This thesis describes the polarization control of vertical-cavity surface-emitting lasers(VCSELs) from three different methods. The first method is to control the light loss by tilting VCSEL pillars with various device shapes. The second one is to change the index of refraction of top distributed Bragg reflector(DBR) by applying electric field to VCSELs. The third one is to change the light absorption property of active layers by applying electric field to VCSELs.
Firstly, the polarization property of VCSELs was studied by tilting VCSEL pillars with various device shapes. The device shapes were circular, square, diamond, and rectangular. The tilt angle varied from 15˚ to 30˚ and the device size varied from 10㎛ to 20㎛. The devices with circular and square shape have an asymmetric cavity cross section, and that with diamond shape has a symmetric cavity cross section. The cavity cross section of the device with rectangular shape is asymmetric or symmetric, depending on the tilt direction.
Light polarized perpendicular to the tilt direction of pillar was dominantly emitted in all device shapes. This means that the polarization of VCSEL with tilted pillar is mainly controlled by tilting pillar, not by varying symmetry of cavity cross section. Polarization selectivity was best when the device size was 10㎛ and didn't depend on the tilt angle. The main reason for the polarization selection is thought to be the difference of diffraction loss between the polarization state parallel and perpendicular to the tilt direction of pillar. The polarization state parallel to the tilt direction could experience more diffraction loss than the other state at the top DBR. To analyze the round trip loss, a beam propagation method was used for simulation. However, the results are contrary to the estimation based on the experimental data. The difference may be originated to the inherent calculation errors and imperfect device modeling. More accurate modeling is needed to analyze the loss mechanism for VCSEL with tilted pillar.
Secondly, to change the index of refraction of top DBR, electric field was applied perpendicular to the top DBR. This is a new and active polarization control method using electrooptic effect. This makes the [110] polarization state blue shift and [1$\bar{1}$0] polarization state red shift for the positive electric field. The output power of [1$\bar{1}$0] polarization state increased, and that of [110] decreased for the positive electric field. The cavity mode of [110] polarization state showed blue shift, and that of [1$\bar{1}$0] showed red shift for the positive electric field as expected. Reverse phenomena were observed for the negative electric field. These are due to the movement of cavity mode of each polarization state, caused by the change of the index of refraction at top DBR, and by the change of gain of each polarization state. This method seems very promising because polarization state can be controlled actively by electric field. No switching of the polarization state was observed, indicating that this method is reliable.
Thirdly, polarization property was investigated by applying electric field parallel to the active layers. The absorption property of active layer can be changed by applying electric field parallel to the active layer, resulting in the change of the gain properties of both polarization states. The electric field was applied along [110] or [1$\bar{1}$0] direction. The light output power versus injection current was measured, varying the electric field strength. Most devices didn't show the apparent changes of light output power of both polarization states. A few devices showed some changes. This may be due to the fact that electric field wasn't effectively applied to the active layers because of the thick insulating layer. Some modification of the device structure may be needed for noticeable change of polarization state in the third method.
수직공진형 표면방출 레이저의 편광 조절 방법에 대해서 세 가지 방법으로 연구하였다. 첫 번째는 굴절률 유도형 VCSEL에서 기둥의 경사각과 소자 모양에 따른 편광특성을 조사하였다. 두 번째는 전광 효과에 의한 상부거울층의 굴절률 변화를 이용한 편광 조절 방법을 제시하였다. 마지막으로 활성층에 평행하게 전기장을 인가하여 활성층의 이득 변화를 유도함으로써 편광을 변화시키는 방법에 연구하였다. 첫 번째, 굴절률 유도형 수직공진형 표면방출 레이저에서 기둥의 경사각과 소자모양에 대한 편광 특성을 연구하였다. 소자 모양은 원형, 정사각형, 직사각형, 마름모형으로 만들었고, 기둥의 경사각은 15~30˚, 소자 크기는 10~20㎛로 만들었다. 원형과 정사각형은 공진 단면이 비대칭이 되고 마름모형은 공진 단면이 대칭이 된다. 직사각형은 기울인 방향에 따라 대칭과 비대칭 공진 단면이 모두 나타난다. 모든 소자에서 기둥의 기울어진 방향에 수직하게 편광된 빔이 우세하게 방출되었다. 즉 기울인 기둥 구조에서 편광 선택은 기본적으로 기울인 기둥에 의해 조절되며 공진 단면의 변화에 의한 효과는 미미한 것으로 생각된다. 편광 조절은 10㎛ 소자에서 가장 잘 이루어졌고, 경사각에 대한 의존도는 크지 않았다. 편광 선택에 대한 가장 큰 이유는 편광 방향에 따른 회절 손실의 차이로 생각된다. 기울인 기둥에 평행하게 편광된 모드가 수직하게 편광된 모드 보다 큰 회절 손실을 가지기 때문에 기울인 기둥에 수직한 편광 모드가 우세하게 방출되는 것으로 생각된다. 기울어진 기둥 구조의 공진 손실을 분석하기 위해 빔 전파 방법을 사용하였다. 기둥이 기울어진 방향에 평행하게 편광된 모드가 수직하게 편광된 모드 보다 큰 손실을 나타낼 것으로 기대되었으나 계산 결과는 수직한 편광 모드가 더 큰 손실을 나타내었다. 이러한 원인은 계산에서 발생한 오차 등에 기인된 것으로 생각되므로 좀 더 정확한 모델링이 필요할 것으로 사료된다. 두 번째, 상부거울층의 굴절률을 변화시키기 위해, 상부거울층에 수직하게 전기장을 인가하였다. 이 방법은 전광 효과를 이용한 새롭고 능동적인 편광 조절방법이다. 양의 전기장을 인가하면 [110] 편광 모드는 단파장으로, [1$\bar{1}$0] 편광 모드는 장파장으로 이동한다. 양의 전기장에 대해서 [1$\bar{1}$0] 편광 모드의 광 출력이 증가하였고, [110] 편광 모드의 광 출력은 감소하였다. 예측?? 것과 같이 [110] 편광의 공진 모드는 단파장으로 이동하였고, [1$\bar{1}$0] 편광의 공진 모드는 장파장으로 이동하였다. 음의 전기장을 인가하면 반대의 현상이 관찰되었다. 이러한 결과들은 상부거울층의 굴절률 변화로 각 편광의 공진 모드가 이동함으로써, 각 편광이 가지는 이득의 변화 때문이다. 이 방법은 편광 조절이 전기장에 의해서 능동적으로 이루어지므로 매우 유망하게 생각된다. 그리고 전기장이 인가된 상태에서 변화된 편광이 일정하게 유지되므로 매우 안정한 방법임을 알 수 있다. 세 번째, 전기장 인가에 의한 VCSEL 활성층의 이득 변화를 이용한 편광 변화를 연구하였다. 활성층에 평행하게 전기장을 인가하면 활성층의 흡수 계수가 바뀔 수 있고, 따라서 두 편광의 이득이 변할 수 있다. 전기장은 [110] 또는 [1$\bar{1}$0] 방향으로 인가되었고, 전기장 세기를 변화시키면서 출력-전류 변화를 측정하였다. 대부분의 소자가 뚜렷한 출력-전류 변화를 보여주지 못하였고, 몇몇의 소자들이 약간의 변화를 보여주었다. 이러한 이유는 전기장이 효과적으로 활성층에 인가되지 않았기 때문으로 생각된다. 구조 및 공정 일부분을 개선하면 좀 더 나은 특성을 나타낼 수 있을 것으로 생각한다.
