Vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) have no preferred polarization direction because of the symmetric optical gains along [ 1 1 0 ] and [ -1 1 0 ] in a ( 0 0 1 ) substrate. In this thesis two successful polarization control schemes are studied for 780-nm and 850-nm VCSELs.
First of all, we investigate the effect of misoriented substrate on the polarization stabilization for 780-nm VCSELs. Strong polarization selection is observed from VCSELs grown on a 2-degree-off misoriented substrate toward ( 1 1 1 )A. With this magnitude of misorientation angle, the epitaxial layer of 780-nm laser does not suffer from lattice-mismatch and strain effects.
Our quantification of polarization stabilization consists of current and light output measurement, subthreshold linewidth measurement. The polarization mode suppression ratio is about a few hundred and this ratio remains high over entire operating current range. The main polarization is always along [ -1 1 0 ] for all lasers in a wafer. The subthreshold linewidth measurement shows that modal gain/loss difference amounts to 3% ~ 8% of the threshold modal gain. The use of a bulk active medium also produces stable polarization. However, the polarization mode suppression ratio is smaller than that of the quantum wells. It means that the quantum well is favored in polarization selection but is not the fundamental reason for strong polarization selectivity. For comparison, the VCSELs grown on a 6-degree-off misoriented substrate are studied. These VCSELs also exhibit stable polarization along [ -1 1 0 ] axis as in the case of the 2-degree-off substrate.
The relative contributions of optical loss anisotropy and gain anisotropy are studied through scattering experiments, AFM(atomic force microscopy), and gain measurements. Firstly, we analyze the effect of the surface roughness by measuring the scattering distribution function of the VCSEL wafers. We find that root mean square roughness is about 4Å ~ 10Å and no significant polarization dependence is observed. AFM images show groove-like patterns. But its small period and random orientation could not explain the polarization characteristics observed in the experiment. To examine the gain anisotropy, the gain curves for two polarizations are measured carefully. The improved gain/loss measurement consists of measurements of light output power, spontaneous emission, and spectral linewidth. At low pumping current regime, the net gain along [ -1 1 0 ] is negative with amplitudes larger than that along [ 1 1 0 ]. However, the net gain becomes positive as current increases, and eventually, the net gain along [ -1 1 0 ] becomes 6% larger than that along [ 1 1 0 ] near threshold. This monotonic increase of gain/loss difference exclude the possibility of loss anisotropy as the dominant factor for polarization discrimination since the mechanism due to loss difference would keep the gain/loss difference constant with the variation of current. The behavior of gain/loss difference coincides with the pattern expected from anisotropic gain. Therefore, the polarization stabilization is attributed to the asymmetric gain along two crystal axes and the gain difference is an inherent property of the active medium grown on a 2-degree-off substrate. The origin of this gain anisotropy is still open for further study.
The additional study deals with the analysis of metal-interlaced grating VCSELs. Our analyses employs the modal method and modal expansion for accuracy and efficiency of calculation. The simulation explains the experimental observation well. The analysis indicates that the polarization stabilization in grating VCSELs is ascribed to phase and amplitude difference between TM and TE polarization modes. Moreover, it is revealed that metallic layer plays an important role reinforcing the polarization discrimination by means of different boundary conditions between two polarizations.
경사진 기판에 성장된 780-nm VCSEL이 200 이상의 편광 모드 억제율을 보이며 뛰어난 편광 안정성을 가지고 있음을 전류 광 출력 곡선을 통해 확인하였다. 편광 방향은 웨이퍼 내의 모든 레이저에 대해서 [-1 1 0] 방향이고, 고차 횡 모드로의 천이 이후에도 높은 모드 억제율을 유지하였다. 또한 선폭 측정을 통해 광 이득 또는 손실의 차이가 임계 광 이득 값의 3% -8%에 이르는 것을 특정하였다. 또한 양자 우물 능동 매질과 bulk 능동 매질로 이루어진 레이저의 편광 특성을 조사한 결과 양자 우물 능동 매질이 약간 더 큰 편광 선택성을 가지지만 bulk 레이저도 기본적으로 편광 안정화를 보임을 알 수 있었다. 이에 더하여 경사각이 6 도인 기판에 성장한 VCSEL 경우도 2 도 기판과 마찬가지로 [-1 1 0]방향의 편광 선택성을 가지고 있었다. 이러한 편광 안정성의 물리적 원인을 이해하기 위하여 두 편광 모드간 광 산란 손실 그리고 광 이득 차이에 의한 편광 비등방성 검토라는 두 가지 방향으로 원인 추적 실험들을 수행하였다. 먼저 광 산란이 VCSEL 편광에 영향을 미치는 지 조사하기 위하여, 직접 광 산란 분포 측정을 통한 계면의 거칠기와 편광 의존성 분석을 하였다. 이 결과 거칠기는 4Å - 10Å 정도이고 편광 의존성은 없는 것으로 나타났다. 또한 AFM을 이용하여 표면 윤곽을 관찰하면 경사진 기판의 스텝 구조에서 진화한 것으로 보이는 결이 보이지만 이들의 주기와 방향이 광 산란에 의한 편광 의존성을 설명하지는 모사는 것으로 드러났다. 광 이득의 편광 의존성을 검증하기 위해서, 보다 정밀한 광 이득 측정을 시행하였는데, 선폭 측정과 임계 전류 이하 광 출력 특성을 혼합한 개선된 측정법을 이용하여 두 편광 모드의 광 이득 곡선을 구할 수 있었다. 이 결과에 따르면 광 이득 값은 낮은 전류에서는 거의 같거나 [1 1 0]방향으로 큰 값을 보이다가, 전류 증가와 함께 [-1 1 0]방향으로 점점 더 큰 광 이득 값을 보이며, 임계 전류 값 근처에서 임계 광 이득 값의 6%정도에 이르는 광 이득 차이를 가지고 있었다. 이러한 광 이득 차이의 변화 행태는 편광 선택 기작이 광 이득일 경우 예상되는 결과와 일치하며 광 손실이라는 가정과는 배치하는 증거이다. 결국 모든 실험 결과를 종합해 볼 때, 경사진 기판의 VCSEL 편광 선택 원인은 광 손실이 아닌 광 이득의 비증방성 유도로부터 이루어졌다고 판단되며, 이러한 광 이득의 비등방성은 양자 우물 구조가 아닌 bulk 능동 매질에서도 나타나는 것으로 보아 물질 자체에 내재해 있다고 보여진다. 따라서 편광 선택 원인의 보다 심도있는 추적은 경사진 기판에서의 결정 성장 과장의 연구와 병행해야할 것으로 생각된다. 이와 관련되어, 경사진 기판에서 결정 성장이 일어날 때 특정 성장 조건하에서 기판의 스텝을 중심으로 AlGaAs의 AlAs-GaAs로의 분리[40]가 일어난다는 사실은 매우 주목할만하다.
