레이저 다이오드 기반 THz

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13476(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)은 다양한 과학 분야에서 강력하고 다양한 도구로 등장했습니다. 여기에는 무엇보다도 이미징, 재료 특성화 및 레이어 두께 측정이 포함됩니다. THz-TDS는 연구 환경에서 상당한 성공을 거두었지만 대부분 시스템의 높은 비용과 부피로 인해 이 기술의 광범위한 상용화를 방해했습니다. 이러한 시스템의 크기와 비용에 영향을 미치는 두 가지 주요 요소는 레이저와 ODU(광 지연 장치)입니다. 결과적으로 우리 그룹은 소형 모놀리식 모드 잠금 레이저 다이오드(MLLD)를 기반으로 하는 THz-TDS 시스템 개발에 중점을 두었습니다. MLLD의 초고반복률(UHRR)은 더 짧은 ODU를 활용하여 시스템의 전체 비용과 크기를 줄일 수 있다는 추가 이점을 제공합니다. 그러나 정확한 테라헤르츠 시간 영역 신호를 획득하기 위해 ODU에서 필요한 정밀도를 달성하는 것은 여전히 ​​중요한 측면입니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 UHRR-THz-TDS 시스템에 대한 간섭계 확장을 개발하고 향상시켰습니다. 이 확장은 저렴하고 컴팩트하며 통합하기 쉽습니다. 이 기사에서는 간섭계 참조 신호를 기반으로 지연 축을 재구성하기 위한 시스템 설정, 확장 자체 및 알고리즘 절차를 제시합니다. 우리는 10,000개의 신호 추적으로 구성된 데이터 세트를 평가하고 1.6THz에서 측정된 테라헤르츠 위상의 표준 편차를 3mrad만큼 낮게 보고합니다. 또한 평균화 후 100GHz에서 20fs에 불과한 남아 있는 피크 대 피크 지터와 기록적인 최고 신호 대 잡음비 133dB를 보여줍니다. 이 문서에 제시된 방법을 사용하면 THz-TDS 시스템 구축을 단순화하여 대량 및 비용을 줄일 수 있습니다. 결과적으로 테라헤르츠 기술을 실험실에서 현장 응용으로 전환하는 것이 더욱 촉진됩니다.

광전도 방출기와 검출기를 사용하는 테라헤르츠 시간 영역 분광법(THz-TDS)은 1980년대 후반 Fattinger와 Grischkowsky1,2에 의해 처음 시작된 이래로 많은 발전을 이루었습니다. 기술 및 시스템 발전으로 인해 THz-TDS는 실험 과학3,4을 위한 강력하고 다양한 도구가 되었습니다. THz-TDS의 경제성과 유용성을 향상시키는 주목할만한 이정표에는 구동 펨토초 레이저의 파장을 1.55μm 통신 대역5,6,7로 전환하고 펨토초 광섬유 레이저를 사용하는 최초의 전체 섬유 분광계 도입이 포함됩니다8. 향상된 재료와 광전도성 안테나 구조를 사용하면 광섬유 결합 시스템을 통해 최대 6.5THz의 대역폭과 최대 111dB9의 피크 동적 범위를 일상적으로 달성할 수 있습니다. 최근 광전도 안테나 기술의 발전으로 대역폭이 10THz10으로 늘어났습니다. 또한 비동기식 광학 샘플링(ASOPS)11,12,13, 전자 제어식 광학 샘플링(ECOPS)14, 캐비티 튜닝에 의한 광학 샘플링(OSCAT)15 및 단일 레이저 편광 제어 광학 샘플링(SLAPCOPS)과 같은 개념의 도입 )16은 기계적 광학 지연 장치(ODU) 없이 THz-TDS 시스템을 구축하는 것을 가능하게 했습니다. 이러한 시스템은 기계적으로 더 견고한 경향이 있으며 더 중요한 것은 초당 최대 100,000 스펙트럼의 스펙트럼 업데이트 속도를 달성하는 것입니다12.

이러한 개선으로 인해 산업 분야에서 몇 가지 등대 응용 프로그램이 활성화되었습니다. 여기에는 그래핀17, 자동차 페인트18 및 일반 비파괴 테스트(NDT)19의 특성화가 포함됩니다. 테라헤르츠 감지의 산업적 응용에 대한 포괄적인 검토가 20에 제시되어 있습니다. 사탕수수 종자의 품질 관리21, 원유 분석22, 제지 산업의 품질 관리23를 포함한 더 많은 응용 분야가 실현 가능한 것으로 입증되었지만 아직 실험실 시연에서 현장으로 전환하는 데 성공하지 못했습니다. 불행하게도 최첨단 THz-TDS 시스템의 높은 비용은 여전히 ​​광범위한 배포를 방해하고 있으며 크기와 무게가 커서 진정한 모바일 애플리케이션을 배제합니다. 상대적으로 컴팩트함에도 불구하고 펨토초 파이버 레이저는 여전히 시스템 크기와 비용에 큰 영향을 미치기 때문에 대체 광원(바람직하게는 반도체)을 찾으려는 많은 노력이 있어 왔습니다. 세기가 시작되기 직전의 초기 연구에서 Tani et al.24은 다중 모드 레이저 다이오드(MMLD)를 사용하여 광전도성 안테나를 구동하여 넓은 테라헤르츠 스펙트럼을 생성하는 것을 시연했습니다. 그 후, Morikawa et al.25은 분광학 응용을 위한 주파수 분해 전력 측정과 함께 해당 소스의 사용을 보여주었습니다. 얼마 지나지 않아 그들은 광전도 방출기와 광전도 검출기를 사용하는 기존의 시간 영역 분광계가 지연 영역에서 주기적인 광전류를 생성한다는 획기적인 발견을 했습니다. 광전류의 주기성은 MMLD 모드 간격의 역수와 동일하기 때문에 그들은 이를 광전도 검출기에서 변동하는 광 강도와 입사 테라헤르츠 신호의 상호 상관에 기인한다고 생각하여 "테라헤르츠 상호 상관 분광학"이라는 용어를 만들었습니다. "(THz-CCS). 이후 몇 년 동안 이 개념은 자유 공간 광학에서 광섬유 결합 설정27으로 전환하고 여기 파장을 1550nm 통신 대역28으로 변경함으로써 개선되었습니다. 간헐적으로 이 개념은 "테라헤르츠 준시간 영역 분광학"(THz-QTDS)으로 이름이 바뀌었고 개선된 수학적 모델이 개발되었습니다29. 최근에는 낮은 듀티 사이클30과 레이저31에 대한 광 피드백을 사용하여 MMLD를 각각 작동함으로써 시스템 대역폭이 증가했습니다. 모드 없는 반도체 광원으로 초발광 다이오드(SLD)를 사용하는 THz-CCS 개념의 변형은 Molter et al.32에 의해 처음 시연되었으며 나중에 Tybussek et al.33에 의해 스펙트럼 성형에 대해 더 자세히 연구되었습니다. SLD의 모드리스 특성은 연속 테라헤르츠 스펙트럼을 생성하므로 시스템의 주파수 분해능은 ODU(광 지연 장치)의 길이에 의해서만 제한됩니다. THz-CCS에 대한 철저한 검토가 34에 제시되어 있습니다.