We investigated optical microcavities using silicon-rich silicon oxide (SRSO), one of the interesting materials for Si photonics, consisting of nanocrystal silicon (nc-Si) embedded in $SiO_2$ matrix. The microcavity consisting of two Si/$SiO_2$ DBRs and the central SRSO active layer was realized, and the effects of this DBR-based microcavity on nc-Si luminescence are investigated. Photoluminescence at room temperature reveals an enhancement of the luminescence intensity emitted along the optical axis of the cavity and a spectral narrowing, leading to cavity Q factor of 52. Furthermore, we measured the refractive index of SRSO active layer based on the calculation of microcavity reflectance. However, since the Q factor of this structure is too low to obtain a very accurate measurement for the optical properties such as losses, we investigate the microsphere cavity with higher Q factor. To investigate the effect of nc-Si layer on the cavity Q of silica microspheres, 140±10 nm thick SRSO films with excess Si content ranging from 5 to 14 at. % were deposited on silica microspheres formed by $CO_2$ laser melting of an optical fiber, and subsequently Q of the spheres with the SRSO layer was measured at 1.56 μm using a tunable external cavity coupled laser diode and tapered fiber coupling. We find that the presence of SRSO layer reduces the cavity Q factor from $\ge2\times10^7$ to 2-5$\times10^5$. However, the observed Q factors are nearly independent of nc-Si size, density, or even the presence of nc-Si. We investigate three possible origins of the Q factor lowering by SRSO layer. First, we estimated the effect of varying the nc-Si size distribution and increasing the average nc-Si radius on the nc-Si scattering loss. However, the calculated Q factors remains still >$10^6$ even with these effects, indicating that nc-Si scattering may not be responsible for the lowering of Q factor. Second, we investigated the possibility of absorption loss due to defects in SRSO layers by varying the nc-Si layer thickness and consequent mode overlap. The observed Q factors are nearly independent of the SRSO film thickness, indicating that optical losses of SRSO film are dominated by mechanisms other than absorption losses due to defects in SRSO layers. Finally, based on the investigation of the surface contamination, we suggest that the silicon dust particles and flakes of the wall-deposited films generated in the PECVD system are responsible for the observed Q factor lowering. We note, however, that such surface defect is not intrinsic to the presence of nc-Si. For instance, we find that the Q factor of microsphere with dust free surface is $>10^6$, indicating that SRSO layers deposited by PECVD hold promise as an optically active material and the efficient, practical nc-Si based optical devices would be feasible.
사회가 급격하게 정보화사회로 발전함에 따라 장거리 광섬유 네트워크뿐만 아니라 칩내/칩간의 연결에서도 저렴하고 더 빠른 정보 수송에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구에 부합하여 실리콘 포토닉스가 대두되고 있는데, 실리콘 포토닉스는 방대한 실리콘 산업의 제반 기술과 입증된 포토닉스의 정보 수송 능력을 결합시킴으로써 향후 저렴하고 신뢰성 높은 광소자를 대량 생산할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 실리콘 포토닉스에 대한 관심이 증가하면서 실리콘을 기반으로 하는 발광물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 흥미로운 물질들 중 하나가 나노결정 실리콘이다. 이를 이용한 광소자를 개발하기 위해서는 이 물질의 광학적 특성에 대한 선행 연구가 필수적이다. 특히, CMOS와 호환 가능한 PECVD 방법에 의해 증착된, 실리카 내에 나노결정 실리콘을 형성시킨 물질 (SRSO)의 광학적 특성에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 마이크로공진기를 이용하여 SRSO의 광학적 특성에 대해 연구하였다.
먼저, DBR을 기반으로 하는 마이크로공진기가 나노결정 실리콘의 광발광에 미치는 효과에 대해 연구하였다. 두 개의 $Si/SiO_2$ DBR과 이들 사이에 존재하는 SRSO 층으로 구성된 마이크로공진기를 제작하였고, 공진기 구조를 형성시킨 SRSO 박막과 형성시키지 않은 박막에 대하여 광발광을 비교 측정함으로써 마이크로공진기의 전형적인 효과인 광발광의 세기증가와 스펙트럼의 선폭감소 등을 측정하였으며 공진기의 Q 값으로 52를 얻었다. 한편, 공진기 구조의 반사율 계산에 기초해서 SRSO 박막의 광학적 특성 중의 하나인 굴절률을 측정하여 Maxwell-Garnett 이론에 의해 추산한 값보다 좀 더 정확한 굴절률을 얻을 수 있었다. 그러나 DBR을 기반으로 하는 공진기는 물질의 광손실과 같은 특성을 측정하기에는 Q 값이 작고, 또 DBR 제작 시에 각 층의 두께 조절이 어렵다는 한계를 가지기 때문에 좀 더 높은 Q를 갖는 마이크로구 공진기에 대해 연구하였다.
나노결정 실리콘 박막이 실리카 마이크로구의 Q에 미치는 영향을 연구하기 위해서, 탄소레이저로 광섬유를 녹여서 만든 실리카 마이크로구의 표면에 ICPECVD로 SRSO 박막을 증착시킨 SRSO 마이크로구 공진기를 제작하였고, 파장 가변형 외부 공진 레이저 다이오드와 테이퍼된 광섬유 커플링을 이용하여 1.56 μm 에서의 공진기의 Q를 측정하였다. 그 결과, SRSO를 증착한 마이크로구의 Q가 실리카를 증착한 경우의 Q에 비해 $2\times10^7$ 이상에서 $2-5\times10^5$로 감소하는 것을 측정하였으나, 측정된 Q들은 나노결정 실리콘의 크기나 밀도, 존재유무에 의존성을 보이지 않았다. 따라서 우리는 SRSO에 의한 Q 감소의 원인을 알아보기 위해서 다음 3가지에 대해 연구하였다. 먼저, 크기가 큰 나노결정 실리콘에 의한 산란 손실에 대해 살펴보았다. 그러나 나노결정 실리콘의 크기의 Gaussian 분포와 평균 크기가 작게 추정되었을 경우를 고려하여 계산한 결과, 측정된 Q 감소에 해당하는 값을 얻을 수 없었다. 다음으로, SRSO 박막 내의 결함에 의한 흡수 손실의 가능성을 확인하기 위해 SRSO 박막의 두께, 즉 그에 따른 모드 오버랩을 변화시키며 제작한 SRSO 마이크로구의 Q를 측정하였는데, 측정된 Q들은 SRSO 박막의 두께에 무관하였다. 따라서 크기가 큰 나노결정 실리콘에 의한 산란 손실과 SRSO 박막의 흡수 손실은 측정된 Q 감소의 주원인이 아니라고 볼 수 있다. 끝으로, 마이크로구의 표면 오염에 대해 연구한 결과, 우리는 PECVD 과정에서 생성되는 실리콘 티끌 입자들과 증착 시스템의 벽면에서 떨어지는 박막 조각들이 측정된 Q 감소의 주원인이라고 제안하였다. 이러한 표면 오염은 나노결정 실리콘의 본질적 문제는 아니기 때문에, 실제로 우리는 마이크로구의 Q가 $>10^6$인 경우를 측정하여, PECVD로 증착된 SRSO 박막이 광학적으로 능동적 물질이며 이를 이용하여 유용한 광소자들을 제작할 수 있음을 예견하였다.
