$Er_xY_{2-x}SiO_5$ for high gain per length optical material was fabricated in two different methods and investigated. High crystalline quality of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ nanocrystalline particle was fabricated using Si nanowires by spin-coating with $ErCl_3 \dot 6H_2O$ and $YCl_3 \dot 6H_2O$ dissolved solution. Analysis of concentration and pump power dependence of the $Er^{3+}$ photoluminescence intensity and decay lifetime shows that while cooperative upconversion occurs at high Er concentrations, the cooperative upconversion coefficients are only (2.2 ± 1.1) × $10^{-18} cm^3$ /s and (5.4 ± 2.7) × $10^{-18} cm^{3}$ /s at an Er concentration of 1.2 × $10^{21} cm^{-3}$ and 2.0 × $10^{21} cm^{-3}$, respectively. This is nearly 10 times lower at 10 times higher Er concentration than that reported from Er-doped silica. Simulation shows that about 23 dB/cm optical gain is possible from $Er_xY_{2-x}SiO_5$ with 1.5 at. % Er at reasonable pump intensity due to low cooperative upconversion coefficient. For device applications, thin film $Er_xY_{2-x}SiO_5$ was fabricated using ion beam sputter deposition. Onset of transition to crystalline phase is observed at 1100 ℃ and maximum $Er^{3+}$ PL intensity is observed with annealing at 1200 ℃ for 10 min which is due to the increase of luminescence efficiency. However, longer or higher temperature annealing leads to larger grain size and rough surface that can lead to scattering which can cause waveguide propagation loss. The optimized annealing condition was 1150 ℃ for 3 min. To investigate the gain characteristics of $Er_xY_{2-x}SiO_5$, strip-loaded waveguides were fabricated with two Er concentrations. In gain measurement, the maximum inversion level of low Er concentration waveguide is 0.6 ~ 0.65, close to theoretical maximum when 1472 nm pump was used. However, the maximum inversion level of high Er concentration waveguide is 0.4 due to large cooperative upconversion coefficient. Simulation shows that inversion level of more than 0.6 could be obtained, if cooperative upconversion coefficient of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ thin film could be obtained as that of nanocrystalline particle. It shows the feasibility of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ as a high gain per length optical material. Finally, possibility of electrical excitation of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ and $Er_2Si_2O_7$ is investigated using $Er_xY_{2-x}SiO_5$ nanocrystalline particle attached on Si nanowires and self-organized $Er_2Si_2O_7$ /silica/Si core-shell hetero structure nanowires. From efficient luminescence with non-resonant excitation and enhancement of excitation cross section of Er strongly suggest that the electrical excitation of Er in such silicates is possible. Furthermore, core-shell hetero-structure nanowire forms a dense array of high quality optical cavity naturally showing a great promise as the material basis for high gain amplifier.
단위 길이 당 높은 광 이득을 위한 어븀 도핑된 실리케이트의 제작과 광특성에 대한 연구 그리고 전기 여기의 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 우선 실리콘 나노선을 이용하여 좋은 결정성을 가진 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 나노 결정을 성장시키고 광발광 세기와 시간에 따른 광발광 감쇠 실험으로 cooperative upconversion 상수가 1.2 × $10^{21} cm^{-3}$ 와 2.0 × $10^{21} cm^{-3}$ 의 어븀 농도 일 때, 각각 (2.2 ± 1.1) × $10^{-18} cm^{3}$ /s 와 (5.4 ± 2.7) × $10^{-18} cm^{3}$ /s 임을 확인하였다. 어븀 농도가 1.2 × $10^{21} cm^{-3}$ 일 때 계산으로부터 사용 가능한 펌프 세기에서 약 23 dB/cm 의 높은 광이득을 얻을 수 있다는 결론을 얻었다. 이 물질을 실제 소자로 응용하기 쉽게 하기 위해 박막 형태의 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 를 ion beam sputter deposition 방법으로 증착하였다. 투과전자현미경 측정을 통하여 이 박막은 1100 ℃ 에서 결정화가 시작되며 1200 ℃ 10분 열처리에서 발광 효율 증가에 의한 가장 강한 발광 세기를 보였다. 하지만 1100 ℃ 3분 보다 더 높은 온도 또는 더 오랜 시간의 열처리는 빛의 분산을 발생시켜 손실을 일으킬 수 있는 그레인의 크기를 크게 하고 표면의 거칠기를 증가시켰다. 낮은 발광 효율은 강한 pump 로 극복이 가능하므로 광이득 실험을 위한 광도파로는 3 분 이내의 시간 동안 박막의 전체 결정화가 가능한 온도인 1150℃로 열처리된 박막을 사용하여 제작하였다. 제작된 광도파로는 전파 손실이 3.5 dB/cm 였다. 광도파로의 광이득 실험에서 적은 양 (1.7 × $10^{20} cm^{-3}$)의 어븀이 도핑된 시료는 1472 nm 펌프를 사용하여 이론적인 최대값에 가까운 0.6~0.65 의 inversion level 을 확인 하였지만 많은 양 (6.9 × $10^{20} cm^{-3}$)의 어븀이 도핑된 시료는 inversion level 이 0.4 정도로 population inversion 을 확인하지 못하였다. 이는 ion beam sputter deposition 방법으로 만든 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 는 cooperative upconversion 상수가 나노 결정의 것에 비해 10 배 이상으로 매우 크기 때문이었다. 계산으로부터 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 박막의 cooperative upconversion 상수가 나노 결정 정도의 값을 가지면 같은 pump intensity 에서 이론적인 최대값에 가까운 inversion 을 얻을 수 있음을 확인하여 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 의 단위 길이 당 높은 광이득의 실현 가능성을 확인하였다. 마지막으로 전기 여기 가능성을 살피기 위해 실리콘 나노선에 붙어있는 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 나노 결정과 자발 형성된 실리콘/실리카/$Er_2Si_2O_7$ 이종 구조 나노선을 성장시켰다. 어븀이 직접 흡수하지 못하는 빛을 통한 어븀의 여기와 그것의 큰 excitation cross section 은 전기 펌핑이 가능하다는 것을 보여 주었다.
