항은 약 25Ω의 특성을 보였고, RC 효과에 의한 인트린식(Intrinsic) 3dB 대역폭은 1μm와 2μm 직경 소자 각각에 대해 910GHz, 250GHz정도였다.

(그림 9)

제작된 직경 1μm, 2μm SBD의 정전용량

잡음 특성은 검출기에서 중요한 요소 중 하나이다. (그림 10)에 본 연구실에서 제작한 로그 스파이럴 (Log spiral) 안테나가 집적된 SBD에서 측정된 잡음 스펙트럼을 나타내었다. 이를 NEP(Noise equivalent power)로 환산하면 25pW/√Hz가 된다. 현재 SBD 에피 구조의 변경을 통해 잡음 특성의 개선을 연구 중이다. 제작된 소자의 응답도(Responsivity)는 250GHz에서 약 1,000V/W로, 테라헤르츠 이미징 및 분광 측정에 응용할 수 있는 수준이다.

(그림 10)

직경 1μm SBD의 잡음 스펙트럼

4. 나노기술 기반 포토믹서

광전도 안테나 및 포토믹서는 펄스 레이저 또는 비팅광원을 통해 생성된 전자-정공쌍을 외부 바이어스 전기장으로 가속, 과도 전류를 생성하여 테라헤르츠파를 발생시키고, 검출시에는 소자에 입사된 테라헤르츠파가 바이어스로 작용하게 된다[4]. 이때 소자의 고속 동작을 위해 전하수명 시간은 1ps 이하로 매우 짧아야 하기 때문에 지금까지는 저온 성장된 GaAs 또는 InGaAs 물질이 주로 사용되었다[21].

최근 나노전극 구조의 전계 향상 효과 및 플라즈몬 효과를 이용하여 나노스케일 전하동역학을 조작함으로써 포토닉스 기반 테라헤르츠 발생 소자의 효율을 현저히 높인 결과들이 발표되었다[22]. 본 연구실에서도 이에 주목하여 나노전극 적용 시 THz-PCA에 입사되는 레이저 펄스의 세기가 낮아질수록 나노전극의 효과가 커짐을 발견하였다[23]. 나아가 바이어스 전기장 분포와 플라즈몬 전하 분포를 일치시켜 높은 레이저 세기에서도 고효율로 동작하는 나노전극 구조를 도출하였고, 이를 대면적 광전도 안테나에 적용하여 기존 대면적 광전도 안테나에 비해 50배 이상의 출력을 갖는 테라헤르츠 펄스 광원(그림 11)과 연속파 테라헤르츠 포토믹서(그림 12)를 개발하였다[24]. 이처럼 본 연구실에서는 나노전극을 적용함으로써 기존 소자의 성능을 높였을 뿐 아니라, 저온 성장 반도체 물질에 의존하지 않는 저가의 대량 생산 가능한 호모다인 테라헤르츠 검출 소자를 개발하였다. 이를 통해 광범위한 산업 응용 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.

(그림 11)

나노전극 구조를 적용한 테라헤르츠 펄스 광원[23]

(그림 12)

나노전극 구조를 적용한 연속파 테라헤르츠 포토믹서[24]

5. 테라헤르츠 양자폭포레이저

THz QCL은 2002년 최초 보고된 후[25], GaAs/ AlGaAs 물질계에서 Semi-insulating surface plasmon (SISP) waveguide 및 Metal-metal waveguide를 이용하여 각각 100K 및 199.5K 동작이 시연된 바 있다[26]. 저온 동작의 한계는 있으나, 고주파, 고출력 광원으로서의 장점이 있으므로 향후 다양한 시스템 응용이 예상되는 차세대 핵심 소자 중 하나이다. 이러한 중요성을 고려하여 본 연구실에서도 3THz 대역 테라헤르츠 검출기를 포함한 광대역 고출력 광원 확보를 위해 연구를 추진하고 있다.

