Design and Characterization of Terahertz Emitter and Self-Complementary Metasurface

Abstract

‘테라헤르츠(THz)’파는 가시광선이 통과하지 못하는 물질을 투과하여 보이지 않는 물질을 손상 없이 검출할 수 있다는 장점으로 인해 비파괴검사, 바이오-화학 및 보안용 이미징 시스템에 활용할 수 있다. 이를 위해 실온에서 동작 가능한 신호 발생기와 이를 제어하는 필터는 필수적인 소자이다. 본 학위 논문에서는 고전자 이동도 트랜지스터 소자를 사용하여, 실온에서 별도의 대형 장비 필요 없이 건전지와 같이 간단한 전기만을 사용해 동작하며, 크기가 작아 휴대성과 활용성이 높은 테라헤르츠 신호 발생기에 대해 보고된다. 초저온부터 실온, 그리고 고온 환경에서 소자의 방사 특성을 측정한 결과가 담겨 있으며, 최초로 고전자 이동도 크랜지스터로부터 방사되는 테라헤르츠 신호의 방사 패턴을 측정한 결과가 보고된다. 또한, 제작된 소자를 사용하여, 옷 속에 숨겨져 눈에 보이지 않는 칼날을 검출하고 이미징한 결과가 담겨 있다. 자체상보 방식 메타물질 기반 테라헤르츠 필터 또한 다뤄진다. 단위 구조는 예루살렘 십자가 형태의 금속 구조와 이와 짝을 이루는 대칭 구조로 이루어진다. 이러한 구조로 설계된 테라헤르츠 필터는 하나의 소자를 대역 통과 필터 및 대역 저지필터로 활용이 가능하다. 본 학위 논문에서는 해당 구조의 등가회로와 이를 기반으로 한 회로 시뮬레이션, 그리고 전자계 시뮬레이션을 통해 자체상보 메타물질 기반 테라헤르츠 필터를 설계한 결과 및 분광기를 이용해 해당 필터를 측정할 결과를 다룬다.|Terahertz (THz) waves are interesting for non-destructive testing, bio-chemical and security imaging applications due to their non-ionizing low-energy characteristics as well as the high transmission though dielectric material. To realize compact THz imaging, a semiconductor-based THz source operating at room temperature is essential. In this thesis, room temperature narrowband THz radiation is reported by using GaAsbased pseudomorphic HEMTs (pHEMTs). The low temperature measurement elucidated the strong correlation between the radiation power and the electron mobility in the channel of pHEMT. Furthermore, the radiation pattern from the HEMT based emitter is reported for the first time. For the further verification of electromagnetic radiation, a metallic blade hidden in the cloth was successfully imaged by using the device under test. Self-complementary metasurface is also presented for the application in the multi-band terahertz filters. The unit cell structures of the self-complementary metasurface consist of a combination of an ordinary Jerusalem cross and its complementary counterpart that resonate in the THz regime. The columnar repetition of ordinary and complementary resonator structure enables complementary spectral responses for the incident waves having orthogonal linear polarizations. The operating principles of the self-complementary metamaterial including the interaction between the juxtaposed ordinary and complementary Jerusalem crosses are explained by using equivalent circuit method and are justified with full wave electromagnetic simulation. The designed selfcomplementary metasurface functions as a selective band-stop filter (BSF) or band-pass filter (BPF) depending on the polarization states of the incident wave.