Over the last decade, we have seen enormous increase in the information capacity of data communication. The expansion of such information bandwidth and related energy consumption is expected to continue in an unprecedented way for the foreseeable future. Electronics alone, however, is not enough to process this tremendous amount of information with reasonable power consumption and space constraints. Integrated photonic devices offer an exciting solution to this problem by utilizing faster and low power optical signals in conjunction with well-established semiconductor fabrication technologies. In this dissertation, I demonstrated various light emitting and detecting devices, which are important component for integrated optical communications.
In the first part, I demonstrate the subwavelength-scale metallodielectric light source. I observe cavity effects when a semiconductor nano-block is on a metal substrate, and the bottom metal substrate significantly enhances a spontaneous emission rate. Introducing an upper metal layer allows the metallodielectric nano-cavity to reach lasing condition with subwavelength-scale effective mode volume (~0.0064 cubic wavelengths) and physical volume (~0.017 cubic wavelengths). I also investigate a thermal issue of small laser with considering temperature dependent characteristics of the metallodielectric nano-cavity.
In the second part, I introduce hybrid metal-dielectric cavity to reduce vertical radiation loss. In the first chapter, bottom metallic mirror plane was combined with photonic-crystal bandedge laser. Lateral confinement of PhC and vertical confinement of bottom metal plane allow room temperature operation with restricted 2D PhC layers. In the second section, hybrid metal-circular bragg reflector cavity was demonstrated. Proper combination of in-plane photonic bandgap from circular Bragg reflector and vertical antiresonances from bottom mirror plane provides lasing condition with a few Bragg reflector.
In the third part, electrically-driven metal-dielectric-metal (MDM) photonic device was demonstrated for the practical applications. In the first, second and third chapter, MDM photonic devices were combined with metal-insulator-metal (MIM) waveguide for plasmon link and its elements. Firstly, plasmon source and detector were characterized, and then on-chip scale plasmon signal transmittance was demonstrated. In the last chapter, electrically driven nano/micro cavity was studied for the densely integrated photonic device.
In the last part, I introduce facile metal-oxides synthesis methods for application of optoelectronics. By using focused and pulsed laser illumination as a local heat source, rapid and self-limited synthesis of various metal oxide semiconductor materials is achieved with precise spatial and temporal control. Its distinctive characteristics allow highly localized real-time metal-oxides synthesis between separated metal structures, which provides mechanical joining as well as electrical connection and photoconductivity. The growth time for a micrometer-sized metal oxide bump is educed to seconds from hours in the conventional hydrothermal technique. Proposed methods can easily synthesize metal-oxides on an electronics based circuit, and will open up integration of metal-oxides semiconductor based light sensor and light emitting device with the electronics.
2000년대 이후 인터넷 사용의 비약적인 발전과 정보처리 속도의 향상으로 정보의 사용량이 폭발적으로 증가하였다. 급격하게 증가하는 데이터의 처리를 위해 전자소자들 역시 눈부신 발전을 이루어 왔다. 하지만 전자 회로의 기본이 되는 트랜지스터 소자는 크기와 속도 그리고 성능 면에서 물리적 한계가 가까워 지고 있다는 것이 많은 연구자들의 공통된 의견이다. 이러한 문제점의 해결 방법으로 낮은 소비 전력과 넓은 대역폭을 제공하는 광학 소자와 기존 전자회로의 결합이 제시되고 있다. 이러한 광 소자와 전자 소자의 결합을 위해서는 발광 소자, 수광 소자, 도파로, 변조기 등 다양한 요소들을 필요로 하며 이 중 본 논문에서는 발광 소자, 수광 소자 그리고 도파로를 중점적으로 다루었다.
기존 전자회로의 전기적 신호 연결선의 한계를 넘어서는 광학적 연결선을 사용하기 위해서는 여러 광학 구성 요소들이 기존의 전자 회로와 효과적으로 집적되어 구현되어야 한다. 하지만 기존에 연구되어온 광결정, 마이크로 디스크와 같은 유전체 중심의 광 소자들은 그 크기가 마이크로미터 단위로 최신 트랜지스터 크기의 수 백배에 달한다. 이는 미래의 광전자 집적회로에서는 반도체 기반 광원의 크기가 현재보다 훨씬 작아져야 집적이 용이해짐을 알 수 있다.
