The terahertz (THz) waves are categorized as two distinct types: the pulsed-wave (PW) having wide frequency bandwidth from a few tens of GHz up to over one THz; the continuous-wave (CW) having narrow frequency bandwidth. In this dissertation, two major topics are investigated. One is the analysis of the ferroelectric thin film by using THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) that is the application of the THz PW. The other one is the spectral analysis and the design of an integrated photomixer/antenna in the all-optoelectronic THz photomixing system, which is the application of the THz CW. An integrated photomixer/antenna generates the THz CW through the photomixing on the ultrafast photoconductor by the two distributed feedback lasers (DFB-LDs) having slightly different wavelengths.
The THz-TDS is a powerful technique that can extract the both real and imaginary parts of the complex dielectric property of materials by measuring the THz electromagnetic pulses transmitting the materials in time domain. In modern electronics, the thin dielectric or semiconductor layers are frequently used and the frequency of the electronics is rapidly increasing. And the nanostructured materials having a high potential is fabricated in thin film state for photonics and nanodevices. Therefore, it is very important to investigate the thin layered systems in THz frequency range. Moreover, the emerging THz investigation of biomolecules is compelled to thin layers due to the small material quantities typically available. In this dissertation, the ferroelectric thin film is analyzed to establish the method for the analysis of the thin film by using THz-TDS. The multiple reflections of THz pulses within the thin film can’t be temporally separated and they get superimposed. Thus, the multiple reflections within the thin film are carefully considered to analyze the thin film by using THz-TDS. And the error function between calculated and measured data is introduced to extract the complex dielectric properties of the thin film exactly. The real and imaginary parts of the complex dielectric constants of the thin films were extracted exactly in the frequency range of 0.5 ~ 3.0 THz. The real part of the dielectric constant of the ferroelectric (BSTO) thin films was less than 170. The dielectric loss tan-gent of the ferroelectric (BSTO) thin films varied between 0.9 and 3.0. All values of the error function were less than 7x10-4 in the whole frequency range. We have exactly analyzed the complex dielectric properties of ferroelectric thin films in the THz frequency range by using THz-TDS.
The THz CW is generated by the two distributed feedback lasers with an integrated photomxier/antenna fabricated on the ultrafast photoconductor. In this dissertation, an integrated photomixer/antenna is spectrally analyzed in all-optoelectronic THz photomixing system. The analysis method combines the effects of the impedance matching between the photomixer and the antenna impedances with the conventional analysis theory of a THz photomixer for the calculation of the generated THz power in the transmitter. Furthermore, the analysis includes the power transmission formula used in the communication link in order to estimate the received THz power in the receiver after wave propagation from the transmitter. In order to achieve a high dynamic range in a broad frequency region, a log-periodic antenna was used in the all-optoelectronic THz photomixing system. The input resistance of the log-periodic antenna and the capacitance of the interdigitated photomixer were calculated by using a CST MWS and Ansoft HFSS electro-magnetic simulator, respectively. The reflection coefficient (Г) between the photomixer and the antenna was also calculated by using the EM simulator; the port impedance of the antenna was renormalized to 100 kΩ because the measured resistance of the photomixer was about 100 kΩ when the photomixer was excited by the light. The photocarrier lifetime was measured by time-resolved reflectance measurements. In order to verify the accuracy of the proposed analysis, the calculated results were compared to the measured ones in all-optoelectronic THz photomixing system composed of an all-fiber path for the laser beam. The integrated photomixer/antenna was fabricated and measured in the all-optoelectronic system from 10 GHz to 1000 GHz. During the frequency scan, two lasers were controlled by the feedback control system to maintain the output optical power constantly and set the frequency exactly in all frequencies. The SNR of the measured power was approximately 60 dB near 100 GHz and decreased monotonically with an increasing frequency. The measured results generally agree well with calculated results by the proposed analysis. The measured results clearly show the effects of the impedance mismatch factor to the generated power in the integrated photomixer/antenna and the usefulness of the power transmission formula in the all-optoelectronic system. The generated power in the photomixer/antenna is closely related with the antenna impedance. And the relative power in the frequency spectrum can be estimated in the all-optoelectronic system after calibrating the propagation loss through the THz path in the system. The generated power in the transmitter and the SNR of the system could be increased by optimizing the impedances of the antenna and the photomixer. Further research about the radiation efficiency and the radiation pattern of the antenna fabricated on the substrate in the frequency region could increase the accuracy of the proposed analysis of the integrated photomixer/antenna.
