Optical gain characteristics of Erbium doped Silicon Rich Silicon Oxide(SRSO) optical waveguide amplifier was investigated. Er doped SRSO thin films, which consist of Si nanoclusters embedded inside a $SiO_2$ matrix, were prepared by electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition with co-sputtering of erbium target. We found that thermal annealing of SRSO film at ~ 950℃ for 5minutes result in long lifetime and strong luminescence film suitable for making waveguide amplifier by forming high quality nanocrystals and removing defect states inside silica. It is estimated that optimum composition for waveguide amplifier is 1 at.% excess Si and ~ 0.03 at.% Er. Photoluminescence excitation spectrum showed that Er in SRSO can be very efficiently excited by earning the energy from silicon nanocrystal absorbing pumping signal, through which mechanism Er in SRSO can emit 1540nm light much more efficiently than that in silica. Ridge type-single mode waveguide was made out of Er doped SRSO thin film with above condition by chemical etching using BOE and mechanically polished to couple light signal efficiently. Signal enhancement was measured by pumping the ridge waveguide on the top with 477nm Ar ion laser line, not Er optical absorption band. Huge enhancement which cannot be explained by Er in glass confirms that gain in Er doped SRSO waveguide amplifier is attributed to Er interacted with nanocluster. From simulation using absorption spectrum, signal enhancement curve and rate equation it was concluded that Er emission crosssection at 1535nm is $1.7× 10^{-19}㎠$, larger than that of silica by an order of magnitude. From gain curve analysis for pumping flux, effective absorption crosssection of Er in SRSO at 477nm was $\simeq$ $10^{-17}㎠$. It is also four orders of magnitude larger than that of Er direct absorption excitation. It is confirmed that free carrier loss due to the free carrier from silicon nanocrystal was suppressed by showing there are no change of 1300 nm signal during pumping. By Er absorption spectrum measurement near 1540nm we showed that the signal enhancement in the Er doped SRSO waveguide is the net gain over the Er absorption loss. Maximum gain from Er doped SRSO waveguide amplifier was possible up to 7dB/cm even with a very low (0.03 at. %) concentration of Er and 50% core mode overlap. The possibility of true gain waveguide and various advantages of application to optical amplifier of these result is presented.
현재 상용화된 광섬유를 이용한 광통신은 수 terabit/sec 이상의 전송용량이 가능할 정도의 기술이 확보되었지만 대다수의 통신 사용자들은 여러가지 기술적 비용적 어려움으로 전기신호를 이용하여 통신을 하고 있다. 이러한 전기 신호를 광통신으로 대체하기 위해서는 수많은 광소자가 필요하게 되고 빛의 특성상 각 소자마다 손실을 피할수 없기때문에 이러한 손실의 보상을 위하여 대량 생산이 가능한 광증폭기의 개발은 필수적이다.
기존의 장거리 광통신을 가능하게 했던 EDFA의 장점을 이용하면서 EDFA의 chip based 생산에 제약을 주었던 발광 메카니즘의 한계를 물리적으로 이해하고 해결하려는 연구가 본 논문의 주제이다. 기존의 EDFA와 동일한 물질인 어븀이 도핑된 실리카를 기반으로 그 안에 실리콘 나노크리스탈을 형성시킴으로써 발광 효율및 증폭 효율을 수 order 이상 증가시킬수 있었으며 이러한 현상에 대한 물리적 이해를 위해 본 연구를 실행하였다. 다음은 실험 결과에 대한 요약이다.
어븀이 첨가된 실리카 내에 실리콘 나노크리스탈을 형성 시킨 물질 (SRSO)에서의 광증폭 특성이 조사되었다. 어븀이 도핑된 SRSO는 ECR-PECVD를 이용한 아르곤 플라즈마내에 실란과 산소가스를 흘려주며 어븀을 직접 co-sputtering 하여 증착되었다. 증착된 박막내에 존재하는 실리카를 형성한 후 남는 여분의 실리콘들을 박막의 고온 열처리를 통하여 실리콘 나노크리스탈로 형성시키고, 동시에 실리카 내의 결함들을 제거하였다. 여분의 실리콘 양과 어븀의 양, 열처리의 온도와 시간을 변화시키면서 광증폭기로의 응용을 위한 최적화 조건을 찾았다. 여분의 실리콘을 1%정도로 제한하고 이와 비슷한 정도의 밀도의 어븀, 즉 0.03at. %를 넣은 상태에서 약 1000도씨에서 5분 정도의 열처리를 통해 적합한 박막을 얻을수 있다는 결론을 얻었다.
이렇게 증착된 박막은 1540nm에서 강한 발광과 8.4msec정도의, 알려진 바로는 가장 긴, 발광시간을 갖는다. 또한 실리콘 나노크리스탈이 에너지를 흡수하고 이 에너지를 어븀에 전달하는 방식으로 어븀의 발광이 일어나기때문에 효율이 월등히 좋고 가시 가시 광선 영역의 다양한 빛을 이용하여 펌핑이 가능함을 보였다. 이렇게 제작된 박막으로 기존의 실리카 기반의 photolithography를 이용하여 단일 모드의 광도파로를 제작하고 이 도파로에 477nm의 알곤 레이저를 수직으로 펌핑하여 주면서 도파 특성을 측정하였다. IR CCD 카메라를 이용하여 싱글모드로 도파됨을 확인하고 수직 펌핑시 output 단자에서의 시그날을 OSA등을 이용하여 측정하여 증폭 특성을 분석하였다. 분석 결과 나노 크리스탈을 매개로 한 어븀의 증폭이 실제로 가능함을 최초로 규명하였고, 증폭특성 역시 펌핑 효율을 결정하는 477nm에서의 흡수 단면적과 증폭 효율을 결정하는 1540nm 에서의 발광단면적이 각각 10000배와 100배 가까이 증가함을 적당한 모델과 시뮬레이션을 통하여 보였다. 1300nm 시그날의 펌핑에 따른 변화가 없음을 보임으로써 실리콘 나노크리스탈에 의해 일어날수 있는 자유전자들의 흡수로 인한 손실이 거의 없음을 보였고 1540nm 에서의 흡수 스펙트럼과 증폭정도를 비교하여 실제 증폭이 일어날수 있음을 확인하였다. 여러가지 응용을 위한 제약이 되는 손실의 효과에 대한 해석과 줄일수 있는 방법에 대한 논의가 첨부되었다.