본 논문에서는 광 소자의 크기를 빛의 파장 혹은 그보다 작은 크기로 줄이기 위해 금속을 사용하였다. 기존 유전체 중심의 광 소자 연구에서는 금속의 흡수손실이 크기 때문에 금속의 사용을 피해 왔다. 하지만 광 소자의 실용적 응용을 위해서는 전자 주입 동작이 반드시 필요하며 이를 위해서는 금속의 사용이 필수 불가결 하다. 이러한 금속을 사용할 경우 전자 주입이 용이해질 뿐만 아니라 전자기파가 금속 주위에서 차폐되는 성질을 이용하여 초소형 광 소자의 제작이 가능하며 이를 이용하여 전자회로와의 효과적인 집적이 가능하다.
파트1 에서는 유전체의 일부에 금속 층을 추가하여 공진기의 모드 및 물리적 부피를 빛의 파장보다 작은 크기로 줄였다. 과거의 마이크로 디스크와 같이 파장보다 훨씬 큰 유전체 공진기의 경우 빛이 유전체 안에 잘 갇히며 성능계수 (quality factor) 역시 크다. 하지만 이러한 유전체를 파장보다 작은 크기로 줄이면 모드가 유전체 안에 잘 갇히지 않아 방사 손실이 매우 크다. 이 때 유전체의 기판으로 금속을 사용하게 되면 아래쪽으로 흘러나가는 빛을 막아 줄 수 있어 기존 유전체의 성능계수 (~8) 보다 훨씬 높은 성능계수 (~29)를 가지게 되며 모드 부피 역시 크게 줄어 든다. 유전체의 기판으로 금속을 사용했을 때의 성능계수는 비록 레이저로 사용하기에는 부족하지만 Purcell factor (∝ Q/V) 역시 증가하여 자발방광 효율이 증가하고 빠른 동작이 가능하므로 나노 단위의 공진기형 LED로 사용 가능하다. 이러한 나노 단위의 공진기형 LED 의 위쪽에 금속판을 추가하게 되면 위쪽으로 방사되는 손실을 크게 줄여 레이저로도 사용이 가능하다. 실제로 유전체를 샌드위치 형대로 감싸는 두개의 금속판 크기를 늘릴수록 방사 손실이 줄어드는 것을 전산모사를 통해 확인하였으며 실험을 통해 실제 레이저를 구현하였다. 또한 해당 파트에서는 전자 혹은 광 주입 과정에서의 자기 가열이 공진기에 미치는 영향도 살펴 보았다. 기존 마이크로 크기의 공진기에서는 자기 가열 문제가 심각하지 않으나 나노 단위로 공진기가 작아짐에 따라 성능계수가 나빠지고 레이저 발진을 위한 상대적인 문턱이 높아져 자기 가열 문제가 심각해 진다. 특히 본 논문에서 제시한 유전체 위의 금속판을 가지는 구조는 광 주입 시 많은 에너지가 유전체 위의 금속판으로 흡수되어 열을 발생시킨다. 이런 열은 문턱, 흡수 손실, 비 방사재결합 비율, 물질의 이득 특성 (gain) 등 레이저의 각종 변수들을 변화 시킨다. 이에 본 논문에서는 이러한 온도 의존적인 변수들을 모두 고려하여 레이저 속도 방정식을 풀고 실제 실험값과 유사함을 확인 하였다.