(그림 13)에 본 연구실의 THz QCL의 밴드구조를 보였다. MBE(Molecular beam epitaxy)를 이용하여 Semi-insulating(SI) GaAs(100) 기판상에 GaAs(well) /Al0.15Ga0.85As(barrier)로 구성된 3.1THz 발생용 양자우물 구조를 설계, 기본 구조를 총 226회 반복 성장하였다.

(그림 13)

THz QCL 밴드 구조

(그림 14)에 QCL 웨이퍼의 HR-XRD 결과를 보였다. 성장된 웨이퍼가 설계와 일치함을 확인하였으며, 반치폭을 통해 높은 결정 품질을 확인할 수 있다. 성장된 웨이퍼를 이용하여 다양한 설계변수를 적용한 소자를 제작 중에 있으며, 소자 특성의 연구를 위한 저온 측정 기술에 관련된 연구들이 진행되고 있다. Sub-THz 대역에서 확보된 테라헤르츠 주요 응용기술을 적용하여 3THz 대역의 응용시스템 개발의 핵심기술이 개발될 것으로 예상된다.

(그림 14)

THz QCL HR-XRD 특성평가

1. 고속 실시간 이미징 시스템

테라헤르츠파의 낮은 출력으로 대부분 실험실에서 2차원 스캔 영상 획득을 통한 테라헤르츠 기술의 유용성을 보여주고 있다. 그러나 실험실 수준의 기술을 산업 현장에 적용하기 위해서는 작고, 저가격, 실시간 특성 제공이 가능하여야 한다. 고속 테라헤르츠 영상 확보를 위해 (그림 15a)에서 보인 것과 같이 단일 테라헤르츠 발생기와 어레이 검출기로 구성된 실시간 2차원 반사영상 시스템 개략도를 보였다. 일차원 라인 형태의 테라헤르츠 빔과 갈바노 스캐너(Galvano scanner)를 통해 고속 2차원 테라헤르츠 영상 시스템 시제품을 구현하였다.

(그림 15b)는 개발한 라인 스캔(Line scan) 방식의 실시간 THz 반사 영상 시스템으로, 자체 개발한 1×60 SBD 어레이 검출기를 이용, 최대 3.0×3.0cm² 이미징 영역에서 20f/s 이상의 속도를 구현하였다. 그 결과, x-ray 영상으로는 검출하기 어려운 배추흰나비 애벌레와 같은 연질의 이물질에 대한 실시간 영상을 얻을 수 있었다. 애벌레 머리 및 꼬리의 뾰족한 부분과 몸체의 울퉁불퉁한 마디 등의 특징이 확인 가능하다[27].

(그림 15)

라인 스캔 방식의 THz 반사영상 시스템[27]

현장에서 요구되고 있는 수요기술에 대응하기 위해 고출력의 초소형 광대역 테라헤르츠 파원이 탑재된 영상시스템 개발이 시급히 진행되어야 하고, 이를 위한 핵심 부품과 시스템 기술을 자체적으로 개발 추진 중이다.

기존 개발된 라인 스캔 방식은 고출력 광원과 어레이 검출기가 필요하다는 단점이 있어, 보다 광범위한 응용을 위해 래스터 스캔 방식의 실시간 2차원 THz 반사 영상 시스템을 개발하였다. THz 빔을 x-y Galvano scanner를 활용하여 2D 스캔하고, 균일하고 대면적의 테라헤르츠 영상 획득을 위해 Telecentric f-theta 렌즈를 자체 개발하여 반사형 THz 2D 이미징 시스템을 구성하였다.

통상의 이미징 렌즈는 (그림 16a)와 같은 구면수차가 존재하므로, (그림 16b)와 같이 평 초점면을 갖고 스캔 각도에 따른 피사체의 공간 샘플링이 균일한 f-theta 렌즈, 또는 이에 피사체 입사각이 수직이 되도록 함으로써 되돌아 나오는 신호가 동일 광학계를 거쳐 빔 분배기를 통해 검출기에 도달할 수 있게 만드는 (그림 16c)와 같은 Telecentric f-theta 렌즈가 필요하다.

