We study the electromagnetic surface waves that can exist in the edge of the two-dimensional photonic crystal slab structures. Free-standing photonic crystal slab edge structures with InGaAsP quantum wells emitting near 1550 nm are fabricated using the electron-beam lithography, the chemically-assisted ion-beam etching, and the undercut wet etching techniques. Two types of the lasing actions are observed from the fabricated samples by pulsed optical pumping with a 980 nm laser diode at room temperature. By varying the pumping condition, the lasing wavelength can be tuned in the wide range from 1477 nm to 1589 nm. The threshold of a typical laser sample is about 2 mW, which is similar to the value of the conventional photonic crystal laser.
In order to investigate the observed results, we also perform the computational simulations. The dispersion relations from the plane wave expansion method show that the slab edge structures should have the special cutting parameters for the existence of the slab edge modes near the center of the bandgap. The finite-difference time-domain calculations show that the quality factor of the slab edge mode can be sensitively changed by the cutting parameters. These results imply that the cutting parameters are critical to the actual lasing action from the slab edge mode.
본 학위 논문에서는 이차원 광결정 박막 구조의 절개면에 존재하는 측면 모드에 관한 연구를 보고한다. 1.55 ㎛ 파장의 빛이 방출되는 InGaAsP 양자 우물 능동 매질을 가진 광결정 박막 구조에 대해 상온에서 980 nm의 파장을 내는 다이오드 레이저를 가지고 펄스
형태의 광 펌핑이 시도되었다. 발진 조건을 극대화시키기 위해 3차원 평면파 전개법으로 박막 절개면에서의 측면 모드를 계산하였고 실제 실험과 동일한 구조에 대해 3차원 시간영역 차분법을 이용하여 모의실험을 수행하였다. 이러한 계산을 바탕으로 실제 광결정 박막 절개 구조를 제작하였다. 제작에는 전자선 리소그라피와 이온 빔 식각, 묽힌염산용액을 이용한 습식 식각등의 방법이 사용된다. 광결정 박막 구조의 두가지 절개 모양에서 레이저 발진이 각각 관찰되었다. 직사각형모양으로 박막이 잘린 구조에서는 펌핑의 위치에 따라 발진 파장이 바뀌는 경우와 항상 단일 파장으로 발진되는 경우가 관찰되었다. 육각형 모양의 절단 구조에서도 펌핑 위치와 크기에 따라 여러개의 파장에서 발진되는 것을 확인 할 수 있었다. 발진에 필요한 입력 문턱값은 2mW 안팎으로 기존의 광결정 레이저와 비슷한 정도였다. 레이저 발진시 CCD를 통해 시료를 관찰한 결과, 박막의 절단 부분 중에서도 특히 절단면이 만나는 모서리 부분에서 주로 발진 되었는데 이것은 박막의 절단면에서 존재하던 광모드가 모서리 부분에서 산란되어 나오는 것으로 예상된다.
