Design, fabrication, and optical characterization have been performed to study the light-emitting properties of photonic crystal slab structures, two-dimensional photonic crystals patterned in optically-thin slab waveguides with air or low-index claddings. InGaAsP/InP quantum wells emitting at 1.55 ㎛ are mainly employed as active material, and InGaAs/GaAs quantum dots are also used in some experiments. In this photonic crystal slab light-emitting structure, optically-pumped operation of high-efficiency light-emitting diodes and low-threshold lasers are demonstrated.
The dispersion relations of photonic crystal slabs are calculated based on the plane-wave method, and the condition for a single guided mode operation is investigated. The calculation results are applied to the design of photonic crystal slabs. Two-types of photonic crystal slab structures are fabricated, a free-standing slab in air and an oxide-supported slab. In the fabrication of two-dimensional photonic crystal patterns, electron-beam lithography and chemically-assisted ion-beam etching technique are employed.
Light extraction properties of uniform photonic crystal slabs are investigated varying cladding structures, lattice geometries, and active materials. Over 5 times light-extraction enhancement relative to an as-grown wafer is observed in InGaAsP quantum-well-based photonic crystal slab structures at room temperature. Under high pumping conditions, the contribution of surface recombination can be less than 20% in spite of large surface-to-volume ratio of photonic crystal patterns.
By using InGaAs quantum dot active medium, very high extraction enhancement of ~30 is obtained at 78 K. This high extraction efficiency originates from the low carrier diffusion in quantum dots at low temperature and strong extraction capability of the photonic crystal slab.
The photonic crystal slab single defect cavity formed in a square array of air holes is studied both experimentally and theoretically. Pulsed lasing actions are realized by room-temperature optical pumping. Two-types of resonant modes with a dipole and a whispering-gallery-like property are demonstrated and identified by the measurement of spectra, mode shapes, and polarization. It has been shown by the three-dimensional finite-difference time-domain calculation that the whispering-gallery-like mode has characteristics of the smallest possible lowest order whispering gallery mode, and exhibits a very high quality factor of >30,000 and a Purcell factor of >10,000.
Photonic crystal lasers without cavities, which operate at several photonic band edges of the free-standing photonic crystal slab, are demonstrated at 80 K by pulsed optical pumping. Very low threshold pump power of ~35 μW with 6-㎛ pump area has been achieved in the photonic band edge laser operating at the third transverse electric mode band edge. Both in-plane propagation and vertical emission lasing characteristics are observed depending on the lattice parameters of laser devices.
박막형 광결정 구조에서 빛의 방출 특성을 연구하였다. 박막형 광결정 구조는 2차원의 광결정 패턴을 광학적으로 얇은 박막형 도파관 구조에 형성한 것으로 광의 구속을 강하게 시킬 수 있는 광학적 구조이다. 박막형 광결정 구조에 존재하는 광모드의 특성을 이론적으로 연구하고, 실제로 이득 매질이 도입된 광결정 구조를 제작하여 광펌핑으로 동작하는 발광 다이오드와 레이저 특성을 조사해 보았다.
광결정 구조의 분산 관계를 3차원 평면파 전개법으로 계산하였고, 광결정 박막의 두께에 따른 광밴드갭의 변화와 단일 도파 모드 동작을 위한 조건을 조사하였다. 분산 관계에서 얻은 결과를 바탕으로 실제 박막형 광결정 구조를 제작하였다. 박막 도파관의 아래 위가 모두 공기인 구조와 아래쪽이 산화물로 받쳐져 있는 구조가 제작되었다. 제작에는 전자선 리소그라피와 정밀 건식 식각법에 기반한 나노제작 기술이 기본적으로 이용되었으며, 그 외에 기판 용융 접합, 습식 산화, 선택적 습식 식각 등의 반도체 제작 기술이 이용되었다.
