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Development and application of SRSN:Er for compact on-chip photonic devices = 어븀이 도핑 된 실리콘 나이트라이드의 집적 광소자로의 응용에 대한 연구
서명 / 저자 Development and application of SRSN:Er for compact on-chip photonic devices = 어븀이 도핑 된 실리콘 나이트라이드의 집적 광소자로의 응용에 대한 연구 / Jee-Soo Chang.
저자명 Chang, Jee-Soo ; 장지수
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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초록정보

The limitation of oxide based material was investigated by using a Silicon-rich silicon oxide $(SRSO)/SiO_2:Er$ multilayer. Results showed that though high temperature annealing is essential in sensitizing $Er^{3+}$, the formation of Si nanocluster (nc-Si) also leads to de-activation of $Er^{3+}$ ions, lowering the fraction of active Er, suggesting that there is a limit to excess Si and Er contents that can be used. Thus as an alternative material, we used Er doped Silicon-rich silicon nitride (SRSN) which is known to be less sensitive to the thermal annealing process and suppresses the de-activation of Er. To see how much Er is active in nitride, Er doped SRSN waveguide was fabricated and pumped resonantly at wavelength 1480 nm. Results show a population inversion of 0.7~0.75, which is close to the maximum possible theoretical inversion level. This indicates that almost 100 % of Er are active even with high excess Si after high annealing temperature ($1100 \degC$) and at Er concentration of 0.2 at.%. Based on the results indicating Er doped SRSN as an efficient gain material for silicon based light source, the possibility of applications were investigated for two types of microdisks. By using e-beam lithography, a pedestal type Er doped SRSN microdisk was fabricated and characterized by using a U-bent tapered fiber in order to obatin a high Q value. The maximum measured $Q_{tot}$ for the fundamental TE-like mode was 5700, and the intrinsic Q without Er absorption loss was $4.5\times10^4$. Though we did not obtain a Q high enough for lasing, by top-pumping non-resonantly, we observed $Er^{3+}$ emission peaks matching the transmission dips that were excited by fundamental whispering gallery mode via nc-Si sensitized $Er^{3+}$. With a higher concentration of Er (0.43 at.%) than the pedestal type disk (Er 0.2 at.%), a planar type microdisk coupled to a polymer waveguide with cladding was fabricated by photo-lithography to investigate the feasibility of integration. At an under-coupled condition, the maximum measured $Q_{tot}$ (without Er) was $2.1\times10^4$, and the intrinsic Q (without Er) was $2.5\times10^4$. Based on the calculations for lasing condition, we need $Q_{tot}$ (without Er) to be between $6.7\times10^4~2.3\times10^5$ for 0.43 at.% Er. Thus, since the scattering loss due to the sidewall roughness was estimated to be about 12 dB/cm, by improving the Q value with better fabrication condition more than 3 times as large as the measured value, lasing operation seems to be possible.

