We have fabricated $Er_xY_{2-x}SiO_5$ film and strip-loaded waveguides. For high gain optical device application, we found the optimized condition of optical loss of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ thin film. The propagation loss of 1150$\deg$C annealed and $1200\degC$ annealed waveguides are 2.2$\pm0.2 dB/cm and 10.5$\pm$0.9 dB/cm, respectively. Although 1200$\deg$C annealed film has strong PL intensity, large grain and rough surface of the film lead to non-negligible scattering loss. For these reason, we used 1150$\deg$C annealed $Er_xY_{2-x}SiO_5$ thin film for waveguide application. We have reduced cooperative upconversion of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ thin film fabricated by ErY mixed target. The mode overlap factor between Er profile and TE mode signal light profile at 1536 nm is 0.5. Absorption and emission cross section obtained at 1529 nm are $0.9x10^{-20} cm^2$. This value is larger than erbium doped silica. The internal net gain of $Er_xY_{2-x}SiO_5$ waveguide fabricated by ErY mixed target is positive above 1538 nm and the signal enhancement at 1529 nm saturates at 11.5 dB. The maximum inversion level of waveguide was found to be 0.4~0.5. The low gain and inversion level in waveguide are attributed to upconversion that depletes the population of $Er^{3+}$ ions in the first excited state $(^4I_{13/2})$. We expect that more investigation for lower values of cooperative upconversion coefficient can result in compact and high gain optical device using $Er_xY_{2-x}SiO_5$ thin films.
어븀 도핑된 실리케이트($Er_xY_{2-x}SiO_5$)는 높은 굴절률을 갖으며 어븀을 많이 도핑할 수 있다는 이점을 갖고 있기 때문에 작은 크기의 광소자로의 응용이 가능하다. $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 의 광소자 응용을 위하여 박막과 광도파로를 제작하여 광손실과 광이득 특성을 분석하였다.
Ion beam spettering deposition 방법으로 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 를 증착하였다. 투과전자현미경을 이용하여 1150$\deg$C 와 1200$\deg$C 에서 3분 동안 열처리 된 박막의 그레인 크기를 측정하고, 원자현미경을 이용하여 박막 표면의 거친 정도를 측정하였다. 1200$\deg$C로 열처리 된 박막이 제일 좋은 발광 효율을 갖지만, 그레인의 크기와 박막 표면의 거친 정도가 크기 때문에 빛의 분산으로 인해 광손실이 생길 수 있다. 그레인의 크기와 박막 표면의 거침이 광손실에 미치는 영향을 알아보기 위해 광도파로를 제작하였다. 광도파로의 전파 손실은 cutback method를 통해 측정되었고 1150$\deg$C 열처리된 박막의 전파 손실은 2.2 dB/cm, 1200$\deg$C 열처리된 박막의 전파손실은 10.5dB/cm 였다. 이를 통해 1200$\deg$C 로 열처리 된 박막은 큰 그레인 사이즈와 거친 박막 표면으로 인해 빛의 분산이 발생되어 광손실이 큰 것을 확인하였다.
Er 금속 타겟 대신 Er과 Y가 균일하게 섞인 타겟을 사용하여 $Er_xY_{2-x}SiO_5$ 박막을 제작하여 광이득을 제한하는 가장 큰 요소인 cooperative upconversion을 낮추었다. 이 박막을 이용하여 광도파로를 제작하여 광이득을 측정하였다. $7.6x10^{20} cm^{-3}$ 의 Er이 도핑된 광도파로의 inversion level이 0.4~0.5 정도였으며, 1538 nm 보다 긴 파장 영역에서만 internal net gain을 얻을 수 있었다. Er과 Y가 균일하게 섞인 타겟을 사용하여 upconversion을 낮추었지만, 여전히 upconversion에 의해 높은 광이득을 얻을 수 없었다. 어븀 도핑된 실리케이트는 박막으로 인한 광손실이 적으므로 upconversion 상수를 더 낮출 수만 있다면 어븀 도핑된 실리케이트를 이용해 높은 광이득을 갖는 광소자를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