박막형 광결정의 방출 효율에 관한 실험 연구를 수행하였다. 1.55㎛ 파장의 빛을 방출하는 InGaAsP 양자 우물 능동 매질이 도입된 광결정 구조를 상온에서 광펌핑하여 방출 효율을 조사하였다. 광결정 패턴이 있는 구조에서 패턴이 없는 샘플에 비해 5배 이상의 방출 효율 증가를 관찰하였다. 이는 광결정 박막에서 생성된 빛이 광결정 패턴에 의해 박막 밖으로 효율적으로 새어 나갈 수 있기 때문에 얻어진 결과이다. 광방출 효율은 운반자의 광결정 패턴 면에서의 비발광 결합에 의해서 제한이 되는데, 이러한 면 비발광 결합은 전체 운반자 결합의 20% 이하로 낮출 수 있음을 보였다. 방출 효율을 더욱 증가시키기 위하여 InGaAs 양자점 매질을 이용하여 78 K 저온에서 광펌핑 실험을 수행하였다. 저온에서는 양자점에서 운반자의 확산이 제한되어 면에서의 비발광 결합 효과가 크게 줄어들게 된다. 실험 결과 공기에 둘러싸인 광결정 박막에서 30배 정도의 방출 효율 증가가 관찰되었다. 이러한 방출 효율 증가의 결과들은 광결정 박막 구조가 고효율의 발광 다이오드로 응용될 수 있음을 의미하고, 또한 양자점 매질이 광결정 연구에 성공적으로 적용될 수 있음을 보여준다.
사각형 격자로 형성된 박막형 광결정 패턴에 하나의 공기 구멍을 제거하여 단일 결함 공진기를 제작하였다. 이 사각형 격자 광결정 공진기 구조를 상온에서 광펌핑하여 레이저 동작이 이루어졌다. InGaAsP 양자 우물을 이득 매질로 이용하여 1.5㎛ 부근에서 레이저가 발진하였으며, 1 mW 이하의 낮은 문턱 펌핑 파워를 보여주고 있다. 이 단일 결함 공진기에는 쌍극자 형태의 모드와 위스퍼링 갤러리 형태의 모드가 존재하는데, 각 모드의 레이저 발진 특성이 모드 형태, 편광, 스펙트럼 측정을 통해서 비교 분석되었다. 특히, 사각형 광결정 격자 단일 결함 공진기에 존재하는 위스퍼링 갤러리 모드는 가장 작은 형태의 위스퍼링 갤러리 모드의 특성을 가지고 있으며 이론적으로 30000 이상의 공진기 큐를 가질 수 있음을 3차원 시간 영역 유한 차분법에 기반한 이론적 계산으로 보였다. 또한, 이 모드는 파장 정도 크기의 매우 작은 공진기에 형성이 되므로 강한 자발 방출 증가 효과를 기대할 수 있다. 자발 방출 증가의 비를 나타내는 Purcell 값이 10000 이상이 될 수 있음을 계산으로 확인하였다. 사각형 격자 광결정 단일 결합 공진기의 위스퍼링 갤러리 모드는 공진기 양자 전자학의 연구에 적합하게 이용될 수 있을 것이다.
마지막으로 공진기 형태가 없는 주기적인 2차원 패턴으로 이루어진 광결정 박막 구조에서의 레이저 동작에 대해서 실험적으로 확인하고 분석하였다. 이 레이저는 광결정 분산 관계에서 광밴드의 에지에 해당하는 부분에서 빛의 군속도가 크게 감소하는 효과를 이용하여 발진하는 특성을 가지고 있고, 2차원 분산피드백 레이저의 형태로 볼 수 있다. InGaAsP 양자 우물을 능동 매질로 이용한 광결정 박막 구조를 80 K에서 광펌핑 한 결과 6㎛ 정도의 작은 펌핑 면적에서 35㎛ 의 낮은 문턱 펌핑 파워에서 레이저 발진이 이루어졌다. 또한, 광결정 패턴의 격자 주기에 따라서 평면 또는 수직 방향으로 발진하는 특성을 관찰하였다. 이러한 광결정 밴드 에지 레이저는 격자의 구조에 따라 저문턱 또는 고출력 특성을 가질 수 있고, 평면형 또는 수직형 발진 특성을 가질 수 있어서 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
