Recently, silicon photonics has attracted a lot of interest in the miniaturization and integration of elec-tro-optic devices, such as amplitude/phase modulators and switches for optical signal processing, because of its high modal confinement and low absorption losses at near-infrared wavelengths. However, intrinsic limita-tions of the silicon materials possess a fundamental trade-off between the modulation efficiency and the operational speed. To overcome the disadvantages of silicon materials, silicon-waveguide-based hybrid modulators with high-efficient electro-optic materials have been proposed. In particular, indium-tin-oxide (ITO) and vanadium oxides are important candidates for such applications due to its unique feature of electrically tunable permittivities.
First, an ultra-compact phase modulator which consists of a silicon slot waveguide with a thin ITO film in the slot region is theoretically proposed. In the near-infrared regime, bias-voltage-dependent free-carrier accumulation at the dielectric-ITO interface induces an epsilon-near-zero (ENZ) effect, and contributes to the strong phase modulation of the guided electromagnetic wave. With a voltage swing of 2 V, the device experiences a large variation of the effective modal index, resulting in a $\pi$ radian phase shift within the device length of <$5\mu m$ at 210 THz. According to the computer simulations, a high modulation efficiency of $V_\pi L_{\pi}$ ~ $0.0071 V \cdot cm$ and a large device bandwidth of ~70 GHz is demonstrated. Moreover, a phase shift property of the ultra-compact ITO modulators might be applied to beam steering device for the novel integrated photonics circuits. Finite difference time domain (FDTD) simulations based on an ITO phase array show that considerably high accuracy of beam steering can be achieved compared to the ideal phase array antenna.
Secondly, a vanadium oxide integration method for the silicon photonic platform is experimentally demonstrated. In general, the silicon waveguide-based optical switches or modulators with vanadium dioxide show higher modulation efficiency and smaller device dimension. However, deposition of the pure $VO_2$ films requires high temperature over $500^\circ C$$ that is not compatible to the CMOS back-end process. In this thesis, I suggest an alternative method to locally produce vanadium oxides on the silicon waveguide by using electri-cally-induced oxidation at relatively low temperature. Based on Raman spectrums and an R-V curve, it is found that the produced vanadium oxides have a semiconductor-metallic phase transition effect. Moreover, I theoretically suggest one of the applications as an electro-optic modulator using the vanadium oxidation method. I believe that the simple oxidation method for vanadium can be easily applied to the integrated silicon photonic circuits using CMOS technologies.
The above-mentioned silicon hybrid modulators with ITO and vanadium oxide are expected to have distinguished merits for future chip-based optical communication modules and optoelectronic integrated cir-cuits in terms of ultra-compactness, low power, and large bandwidth.
실리콘 포토닉스 분야는 근 적외선 영역에서 매우 높은 모드 밀폐 현상과 낮은 흡수 손실 특성으로 인하여 전기-광학 소자의 소형화와 집적화의 측면에서 학계의 많은 주목을 받아왔다. 특히, 광신호 프로세싱을 위해 진폭/위상 변조기와 스위치 소자들이 활발하게 연구되고 있다. 그러나 실리콘 물질의 본질적인 한계는 변조 효율과 동작 속도 사이에서 근본적인 트레이드 오프를 내포한다. 최근에는 실리콘 물질의 이러한 단점을 극복하기 위해서 높은 효율의 전기-광학 물질을 이용한 실리콘 도파로 기반의 혼성 변조기가 도입되었다. 특히, 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 바나듐 산화물은 전기적으로 조정이 가능한 유전율의 고유한 특성 때문에 실제적인 응용을 위하여 중요한 후보 물질들이다.
본 학위 논문에서는 슬롯 영역에서 ITO 박막을 지닌 실리콘 슬롯 도파로로 구성된 극소형의 위상 변조기를 이론적으로 제안한다. 소자의 절연체-ITO 박막의 계면에서 바이어스 전압 변화에 따른 자유 캐리어 축적 현상은 근적외선 영역에서 ‘0에 가까운 유전’(ENZ) 현상을 야기한다. 그리고, 이 현상은 밀폐된 전자기 파의 강한 위상 변조 효과에 기여한다. 2V의 작은 전압 스윙으로 소자는 유효 모드 인덱스의 큰 변화를 야기하며, 광주파수 210THz 근처에서 $5\mu m$ 이내의 변조 길이로 $\pi$ 위상 변화를 야기한다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 설계한 소자는 $V_{\pi} L_{\pi}$ ~ $0.0071 V \cdot cm$ 의 높은 변조 효율과 70GHz 정도의 넓은 대역폭을 가진다. 특히, 극소형 ITO 변조기의 위상 변조 특성은 집적화된 포토닉스 회로를 위한 빔 스티어링 소자에 적용될 수 있다. ITO 위상 어레이를 기반으로 한, 유한 차이 시간 영역 (FDTD) 시뮬레이션 결과는 높은 정확도의 빔 스티어링이 이루어질 수 있다는 것을 보여준다.
두번째로 실리콘 포토닉스 플랫폼을 위한 바나듐 산화물의 집적화 방법을 실험적으로 제안한다. 일반적으로 $VO_2$ 물질을 이용한 실리콘 도파로 기반의 광 스위치 또는 변조기는 높은 변조 효율과 극소형 크기의 장점을 지닌다. 그러나 순수한 $VO_2$ 물질의 증착은 섭씨500도 이상의 고온을 요구하며 이는 CMOS 후공정에 적합하지 않다. 본 학위 논문에서는 상대적으로 낮은 온도에서 전기적인 방식으로 실리콘 도파로 위에 바나듐 산화물을 국소적으로 형성하는 한 가지의 집적화 방법을 제안한다. 측정된 라만 스펙트럼과 R-V 커브로부터 추론할 때, 생성된 바나듐 산화물은 반도체-금속 상전이 효과를 지니고 있는 것으로 보인다. 또한, 실험 결과를 바탕으로, 위의 바나듐 산화물 기반의 소자 응용에 대한 한 가지 방법 (전기-광학적 변조기)을 시뮬레이션 결과를 통해 제안한다.
본 연구에서 논의한 ITO와 바나듐 산화물을 이용한 실리콘 혼성 변조기는 미래의 칩 기반 광통신 모듈과 광전자 집적 회로 등에서 극소형, 저전력, 그리고 고주파대역이라는 측면에서 기존의 CMOS 기반 물질과는 차별화된 이점을 지닐 것으로 예측된다.
