Light confinement in sub-wavelength region is indispensable for compact and sensitive devices for integrated photonics.
Recently, a slot-structure which provides the strongly concentrated
electric field in a nm-thin open region between two regions of high refractive index has been proposed to enhance the interaction between photons and the surroundings.
So far, most research into the slot-structure used a vertical slot structure which consists of a thin, vertical slot etched in the center of a high-index waveguide.
However, etching such thin, high aspect ratio slot is difficult.
Moreover, rough slot surfaces restrict the device quality due to the large surface scattering loss.
In this dissertation, we fabricate and characterize a SiN$_x$ microdisk resonator with a 40-nm thin, horizontal air-slot.
Using deposition via ion beam sputtering method and selective wet-etching, we can obtain 40-nm thin air-slot with ultra smooth boundaries of which roughness is only $\sim 0.5$ nm.
The transmitted spectra of the fabricated microdisk are measured via tapered fiber coupling of the tunable laser near 1500 nm.
The slot effect is indirectly proven by comparing the free spectral range change before and after the air-slot formation on the identical microdisk.
By loss analysis, the intrinsic cavity Q-factor of the fundamental TM-like mode is as high as 3.4$\times 10^4$ and almost unchanged upon the air-slot formation.
As an application, we demonstrate label-free optical biosensing using streptavidin-biotin interaction with the fabricated horizontal air-slot microdisk resonator which provides large electric field at the slot surfaces.
We observe a resonance peak shift of $\sim 9.7$ nm by binding of streptavidin to biotin.
The estimated the surface sensitivity of streptavidin is $\sim 2.5$ nm/($\mu$g/ml)
which is 13 times larger than the conventional structure.
The detection limit is extrapolated to $\sim30$ ng/ml. This value is rather moderate due to the poor resolution of the detection system.
In order to improve the noise from the detection system and bulky external measurement setup, we fabricate a self-luminescent air-slot microdisk resonator.
We choose Si-ncs in SiO$_x$ as a light source which emits broad light near 800 nm since there are several advantages like low water absorption loss, device miniaturization and CMOS compatibility.
반도체 산업의 발전과 함께 집적 광소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광소자의 효율을 높이기 위해서는 반응하는 물질이 있는 곳에 빛이 강하게 모여있어 빛과 물질의 상호작용이 크게 일어나야 한다. 하지만 일반적으로 반응 효율이 좋은 물질들은 반도체 공정과정과 호환이 되지 않는 경우가 많고,
굴절률이 낮아 그 자체로 빛을 모으는데 한계가 있다. 최근 이와 관련하여 슬롯 도파로(slot waveguide)가 크게 각광을 받았다. 슬롯은 굴절률이 높은 두 도파로 사이에 있는 낮은 굴절률을 지닌 영역으로
슬롯에 수직한 광모드는 슬롯 영역에 크게 몰리는 특징이 있다. 슬롯의 두께가 얇을수록, 굴절률의 차이가 클수록 그 효과가 크다. 또한 도파로의 고유모드이기 때문에 이론적으로 광손실이 없다. 이를 바탕으로 빛이 강하게 모여있는 열린 공간을 이용한 센싱, 미세 입자 조작, 비선형 효율의 증대 등에 관한 결과들이 성공적으로 발표되었다. 하지만 이들은 모두 기판을 깎아서 만든 수직슬롯이다. 수직 슬롯은 너비를 수십 나노미터로 만들기가 어렵고 슬롯의 표면이 거칠어 이로 인해 소자 효율을 올리는 데 한계가 있다. 한편 박막을 격층으로 쌓아 슬롯을 형성하는 수평 슬롯의 경우 슬롯 표면을 원자단위로 매끄럽게 만들 수 있지만 증착이 불가능한 물질로 슬롯을 만든다거나 열린 공간을 제공할 수 없기 때문에 앞서 소개한 응용들을 할 수 없다.
따라서 본 학위논문에서는 실리콘나이트라이드의 선택적 습식 식각을 통하여 열린 수평 슬롯이 있는 원반 공진기를 제작하였다. 전자현미경을 통해서 40 nm 너비, 5 $\mu$m 깊이의 슬롯을 확인하였으며 수직 슬롯이 건식 식각에 의한 표면 거칠기를 그대로 가지고 있는 것과는 달리 슬롯 표면 거칠기가 0.5 nm으로 매우 매끄러운 것을 확인하였다. 가늘게 만든 광섬유 커플러을 통하여 슬롯 모드를 확인하였으며 결합 모드 이론으로 얻은 공진기 자체 품위 값은 3.4$\times 10^4$ 으로 이는 거의 같은 크기의 SOI 수직 슬롯 반지 공진기에 비해 6배 더 큰 값이다.
위에서 만든 소자를 바탕으로 표지가 없는 스트렙트아비딘을 표면 센싱하는 데 성공하였다. FDTD 시뮬레이션과 타원편광분석을 이용하여 표면에 붙은 스트렙트아비딘의 양을 알아내었으며 이를 바탕으로 표면 민감도가 실리콘 반지공진기의 경우보다 10배 이상 큰 것을 실험으로 확인하였다. 측정 한계는 측정 설비의 오차에 의하여 30 ng/ml로 제한되었다.
만약 공진기가 빛을 스스로 내고, 이를 멀리서 측정한다면 기존 측정 설비에서의 문제점을 해결할 수 있다. 또한 가시광선 영역의 발광물질을 사용하면 추후 물 속에서 실시간으로 반응을 측정할 때 물의 흡수에 의한 광손실을 줄일 수 있고, 파장이 짧아 소자의 크기도 더 줄일 수 있다. 따라서 앞선 공진기 구조 위에 실리콘 나노결정이 있는 실리콘옥사이드 박막이 올라가 있는 구조를 만들고 공진 모드를 발광을 통하여 측정하였다. 공진기의 품위값은 공진기 둘레의 거칠기로 인하여 200 정도로 매우 낮았지만 공정개선을 통해 충분히 해결할 수 있을 것이다.
