Ever since the advent of the laser in early sixties, the quest for the ultimate thresholdless laser has lured attentions of scientists all over the world. To realize the ultimate laser, the resonant laser cavity should meet two requirements: the size of the cavity should be an order of wavelength under consideration and the quality factor of the optical cavity should be high. In other words, one needs to have an ultra-small and low-loss resonant cavity whose nano-fabrication has been nontrivial. However, the concept of photonic bandgap based on photonic crystals together with the advancement of nano-fabrication opens up the new possibility of realistic multidimensional photon confinement.
In this thesis, we propose and demonstrate a novel approach toward this ultimate thresholdless laser based on a two-dimensional triangular slab photonic crystal. The smallest possible resonant cavity from a two-dimensional photonic crystal can be created by introducing just one defect in an otherwise perfect crystal lattice. Also, by slightly modifying this cavity, we can additionally obtain novel properties such as high quality factor and nondegeneracy.
In our modified single-cell two-dimensional photonic crystal slab structure, we find several resonant modes which are theoretically and experimentally studied. There exist four fundamental modes in the photonic band gap, doubly degenerate dipole and quadrupole modes, and nondegenerate hexapole and monopole modes. Among them, the monopole mode specifically attracts our interest because of its nondegeneracy, good coupling with the gain medium, and existence of the intensity minimum at the center of the cavity, which would open up the chance for the electrically-driven single-cell laser. The nondegenerate hexapole mode, a special type of whispering gallery mode, has a very high quality factor. We have fabricated two types of modified single-cell lasers, i.e., air-based free-standing and $SiO_2$-based epoxy-bonded structures. Rich lasing actions in both structures are experimentally observed under optically pulsed pumping conditions at room temperature. In the free-standing slab structure, photons are strongly confined in vertical direction, and the lasing operations of all resonant modes with low thresholds are obtained. Especially, the nondegenerate monopole-mode laser is confirmed to have a large spontaneous emission factor of >0.06, estimated by analyzing rate equations. In the $SiO_2$-based slab structure, thermal properties are improved at the expense of vertical losses.
Also, we report, in the first time, a novel electrically-driven wavelength-scale high-quality photonic crystal laser structure by demonstrating unambiguous room-temperature low-threshold-current (~260 μA) lasing action with a record-high spontaneous emission factor of 0.25 by solving the theoretical and technical constraints laid upon by the additional requirement of the current injection. The electrical current is injected through a sub-micron-size semiconductor ‘wire’ at the center of the mode with minimal degradation of the quality factor. In addition, to better utilize the low mobility of the hole, we employ a doping structure that is inverted from the conventional semiconductors. The introduction of this heterojunction n-i-p structure limits the occurrence of bimolecular recombination to the proximity of the central post. This photonic crystal laser, a crucial step toward a ‘practical’ form of the single photon source, represents a major achievement in the field of photonic crystal devices and photonic integrated circuits as well as of great interest to the quantum electrodynamics and quantum information communities.
광결정이란 빛의 파장 정도의 주기성을 가지는 유전체 구조이다. 광결정 안에 결함 구조를 만들게 되면 결함 주변으로 광자가 구속되는 현상이 일어나게 되는데, 이를 이용하면 매우 높은 품위값 (quality factor)을 가지는 파장 정도 크기의 매우 작은 공진기를 제작할 수 있다. 본 연구에서는 단일 결함 구조에서 나타나는 여러가지 모드들의 특징들을 실험과 3차원 FDTD (finite-difference time-domain) 계산을 통하여 분석하였다. 특히 단일 결함을 약간 변형 하였을 때 관측되는 홀극 모드(monopole mode)는 비축퇴성과 중심의 노드 (node) 때문에 흥미를 끈다. 만약 이 모드가 레이저로 구현된다면 비축퇴성으로 인해 단일 모드로 발진할 수 있고, 중심의 노드는 전기 펌핑의 가능성을 보여준다. 홀극 모드의 레이저 발진은 우선 광펌핑 실험에서 관측되었다. 공기로 둘러싸인 슬랩 구조에서 이 레이저는 매우 짧은 펄스로 동작하게 되는데, 0.3 mW 정도의 매우 작은 문턱값 (threshold)과 2000 이상의 높은 품위값을 측정할 수 있었다. 중심에 있는 노드의 위치에 작은 포스트 (post)를 세운다면, 모드의 다른 특성들은 변화하지 않으면서 포스트를 통해 전류가 흐르는 구조를 만들 수 있다. 이러한 구조는 슬랩 아래에 위치하는 InP 층을 시간을 잘 조절하면서 에칭하여 제작한다. 이 구조를 우선 광펌핑을 통하여 테스트하여 보았는데, 제작된 포스트는 모드를 선택하는 역할 뿐 아니라 열이 빠져나가는 길도 될 수 있음이 실험적으로 확인되었다. 실제로, 상온에서 전류를 흘려서 홀극 모드의 레이저 발진을 관측할 수 있었다. 260μA 정도의 매우 작은 문턱값이 측정되었고 0.25 정도의 매우 높은 자발방출값 (spontaneous emission factor)을 얻을 수 있었다. 저온에서 이 레이저가 구현된다면 표면 비발광 결합 (nonradiative surface recombination)이 비약적으로 억제되어 문턱값은 거의 0이 될 수 있을 것이다. 단일 광자 방출 소스 (single photon source)로의 실현 가능성을 보이는 이 레이저는 양자 정보학 등에서 응용될 수 있을 것이다.
