Hybrid integration of III-V compound semiconductor on silicon has been investigated using optofluidic manipulation. By taking advantages of microbubble manipulation based on photothermocapillary convective flows induced by focused laser beam, the microscale semiconductor block can be trapped on the microbubble surface and precisely assembled on a desired position. Optically and electrically pumped III-V light sources and photodetectors heterogeneously integrated on silicon waveguides are successfully realized, and their characterizations are also discussed. In addition, to complement high silicon material losses at visible wavelengths, simple laser-induced photothermal oxidation of Ti layer for in-situ formation of rutile TiO2-based optical waveguides and microring resonators on silicon is demonstrated. The localized photothermal heating can convert the absorptive metal to the large-bandgap dielectric material through selective oxidation. In the last section, in case that subwavelength-scale lasers will be heterogeneously integrated on silicon in future, an efficient waveguide coupling interface for metallo-dielectric nanopatch lasers using metal slot waveguide is proposed and theoretically investigated. I believe the heterogeneously integrated active optical device would be useful for various applications such as bio-, medical-, and chemical-sensors and integrated optical interconnection applications in silicon photonics platforms.
본 학위논문은 광자유체학적 조종 기법을 이용하여 III-V 화합물 반도체와 실리콘의 이종접합에 관한 연구 결과를 보고한다. 열모세관 유동을 기반으로 하는 미세기포 조정을 이용해 마이크로 크기의 반도체 물체를 포획하고 원하는 곳에 정확히 조립하는 것이 가능하며, 이를 통해 광주입, 전기주입에 의한 광원과 광검출기를 성공적으로 구현하였다. 또한 가시광 영역에서 실리콘의 높은 흡수 손실을 보완하기 비교적 간단한 광선유도 광열 산화 기법을 통해 루틸형 이산화티탄 도파로와 링 공진기를 구현하고 특성을 분석하였다. 마지막으로, 파장 이하의 크기를 갖는 나노 레이저를 이종접합 하기에 앞서 금속 나노패치형 레이저에 대한 효율적인 광 도파로 결합 구조를 제안하고 이론적 특성을 다루었다. 실리콘에 집적화 된 광학 능동 소자는 실리콘 포토닉스 기술 기반의 바이오-의료-화학 센서 및 집적 광 배선 기술 등에 활용 가능할 것으로 사료된다.