The impedance matching condition between the photomixer and antenna impedances is very important because the generated photocurrent in the photomixer by two lasers is coupled to the antenna, which is proportional to the impedance matching condition. The impedance of a photomixer is very high, typically 10~100 kΩ, and the impedance of a conventional THz broadband antenna is below 100 Ω. Consequently, the THz CW output power is proportional to the input impedance of the antenna. The folded-dipole antenna has been proposed and investigated to increase the impedance of the antenna for the power enhancement of the integrated photomixer/antenna. The antenna was simulated by using the CST MWS electro-magnetic simulator to increase the input resistance of the antenna. The resistance of the antenna in-creased to 2750 Ω at 396 GHz. This resistance is approximately 40 times as high as that of a self-complementary antenna. The optimized antenna was fabricated and measured by using the silicon bolometer from 100 GHz to 1300 GHz. During the frequency scan, two lasers are controlled by the feedback control system same with the all-optoelectronic system. The measurements were done under the several conditions of various incident powers and bias voltages. The detailed peaks of the generated THz CWs occur at the same frequency bands under the various operating conditions. This means the frequency of the two lasers is identically controlled by the feedback control system under the every scan conditions. The measured THz output power increases as the engaged voltage increases and the incident optical power increases. The power measurement of the folded-dipole antenna shows the resonant characteristics as expected. There are some differences between the simulation results and measured results. The main peak of the measured THz output power moved to lower frequency less than 300 GHz out of the scope in which the bolometer can measure; the ratio of the power enhancement by increasing the resistance was less than the expectations in the simulation; the bandwidth of the THz wave was broadened compared to the bandwidth of the input resistance of the simulated antenna. However, the peaks of the measured THz power occur close to the peaks of the simulated antenna resistance even though their absolute frequency positions and the bandwidth are somewhat different each other. This difference of the exact frequency position and the bandwidth could be attributed to several factors such as the radiation efficiency and the radiation pattern of the antenna, the interaction between the impedances of the photomixer and the antenna, and the electrode loss, etc. Further research about the factors causing the difference between the simulated and measured results could enhance the THz output power of the integrated photomixer/antenna.
테라파는 수십 GHz에서 1 THz 이상의 넓은 주파수 대역을 가지는 펄스파와 좁은 주파수 대역을 가지는 연속파로 나누어 진다. 본 논문에서는 테라헤르츠 펄스파의 대표적인 응용 기술인 테라헤르츠 시영역 분광법을 이용한 박막(강유전체 박막) 분석과 테라헤르츠 연속파의 응용 시스템인 광전자소자만으로 구성된 테라헤르츠 광믹싱 시스템의 핵심 소자인 집적된 광믹서/안테나의 설계 및 주파수 특성 분석에 대하여 기술하였다. 집적된 광믹서/안테나는 약간의 파장 차이를 가지는 두 개의 DFB레이저를 초고속 광전도체에 입사하여 발생하는 광믹싱 현상을 통하여 테라헤르츠 연속파를 생성한다.
