모드가 제어된 장파장 수직 공진 표면광 레이저는 고속의 LAN과 MAN에 사용될 수 있는 매우 유용한 소자이다. 이러한 수직 공진 표면광 레이저를 현재 사용되고 있는 850 nm 파장 영역의 기반으로 확대시키면 장거리 통신에 사용될 수 있는 아주 좋은 저가의 소자가 될 것이다. 장파장 VCSEL을 구현하기 위해 InGaAsP/InP 물질을 기반으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어, 장파장 (1300 - 1500 nm) VCSEL을 위해 GaInNAs/GaAs quantum well (QW), GaAsSb/GaAs QW, and GaInAs/GaAs quantum dots 등과 같은 GaAs를 기반으로 하는 물질의 다양한 연구도 진행되고 있다. 또한, 실험적으로 highly-strained GaInAs/GaAs QW 레이저가 1200 nm보다 긴 파장으로 동작하였다. 사실, 1200 nm VCSEL은 10 km 이상의 거리를 10 Gb/s 의 속도로 정보 전송이 가능하다. 다시 말해, 단일모드로 동작하는 highly-strained GaInAs/GaAs VCSELs은 중, 장거리 통신에 있어 좋은 소자가 될 수 있다.
단일 모드로 동작하는 850 nm photonic-crystal vertical-cavity surface-emitting lasers (PC-VCSELs)가 본 실험실에서 선행 연구되었다. 이러한 PC-VCSELs은 기존의 VCSEL의 위쪽 반사경에 광결정 공기 구멍을 도입한 것이다. 비교적 쉽게 단일 모드 동작을 구현하였지만 자세한 모드 선택 방법은 아직 연구되지 않았다.
본 연구에서는 10 km까지 10 Gb/s로 정보 교환이 가능한 파장 영역인 1120 nm에서 발진하는 VCSEL의 위쪽 반사경에 광 결정 공기 구멍을 도입함으로써 약한 유효 굴절률 guiding 효과를 생성시켜 전체 발진 영역에서 단일 기본 횡 모드로 동작하는 PC-VCSEL을 제작하였다. 여기에 도입한 광 결정 공기 구멍은 대칭성이 없는 사각형 모양의 광 결정을 사용하여 축퇴되어 있던 x-편광과 y-편광 모드를 하나의 편광 모드로 발진하도록 하였다. 제작된 소자는 다른 모드에 비해 30 dB이상의 큰 출력량을 가지는 단일 모드로 동작하였다. 또한, PC-VCSEL에 있어 mode selection mechanism을 분석하기 위해 다양한 깊이(위쪽 반사경의 5, 8, 12, 15, 18, > 22 쌍)의 광 결정 공기 구멍을 가지는 소자들을 제작하였다. 위쪽 DBR의 12- ~ 18-쌍을 etching한 PC-VCSEL로부터 발진 전체 영역에서 단일 편광, 단일 횡 모드 발진을 구현하였다. PC-VCSEL의 구조를 간단화 시켜 PWE(Plane Wave Expansion) 방법으로 계산한 결과 최대 세 개의 PC-guided 모드가 존재할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 모드들의 존재를 실험적으로 알아보기 위해 1st-order PC-guide 모드와 2nd-order PC-guided 모드 사이의 spacing을 측정하였다.
측정결과, mode spacing이 4.3 $\AA$ ~ 6.7 $\AA$으로 측정되었다. 이는 계산 결과인 10 $\AA$의 절반 정도의 값이다. 이는 실제 PC-VCSEL은 위쪽과 아래쪽 반사경 사이의 전체 영역에 광 결정 공기 구멍이 존재는 계산 구조와는 달리 광 결정 공기 구멍이 유한한 깊이로 존재하기 때문이다. 다음으로, 깊이가 다른 소자 별로 측정된 모드의 크기와 계산된 모드의 모양으로 각 모드들의 modal loss를 계산하였다. 그 결과 다양한 깊이의 광 결정 공기 구명을 가지는 PC-VCSEL들의 동작 특성을 설명할 수 있다. Shallow-etch samples의 경우는 충분하지 못한 modal loss 차로 인해 단일 횡 모드를 지속하지 못하였다. 반면, Mid-etch samples의 경우는 1st-order PC-guided와 2nd-order PC-guided 모드 사이의 modal loss의 차이가 충분히 커져 소자가 동작하는 전체의 전류 영역에서 단일 횡 모드로 동작하는 것이 가능하다. Deep-etch samples의 경우는 active region까지 공기 구멍이 형성되었기 때문에 공기 구멍들에서 발생하는 surface recombination 을 더 이상 무시 할 수 없게 되어 소수의 소자들만이 레이징을 하였다. 산화막 구경과 형성된 공기 구멍들로 생성될 수 있는 여러 가지 모드들 중 gain은 많이 얻을 수 있고 상대적으로 loss는 작은 모드가 주도적으로 동작하게 된다.
측정한 소자들의 결과들로써 PC-VCSEL이 단일 횡 모드로 동작하기 위한 air-hole의 깊이가 넓은 영역 (t = 2.5 ± 0.6 $\mu m$)을 가진다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 사실은 단일 모드를 위한 한 방법으로써 기존의 VCSEL에 photonic crystal air-hole을 도입하여 PC-VCSEL을 제작을 하면 쉽게 단일 모드 광원을 구현할 수 있다는 이야기 해주고 있으며, 또한 보편적인 optical lithography 방법을 사용하기 때문에 대량 생산이 가능하며 응용가능성이 많다는 장점을 가지고 있다.