(그림 16c)와 같이 복수의 렌즈가 필요한 가시광과 달리, 파장이 상대적으로 긴 테라헤르츠 대역은 수차 보정의 부담이 상대적으로 낮아 (그림 16d)와 같이 단일 렌즈로 Telecentric f-theta 렌즈를 구현할 수 있다. 실시간 테라헤르츠 이미징 시스템을 위해 후면초점 거리 10cm, 스캔각 x축, y축 각각 ±20°를 갖는 HDPE 재질의 Telecentric f-theta 렌즈를 설계 및 제작하였다.

(그림 16)

이미징 시스템을 위한 렌즈

제작된 Telecentric f-theta 렌즈를 이용하여 실시간 THz 반사 이미징 시스템을 구성하였다[(그림 17) 참조]. 자체 개발한 UTC-PD를 포토믹서로 활용한 THz 발생기[28]를 이용하였으며, 2D Galvano scanner의 x축 스캔 함수는 한 주기의 톱니파를, y축은 반주기의 삼각파 함수를 사용하였다. 단일 검출기로 입사된 THz 신호는 대역 필터와 저잡음 증폭기를 통해 증폭된 후, 실시간으로 PC로 전달된다. 폭 7mm이고 주기 20mm인 금속격자 구조에 대해서 (그림 17b)와 같은 깨끗한 영상을 얻었고, 8×8cm² 면적에 대해 스캔 속도 1f/s 이상의 구현이 가능하였다.

(그림 17)

래스터 스캔 방식의 THz 반사영상 시스템

현재, 이렇게 개발된 시스템을 보다 소형화하여 실제 자동차 제조 현장에서 적용 가능한 차량 품질 검사 기법 개발에 적용 중이다[(그림 18) 참조]. 이뿐만 아니라, 다양한 산업 분야에서 결함 분석 및 품질 관리 등에 광범위하게 적용하기 위한 시스템 응용 연구를 진행하고 있다.

(그림 18)

래스터 스캔 방식을 적용한 시스템

2. 테라헤르츠 무선 인터커넥션

테라헤르츠 기술은 이미징, 분광 이외에도 초고속 통신에 응용할 수 있다. 특히, 향후 4차 산업혁명 대응을 위한 대규모 데이터 통신의 수요 충족을 위해 이러한 초고속 통신 기술은 그 중요성을 더할 것이며, 이에 따라 초고속 테라헤르츠 통신 기술의 개발은 필수적인 요소이다. (그림 19)에 THz 무선 인터커넥션의 개념도를 나타내었다.

(그림 19)

250GHz 무선 인터커넥션 실험 개략도

1.3μm DWL(Dual wavelength laser)을 비팅광원으로 사용하였으며, 주파수는 250GHz로 고정하였다. DWL의 연속파 광원은 LN-MZM(Lithium niobate Mach-Zehnder modulator)을 이용하여 2.5Gbps로 PRBS (Pseudorandom binary sequence) 광변조하였고, SOA를 이용하여 광증폭 하였다. 15nm 광 Bandpass filter를 이용하여 ASE(Amplified spontaneous emission) 잡음을 제거하였다.

변조된 광신호는 UTC-PD 모듈로 입사되어 THz 파를 발생시키고, Horn 타입의 SBD 검출기를 통해 검출된 전기 신호는 후단 전기 증폭기에 의해 증폭되며, DCA(Digital communica-tions analyzer)와 BERT(Bit error rate tester)를 이용하여 Eye pattern과 BER 곡선을 얻을 수 있다. (그림 20)은 250GHz 캐리어 주파수에서 광변조 속도에 따른 Eye pattern과 BER 곡선으로, 2.5Gbps 에서 깨끗한 Eye pattern과 10^–9 BER 특성을 실험적으로 확인함으로써 무결점 통신 특성을 확보하였다. RF 응답특성 향상을 통한 10Gbps, 25Gbps급 근거리 무선 통신 기술 개발을 추진하여 비압축 고화질 대용량 기기 간 테라헤르츠 통신 기술 분야의 차별화된 경쟁력 확보가 예상된다.

(그림 20)

250GHz무선 인터커넥션 통신