The generation of coherent light field and its interplay with a matter are key issues in quantum optics and nanophotonics. When the system is implemented in such a small dimension as the cubic-wavelength-sized scale, its dynamic process strongly reflects the nature of a quantum system and provides an indispensable way to study the nonclassical properties of light and its interaction with a matter.
This thesis reports the experimental efforts to construct the high-$Q$ photonic-crystal (PC) nanocavities, which localize light in the mode volume of cubic wavelengths, based on zero-dimensional active materials that confine an electron or single electron-hole pairs. We start by describing the properties of PC structures based on erbium-doped silicon-based materials (Er-doped Si's). The extremely slow core-level transition of Er$^{3+}$ in Si-based photonic crystals was found to be insensitive to any nonradiative processes at the surface. A clear enhancement of Er$^{3+}$ transition was demonstrated by a modification of local density of states with thin films of various refractive indices. Both observations suggest the feasibility of achieving a large Purcell enhancement. However, a relative low refractive index is an impediment to be resolved for a PC nanocavity as well as a band gap itself.
The high-$Q$ PC nanocavities with an atom-like active material was realized based on indium-gallium-arsenide quantum dots (InGaAs QDs). In this system, the large material gain of InGaAs QDs and Purcell enhancement can lead to the advent of a thresholdless laser and a high bit-rate single-photon source. Major concerns were to establish a reliable scheme to fabricate high-$Q$ PC nanocavities and to characterize them in comparision with numerical calculations. The laser-like oscillation in a PC stick resonator, which allows as small mode volume as a PC unit-cell resonator does, demonstrates the possibility of a room-temperature lasing operation in the mesoscopic level of $\sim 10^3$ QDs, prior to a single-QD-level experiment. Finally, the prospect of a high-$Q$ PC nanocavity with a single QD for the cavity quantum-electrodynamics was considered in terms of a Purcell factor, and critical numbers suggested by \emph{J. Kimble}. And the property of a single-QD PC nanolaser was estimated based on a semi-classical model by \emph{P. Meystre} and \emph{M. Sargent}.
The high-$Q$ PC nanocavity based on InGaAs QDs emitting at the wavelength around 1.2 ㎛ is the main result of this work to be utilized in the single-QD-level experiments at the ultralow cryogenic temperature armed with a new detection setup with a high quantum efficiency and a good temporal precision. The large enhancement of extraction efficiency in Er-doped Si-based PCs is also an interesting result that demonstrates the merits of PC and the potential application of Er-doped Si's for the active devices at the technologically important wavelength of 1.5 ㎛.
The generation of coherent light field and its interplay with a matter are key issues in quantum optics and nanophotonics. When the system is implemented in such a small dimension as the cubic-wavelength-sized scale, its dynamic process strongly reflects the nature of a quantum system and provides an indispensable way to study the nonclassical properties of light and its interaction with a matter.
This thesis reports the experimental efforts to construct the high-$Q$ photonic-crystal (PC) nanocavities, which localize light in the mode volume of cubic wavelengths, based on zero-dimensional active materials that confine an electron or single electron-hole pairs. We start by describing the properties of PC structures based on erbium-doped silicon-based materials (Er-doped Si's). The extremely slow core-level transition of $Er^{3+}$ in Si-based photonic crystals was found to be insensitive to any nonradiative processes at the surface. A clear enhancement of $Er^{3+}$ transition was demonstrated by a modification of local density of states with thin films of various refractive indices. Both observations suggest the feasibility of achieving a large Purcell enhancement. However, a relative low refractive index is an impediment to be resolved for a PC nanocavity as well as a band gap itself.
The high-Q PC nanocavities with an atom-like active material was realized based on indium-gallium-arsenide quantum dots (InGaAs QDs). In this system, the large material gain of InGaAs QDs and Purcell enhancement can lead to the advent of a thresholdless laser and a high bit-rate single-photon source. Major concerns were to establish a reliable scheme to fabricate high-Q PC nanocavities and to characterize them in comparision with numerical calculations. The laser-like oscillation in a PC stick resonator, which allows as small mode volume as a PC unit-cell resonator does, demonstrates the possibility of a room-temperature lasing operation in the mesoscopic level of $~ 10^3$ QDs, prior to a single-QD-level experiment. Finally, the prospect of a high-Q PC nanocavity with a single QD for the cavity quantum-electrodynamics was considered in terms of a Purcell factor, and critical numbers suggested by J. Kimble. And the property of a single-QD PC nanolaser was estimated based on a semi-classical model by P. Meystre and M. Sargent.
