In this thesis, I investigate the integrated light emitting and detecting devices by using waveguide structures and discuss various nanophotonics approaches for the miniaturization of light sources. Silicon waveguide photo-detectors are investigated to absorb near- and sub-bandgap light and amplify photo-generated carriers by photon-assisted tunneling and avalanche multiplication effects, respectively. By taking advantages of employing highly doped PN junction in silicon waveguide, an enhancement of both impurity-assisted spontaneous emission and thermal radiation can be achieved in forward and reverse bias operation, respectively. Integrated planar silicon optical active channels are realized by co-integrating the light emitting and detecting devices along a silicon-on-insulator waveguide. Moreover, in order to miniaturize the light emitting devices with cavity-enhanced emission, we study various nanophotonic devices including hybrid metal-Bragg cavities, metal-optic nanopatch cavities. I believe the integrated active optical channels with nanophotonics approaches can be applicable to various applications such as bio-, medical-, and chemical-sensors and integrated optical interconnection applications in silicon photonics platforms.
본 학위 논문은 실리콘 포토닉스 기술을 응용하여 통합 집적이 가능한 실리콘 도파로 광 검출기 및 광원 소자를 개발하고 나노포토닉스 기법을 활용한 공진 구조 광원 소자에 대한 연구를 수행한다. 실리콘 밴드갭 에너지 수준 혹은 그 이하의 파장의 빛을 광자 보조 터널링 현상을 통해 흡수하고 생성된 자유 운반자를 증식할 수 있는 실리콘 집적 도파로 광 검출기를 개발하고 이를 실리콘 도파로 광원과 함께 집적하여 평면 능동 광 채널을 구현한다. 고농도로 도핑된 불순물 효과에 의해 PN 접합 광원의 순 전압 인가 시의 자발 방출과 역 전압 인가시의 열적 방출의 효율이 증가할 수 있음을 밝힌다. 또한, 본 학위 논문은 발광 소자의 소형화 및 고 효율 동작을 위해 공진 구조 기반의 광원에 대한 연구를 수행한다. 다양한 나노포토닉스 기반의 소형 공진기에 대해서 고찰하는데, 특히 금속-광 결정 혼성 공진기, 나노패치 금속-광학 공진기에 대해서 다룬다. 개발된 실리콘 기반 집적 광학 능동 채널 및 초소형 광원 소자는 실리콘 포토닉스 기술 기반의 바이오-의료-화학 센서 및 집적 광 배선 기술 등에 활용 가능할 것으로 사료된다.
