Single-fundamental-mode VCSELs have been attractive research subject due to their potential applications such as data transmission in optical network, optical storage and so on. However, single-transverse-mode operation of VCSELs over an entire operating-current range is difficult to achieve due to spatial hole burning and thermal lensing. In this dissertation, we report the single-fundamental-mode operation of "photoniccrystal VCSELs" (PC-VCSELs). The PC-VCSELs are similar to standard VCSELs except that they have photonic crystal defined by air holes in the top mirror region. The two-dimensional triangular-lattice photonic crystal structure has a single defect. By introducing the single-defect photonic crystal to the VCSEL, a waveguide is expected to be formed around the central defect region where the effective index is larger than the surrounding region. We apply the "effective index model" to the PC-VCSEL to understand the guiding structure of the PC-VCSEL. For efficient current injection, oxide or implant aperture is used. The PC-VCSELs show single fundamental mode through the entire current range with side mode suppression ratio over 35dB. Besides, the PC-VCSELs of asymmetric air holes result in polarization pinning. In this work, the modes of the PC-VCSEL are calculated using 3-dimmensional finite-difference time-domain method. Using the simulation results the polarization pinning is explained. This dissertation contains all of the aspects of the design, processing and experimental results of the PC-VCSEL.
본 연구에서는 광결정 수직공진 표면광 레이저를 제안하고 구현하였다. 광결정 수직공진 표면광 레이저는 일반적인 수직공진 표면광 레이저와 구조상 유사하며 한쪽 반사경에 공기구멍으로 이루어진 광결정이 형성되어 있는 특징이 있다. 이 광결정은 하나의 공기구멍이 빠진 결함구조를 가지고 있으며 이 부분에서 광인도가 일어나게 된다. 광결정 수직공진 표면광 레이저는 넓은 면적의 단일모드 광인도 특성을 갖는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber)와 유사한 광인도 특징을 갖는다. 제작된 소자는 850-nm의 수직공진 표면광 레이저용 기판을 사용하였으며 광 리소그라피와 CAIBE(chemical assisted ion beam etching method)를 이용하여 제작되었다. 제작된 850-nm 광결정 수직공진 표면광 레이저는 35dB 의 SMSR를 보이며 단일 기본 모드로 동작하였다. 이때 모드크기는 약 9.7μm 에 이른다.
광결정을 통한 광인도 구조를 실험적으로 측정하였으며 유효굴절률 모델을 이용하여 결함부분과 주변부분 사이의 굴절률 차이를 결정하였다. 단일 기본모드를 유지하고 효과적인 전류 주입이 이루어지기 위해서는 전류 제한 구경이 2Λ (Λ는 광결정의 주기) 이상이어야 하며 a/Λ (a는 광결정 공기구멍의 직경)는 0.6~0.7 그리고 공기 구멍들의 바닥은 양자 우물로부터 3~4λ 정도 떨어져 있는 것이 적당하였다. 원형의 공기 구멍으로 이루어진 광결정 수직공진 표면광 레이저와는 달리 타원의 공기 구멍으로 이루어진 소자는 안정적인 편광 특성을 보였다. 이는 각각 수직인 두 편광 모드들의 모양이 타원의 공기구멍으로 이루어진 광결정에 의해 공간적인 차이가 생기게 되고, 불균일한 전류 주입이 광이득의 차이를 줌으로써 한쪽 편광을 선택하기 때문인 것으로 설명할 수 있었다.
이 논문에서 보고한 광결정 수직공진 표면광 레이저는 높은 출력의 단일 기본모드 광원으로 기대가 되며 광결정을 이용한 광인도 구조는 물질에 상관 없이 적용할 수 있어 다양한 구조의 소자에 이용될 수 있을 것이다.