테라헤르츠 시영역 분광법은 시간 영역에서 물질을 통과하는 테라헤르츠 전자기 펄스파를 측정함으로써, 물질의 복소 유전 특성의 실·허수부를 동시에 추출할 수 있는 유용한 기술이다. 최근 개발되는 많은 전자소자들은 박막 형태의 유전체나 반도체를 이용하여 제작되고, 동작하는 주파수 대역이 급속히 올라가고 있다. 또한, 많은 기능과 가능성을 가지는 나노 구조의 물질은 박막 형태로 광학 및 나노 소자 등에 이용된다. 그러므로, 테라헤르츠 주파수 대역에서 박막 구조체를 정확히 분석하는 것은 매우 중요하다. 게다가 최근에 부상되고 있는 바이오 분자 분석을 위해서는 매우 적은 양의 박막 분석 기술이 필수적이다. 본 연구 논문에서는 테라헤르츠 시영역 분광법을 이용하여 정확한 박막 분석 방법을 제안하고 이를 검증하기 위하여 강유전체 박막을 분석하였다. 테라헤르츠 펄스파가 박막을 통과할 때, 박막 내부에서 생기는 다중 반사 성분이 시간 영역에서 구분되지 않고 중첩되어 나타나므로 박막 내부에 생기는 다중 반사 성분을 정확히 분석하여 박막의 유전특성을 추출하는 방법을 제안하였다. 또한, 본 분석 방법을 통하여 계산한 결과와 측정한 결과를 비교하여 서로 간의 오차 정도를 가늠하기 위한 에러 함수를 제안하고 이를 최소화함으로써 계산의 정확도를 향상하였다. 제안한 방법을 통하여 강유전체 박막을 테라헤르츠 시영역 분광법으로 측정한 후, 0.5 ~ 3 THz 주파수 대역에서 박막의 복소 유전율의 실·허수부를 정확히 추출하였다. 계산된 강유전체 (BSTO) 박막의 실수 성분은 170 이하이고, 로스탄젠트(tanδ) 값은 0.9 ~ 3.0 이었다. 제안된 박막 분석 방법으로 계산된 복소 유전율과 측정값을 비교한 오차 함수값은 전체 주파수 대역에서 7x$10^{-4}$ 이하로, 테라헤르츠 시영역 분광법으로 강유전체 박막의 복소 유전 특성을 정확히 추출하였음을 확인하였다.
초고속 광전도체 위에 형성된 집적된 광믹서/안테나는 약간의 파장 차이를 가지는 두 개의 DFB레이저를 광믹서에 집속하여 생기는 광믹싱 현상을 통하여 테라헤르츠 연속파를 생성한다. 본 연구 논문에서는 광전 소자로만 구성된 테라헤르츠 광믹싱 시스템의 핵심 소자인 집적된 광믹서/안테나의 주파수 특성 분석에 대하여 기술하였다. 본 분석 방법은 일반적인 테라헤르츠 광믹싱 분석 이론을 바탕으로 광믹서와 안테나 사이의 임피던스 매칭 효과를 추가하였다. 또한, 시스템 내에서 송신기에서 송출된 테라파가 수신기에서 수신되는 테라파의 전력을 예측하기 위하여 통신 링크에서 사용되는 전력 전송 공식을 응용하였다. 이러한 분석 방법을 광대역에서 적용 비교하기 위하여 광대역 로그피어리어딕 안테나를 사용하였다. 분석에 필요한 로그피어리어딕 안테나의 입력 임피던스와 광믹서의 캐패시턴스는 각각 CST MWS와 Ansoft HFSS 전자기 시뮬레이터를 사용하여 계산하였다. 광믹서와 안테나의 반사 계수는 제작된 광믹서에 레이저 광을 입사한 후, 측정한 광믹서 임피던스가 100 kΩ 이므로 안테나의 포트 임피던스를 100 kΩ으로 설정하고 계산하였다. 집적된 광믹서/안테나의 기판이 되는 초고속 광전도체의 광캐리어 수명은 시간 분해 반사 측정법을 이용하여 측정하였다. 제안된 해석 방법의 정확도를 확인하기 위하여, 모든 광선로를 광섬유만으로 구성한 안정성이 높은 광전자소자만으로 구성된 테라헤르츠 광믹싱 시스템에서 측정된 결과와 비교하였다. 테라헤르츠 광믹싱 시스템의 주파수 안정성을 향상하기 위하여 두 개의 DFB 레이저에 각각 궤환 조절 시스템을 적용하여 모든 동작 주파수에서 두 레이저의 출력이 항상 동일하게 유지되면서 원하는 주파수에 정확히 동작 가능하도록 하였다. 