파트 2 에서는 기존 2차원 광 결정 공진기와 금속판을 결합한 구조를 소개하였다. 앞서 언급한 것과 같이 2000년대 들어 금속을 이용한 공진기와 광 결정 공진기를 사용하여 나노 단위의 극소형 광 소자를 개발하는 연구가 활발히 진행 되어 왔다. 하지만, 금속을 이용한 공진기의 경우 금속에 의한 흡수 손실이 크다는 단점을 가지고 있으며 광 결정 구조의 경우 물리적인 부피가 크다는 단점을 안고 있다. 이에 본 논문에서는 둘을 결합하여 가로방향으로 방사되는 빛은 2차원 광 결정을 이용하여 가두고 수직방향으로 방사되는 빛은 금속판을 이용하여 줄여 주었다. 챕터 1에서는 Circular Bragg Reflector (CBR) 과 금속판을 결합하여 두 개 및 세 개의 CBR 로 상온에서 레이저로 동작하는 것을 확인 하였으며 한 개의 CBR과 금속판을 결합하여 저온 (77K) 에서 레이저로 동작하는 것을 확인하였다. 또한 챕터 2 에서는 2 차원 광 결정과 금속판을 결합하여 9개의 층으로 상온에서 동작하는 레이저를 증명하였다. 본 논문에서 제시하는 방법은 기존 금속 기반 공진기와 유전체 기반 공진기 각각의 장점을 결합하여 비교적 작은 크기에서 우수한 성능을 제공하는 레이저 제작기법으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
파트 3 에서는 전기적으로 구동하는 표면 플라즈몬을 소자를 전산모사를 통해 설계하고 실험을 통해 증명하였다. 앞서 파트 1 과 파트 2 에서는 광 주입 방식을 이용하여 소자를 동작 시켰다. 하지만 실질적인 응용을 위해서는 전자 주입을 통한 소자의 동작이 필수 적이다. 파트 3에서는 금속 판을 이용하여 파장보다 훨씬 작은 크기의 집속이 가능한 표면 플라즈몬 소자를 전기적으로 구동 시켰다. 먼저 챕터 1 에서는 표면 플라즈몬 광원을 설계 및 제작하였다. 금속-유전체-금속 (Metal-Dielectric-Metal (MDM)) 구조의 LED 와 광 도파로를 연결하였으며 플라즈몬 모드가 지나갈 수 있도록 광 도파로를 설계하였다. 따라서 LED에서 발생한 빛은 플라즈몬 모드의 형태로 광 도파로로 커플(couple) 되어 플라즈몬 광원으로 사용 될 수 있다. 이를 확인하기 위해 도파로에서 나오는 빛의 편광을 조사하였으면 이를 통해 플라즈몬 모드임을 확인 할 수 있었다. 챕터 2 에서는 플라즈몬 모드 검출 소자를 제작 및 증명하였다. 챕터 1의 LED 구조에 역 전압을 걸어 준 후 PD 로 동작시키고 주입되는 빛의 편광에 따른 광전류를 확인 한 결과 플라즈몬 모드 검출 소자로 동작함을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 챕터 3 에서는 LED와 PD 간의 결합을 통하여 실질적인 통신 소자로의 사용 가능성을 확인하였다. LED를 순 전압을 높이면 발생하는 빛들이 플라즈모닉 모드 형태로 도파로에서 진행을 하게 되며 진행 된 플라즈모닉 모드는 PD에서 광 전류 형태로 검출 되는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 플라즈몬 모드 기반의 광 소자간의 결합을 통해 기존 광 소자에 비해 훨씬 작은 크기로 집속된 집적 광 회로의 구현이 가능해 질것으로 기대된다.
마지막 파트 4에서는 광수열 합성 (photohydrothermal synthesis)을 이용한 금속 산화물 합성을 소개하였다. 기존 금속산화물 성장 방법으로는 기상증착, 전자빔 증착, 졸겔 코팅 등 다양한 방법이 있으며 그 중 수열합성법은 다른 기술들에 비해 경제성이 뛰어나며 간편하다. 하지만 이 역시 특정 패턴을 위해서는 여러 단계를 거쳐야 하는 단점이 있다. 이에 광수열 합성법을 제안하여 원하는 위치에 실시간으로 금속 산화물을 합성하는 기법을 소개하였다. 레이저를 특정 위치에 조사하면 빛 에너지가 열 에너지로 전환되어 금속 산화물의 합성이 가능하며 이를 이용하여 기존 삼차원 구조 위에도 손쉽게 금속산화물 합성이 가능하다. 이를 이용하여 전기적 연결 및 자외선 검출기를 실제 구현하였으며 추 후 발광 소자 및 수광 소자를 손 쉽게 만들어 광 집적 회로의 구현에도 사용이 가능할 것으로 생각된다.