CPU 의 성능을 높이기 위해 많은 코어 (core) 들을 연결하는 방법을 사용하고 있는데, 이렇게 더욱 더 빠른 정보 처리 능력을 위한 집적화는, 신호지연과 열 발생과 같은 문제점이 있기 때문에 현재의 CPU에서 사용하는 금속연결은 CPU 의 속도를 향상시키는데 있어서 한계가 있습니다. 이 것을 해결하기 위한 방법으로 실리콘 포토닉스가 있는데, 이것은 현재의 금속연결을 실리콘을 기반으로 한 광연결로 대체시키는 것으로, 광자를 사용하기 때문에 신호지연도 없고 열 발생을 줄일 수 있습니다. 이러한 광연결은 실리콘을 기반으로 만든 광원소자, 광도파로, 변조기, 검진기와 같은 광학적 소자들이 필요한데, 현재까지 실리콘을 기반으로 한 광원소자의 부재가 가장 큰 문제점입니다. 실리콘이 간접전이형 반도체이기 때문에 광소재로의 응용에 제한을 받는데, 이것을 해결하기 위한 방법 중 하나가 희토류 원소인 어븀을 도핑하는 것입니다. 어븀은 광통신에서 중요한 파장인 $1.54 \microm$에서 빛을 내는데, 가장 많이 연구 된 물질로 실리콘 옥사이드 안의 나노클러스터와의 도핑이 있습니다. 하지만, 본 연구에서는 나노클러스터를 형성하기 위해 실행한 열처리가 오히려 발광하는 어븀의 수를 줄인다는 결과를 얻었고, 그 대안으로 선택한 실리콘 나이트라이드에서는 옥사이드와는 다르게 열처리 후에도 발광하는 어븀의 수가 거의 100 % 에 가깝다는 것을 확인했습니다. 또한 굴절률도 매우 높고 $\gt2.0$, ion beam sputter 방식으로 증착 한 나이트라이드의 광손실이 약 3 dB/cm 인 것을 실험으로 확인했습니다. 따라서 어븀이 도핑 된 실리콘 나이트라이드를 광이득 물질로 써서 실리콘 포토닉스의 병목현상인 실리콘을 기반으로 한 마이크로 단위의 광원 구현이 가능한지를 보기 위해 광소자를 제작하고 측정했습니다. 먼저 높은 품위값 (Q)을 얻을 수 있는 가장 쉽고 많이 사용하는 구조인 기둥형 (pedestal type) 원반 공진기를 전자빔 석판술로 제작했습니다. 구부린 미소 광섬유를 이용해서 어븀양이 0.2 at.% 이고 지름이 $25 \microm$ 인 공진기의 고유(intrinsic) 품위값을 측정해보니, 어븀에 의한 흡수가 없으면 45,000 이 나옵니다. 비록 레이저 현상을 얻기에는 낮은 값을 얻었지만, 어븀이 도핑 된 나이트라이드 안에서의나노클러스터라는 물질이 갖는 장점 중 하나인 나노클러스터에 의한 어븀의 여기가 가능하다는 것을 473 nm 레이저의 수직펌핑으로 어븀 emission을 확인했고 transmission dip 위치와 거의 일치하는 것을 확인했습니다. 이 파장대는 어븀을 직접 여기 시키지 않는 영역으로, 나노클러스터에 의한 여기만 있습니다. 기둥형 원반 공진기 구조는 집적화를 하기에는 적합하지 않고, 실제 응용에서는 만들어져 있는 광·전자소자 위에 다시 집적화를 해야 되는데, 같은 광이득 물질로 공진기와 광도파로를 제작하면 광도파로에서의 흡수문제가 있기 때문에 이러한 문제점들을 해결하기 위해 2차원 (planar type) 원반 공진기와 폴리머 광도파로를 제작했습니다. 폴리머를 사용하면 만들어져 있는 소자 위에 스핀코팅과 광 석판술만으로도 제작이 가능하므로 어븀이 공진기에만 있도록 할 수 있습니다. 광도파로와의 집적화 후 측정한 고유 품위값은 25,000이 나왔고, 집적화 전의 고유 품위값보다 줄어들지 않고 오히려 증가한 것으로부터 폴리머에 의한 후공정이 공진기의 특성을 감소시키지 않았다는 것을 확인했으며, 나이트라이드와 폴리머가 내구성이 좋은 광소자를 제작하는데 있어서 매우 적합한 물질임을 확인했습니다. 또한 레이저 현상이 가능하기 위한 조건을 분석 한 결과, 고유 품위값이 70,000 이상이면 레이저 구현이 가능하므로, 광석판술이 아닌 전자 석판술로 공정을 개선시켜서 옆면의 거친 정도 (roughness) 를 3~4 nm 이하로 줄이면 충분히 실리콘을 기반으로 한 광원 구현이 가능하다는 것을 확인했습니다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 10014
형태사항 xiv, 121 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 장지수
지도교수의 영문표기 : Jung-H. Shin
지도교수의 한글표기 : 신중훈
수록잡지명 : "Effects of silicon nanostructure evolution on $Er^{3+}$ luminescence in silicon-rich silicon oxide/Er-doped silica multilayers". Applied Physics Letters, v.89.no.18, pp.181909(2006)
수록잡지명 : "On-chip, planar integration of Er doped Silicon-rich silicon nitride microdisk with SU-8 waveguide with sub-micron gap control". Optics Express, v.17.no.25, pp.22918-22924(2009)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 Includes reference.
주제 Erbium
Si nanocluster
microcavity
Silicon-rich silicon nitride
어븀
실리콘 나노클러스터
공진기
실리콘 나이트라이드
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