Optical gain from Erbium doped Silicon Rich Silicon Oxide(SRSO) optical waveguide amplifier top-pumped with an 470nm visible LED array is 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 using SiH$_4$ and O$_2$ as source gases. After deposition, the samples were rapid thermal annealed at 950 ℃ for 5 min in order to precipitate the excess Si atoms into nc-Si.
The Composition of waveguide amplifier is 1 at.% excess Si and ~ 0.06 at.% Er. The presence of nc-Si raises the refractive index of the material to 1.46, automatically providing the refractive index contrast necessary for waveguiding. Thus, ridge-type, single-mode waveguides were formed by defining 1.1 cm long, 9 ㎛ width, 0.3 ㎛ high ridges using photolithography and buffered oxide etching process, followed by mechanical polishing.
Optical absorption measurements indicate Er-related absorption of ~ 3dB/cm, consistent with increased Er absorption cross-section by nc-Si. Signal enhancement was observed when the waveguide was pumped from the top using a 470nm visible LED array. simulation of high pump power using 477nm line of an Ar laser showed signal enhancement of 3dB/cm, indicating full inversion.
현재 상용화된 광섬유를 이용한 광통신은 수 terabit/sec 이상의 전송용량이 가능할 정도의 기술이 확보되었지만, 빛의 특성상 각 소자마다 손실을 피할수 없기때문에 이러한 손실의 보상을 위하여 대량 생산이 가능한 광증폭기의 개발은 필수적이다. 그러나 기존의 EDFA의 경우 단가와 크기를 줄이는 데 근본적인 한계가 있다. 최근 이 문제를 해결하기 위해 기존의 EDFA와 동일한 물질인 어븀이 도핑된 실리카를 기반으로 그 안에 실리콘 나노크리스탈을 형성시킴으로써 여기 효율을 증가 시키고, 또한 값비싼 레이저 대신 저가의 LED를 사용하고자 하는 연구가 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 이러한 계념을 증명하는 LED를 펌핑 광으로 사용한 optical amplifier에 관하여 연구를 실행하였다. 다음은 실험 결과에 대한 요약이다.
어븀이 첨가된 실리카 내에 실리콘 나노크리스탈을 형성 시킨 silicon-rich silicon oxide (SRSO)을 electron-cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-PECVD)을 이용하여 증착하였다. 여분의 실리콘을 1%정도 어븀을 0.06at. %를 넣은 상태에서 약 950도씨에서 5분의 열처리를 통해 적합한 박막을 얻을수 있었다. 이렇게 증착된 박막은 1540nm에서 강한 발광과 8.5msec정도의 긴 발광시간을 갖는다.
이렇게 제작된 박막으로 기존의 실리카 기반의 photolithography를 이용하여 단일 모드의 광도파로를 제작하고 이 도파로에 477nm의 알곤 레이저와 470nm의 LED를 사용하여 수직으로 펌핑하여 주면서 도파 특성을 측정하였다. 수직 펌핑시 output 단자에서의 시그날을 OSA등을 이용하여 측정하여 증폭 특성을 분석하였다. 분석 결과 470nm의 LED를 사용해서도 증폭이 실제로 가능함을 최초로 규명하였다.그리고 증폭특성 역시 펌핑 효율을 결정하는 477nm에서의 흡수 단면적과 증폭 효율을 결정하는 1533nm 에서의 발광단면적이 이전에 있던 다른 결과들 보다 좋음을 알수 있었다. 마지막으로 1294nm 시그날의 펌핑에 따른 변화가 없음을 보임으로써 실리콘 나노크리스탈에 의해 일어날수 있는 자유전자들의 흡수로 인한 손실은 거의 없으며, 나노 크리스탈을 매개로한 어븀의 의한 증폭임을 보였다.