이러한 주파수 안정성이 확보된 테라헤르츠 광믹싱 시스템을 이용하여 집적된 광믹서/안테나의 출력 신호대잡음비(SNR)를 10 ~ 1000 GHz대역에서 측정하였다. 측정된 테라헤르츠파의 SNR은 100GHz 근처에서 60dB의 값을 나타내었고, 주파수가 증가함에 따라 그 값이 감소함을 확인하였다. 측정한 집적된 광믹서/안테나의 SNR결과를 제안한 해석 방법으로 계산한 결과와 비교하여 서로 잘 일치함을 확인함으로 제안된 해석 방법이 실제 응용 가능함을 증명하였다. 본 해석 결과, 집적된 광믹서/안테나에서 발생하는 테라헤르츠파의 출력은 안테나의 입력 임피던스와 광믹서와 안테나의 임피던스 매칭 특성에 비례함을 확인하였다. 또한, 시스템 내의 송신기와 수신기 사이의 주파수에 따른 전송 손실을 고려하면 광믹서/안테나 출력 주파수 특성을 계산할 수 있다. 안테나의 입력 임피던스와 광믹서의 출력 임피던스를 최적화하고, 추가적으로 안테나의 방사효율과 방사패턴을 분석/최적화함으로써 집적된 광믹서/안테나의 출력과 시스템의 SNR을 향상할 수 있다.
집적된 테라헤르츠 광믹서/안테나의 출력 향상을 위해서는 광믹서와 안테나 사이의 임피던스 정합 특성이 매우 중요하다. 이는 광믹서에서 생성된 광전류가 광믹서와 안테나 사이의 임피던스 매칭 특성에 비례하여 안테나로 커플링되기 때문이다. 일반적으로 광믹서의 출력 임피던스는 10 ~ 100 kΩ으로 매우 높고, 일반적인 테라헤르츠 광대역 안테나의 입력 임피던스는 100 Ω 이내이므로, 집적된 광믹서/안테나의 출력은 안테나의 입력 임피던스에 비례하여 증가하게 된다. 본 연구 논문에서는 집적된 광믹서/안테나의 출력을 높이기 위하여 높은 입력 임피던스를 가지는 접힌 다이폴 안테나를 제안하였다. 접힌 다이폴 안테나의 입력 임피던스를 최대화하기 위하여 CST MWS 전자기 시뮬레이터를 이용하여 안테나의 구조를 최적화하였다. 최적화된 안테나의 입력 임피던스는 일반적인 자기 상보적 광대역 안테나의 약 40배인 396 GHz에서 2750 Ω 값을 가졌다. 최적화되어 제작된 접힌 다이폴 안테나의 출력을 100 ~ 1300 GHz 대역에서 실리콘 볼로미터를 이용하여 측정하였다. 두 레이저의 정확한 주파수 스캔을 위하여 각각의 레이저를 궤환시켜 레이저의 주파수 및 출력을 안정화시키고, 볼로미터를 이용하여 광출력과 인가전압의 변화에 따라 접힌 다이폴 안테나의 출력을 측정하였다. 측정 결과 모든 측정 조건에서 안테나의 출력 주파수 스펙트럼은 크기만 변화될 뿐 모두 같은 위치에서 주파수 피크를 나타내었다. 이러한 결과는 테라헤르츠 주파수를 변화시키는 동안 두 레이저가 궤환 시스템을 통하여 항상 동일하게 안정적으로 조절되었음을 증명한다. 접힌 다이폴 안테나의 출력 측정 결과는 예상한 바와 같이 주파수 공진 특성을 보이면서 특정 주파수 대역에서 높은 출력을 보였다. 그러나, 측정된 안테나의 출력 피크의 주파수 대역이 예상된 주파수보다 낮은 주파수 대역으로 이동하면서 대역폭이 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 계산 결과와 측정 결과의 주파수 위치 및 대역폭의 차이는 안테나의 입력 임피던스와 광믹서의 출력 임피던스의 상호작용과 이를 구성하는 전극 손실 등에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 안테나의 측정값과 계산값의 차이를 만드는 요인에 대한 추가적인 연구는 집적된 광믹서/안테나의 출력을 더욱 향상시킬 수 있다.