The high-Q PC nanocavity based on InGaAs QDs emitting at the wavelength around 1.2 ㎛ is the main result of this work to be utilized in the single-QD-level experiments at the ultralow cryogenic temperature armed with a new detection setup with a high quantum efficiency and a good temporal precision. The large enhancement of extraction efficiency in Er-doped Si-based PCs is also an interesting result that demonstrates the merits of PC and the potential application of Er-doped Si's for the active devices at the technologically important wavelength of 1.5 ㎛.
영차원 이득 매질인 Er 원자와 InGaAs 양자점을 이용하여 2차원 박막형 광결정 구조를 제작하였다. 희토류 원소 어븀 (Er) 과 실리콘 양자점, 그리고 실리카 등의 혼합체로 이루어진 광학적 능동매질은 1.5 ㎛ 파장 영역에서 안정적인 발광성질을 갖고 있으며, 실리콘을 기반으로 한 능동형 광소자의 기반 물질로서 많은 연구가 되고 있다. InGaAs 또는 InAs 양자점들은 1.3 ㎛ 파장 영역에서 높은 물질 이득, 열적 안정성, 낮은 문턱 전류 특성들을 갖고 있으며, 3차원적으로 전자와 정공을 감금할 수 있기 때문에 InGaAsP 양자 우물과 함께 광결정 레이저 연구에 활용되고 있다.
본 연구에서는 먼저 굴절률이 2.5 정도인 Er-doped a-Si:H:C 을 이용하여 2차원 광결정 박막 구조를 제작하고, 광결정에 의한 광 방출 효율 증가를 확인해보았다. $SiO_2$ 클래딩이 있는 구조에서는 상대증가율이 5 배 가량 되었고, 클래딩을 제거한 구조에서는 8 배 정도가 되었다. 이와 같은 결과는 전반사 효과로 박막 내부에 구속된 빛들이 광결정에 의해 효과적으로 새어나갈 수 있기 때문이다. Er-doped $Si/SiO_2$ 초격자에서도 광결정 도입에 따른 방출 효율 증가를 측정하였다. 이 경우 2.0 정도로 낮은 굴절률로 인해 광 방출 증가율은 2 배 정도로 제한되었다. 한편 광결정 구조를 도입한 초격자와 광결정 구조를 도입하지 않은 초격자에서 Er 의 자방 방출 시간은 8ms 정도로 동일하게 측정되었다. 이와 같은 사실은 Er-doped Si/SiO$_2$ 초격자가 InGaAsP 양자 우물과는 달리 광결정 표면에서의 비발광 효과가 거의 없다는 것을 나타낸다.
$Si/SiO_2$ 초격자 내부에서 일어나는 Er 의 대단히 느린 자발 방출 천이는 광결정 내부에서 일어나는 자발 방출률 감소 및 증가 등의 동적인 특성을 연구하는데 활용될 수 있을 것이다. 그 가능성을 확인해 보기 위해 동일한 초격자를 어려 시편으로 나누고 그 위에 서로 다른 굴절률을 갖는 박막을 증착한 뒤 자발 방출 시간을 측정하였다. 증착하는 박막의 굴절률이 커질수록 자발 방출 시간은 짧아졌으며, Si 박막을 증착한 경우 원래의 초격자에 비해 최대 3 배 가량 자발 방출률이 증가하였다.
양자점을 이용한 광결정 구조는 특히 단일 광자 광원 (single photon source) 을 쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 면적 밀도가 $10^8/ ㎠$ 인 양자점 웨이퍼에 2차원 광결정 단일 결함 공진기를 제작하면, 그 내부에는 양자점이 한 개정도만 존재하고, 양자점에 감금된 전자-정공 쌍은 한 번에 단 하나의 광자만을 생성시킬 것이다. 본 연구에서는 이와 같은 실험을 위한 선행되는 연구로서, 양자점 2차원 광결정 공진기를 제작하는 방법을 정립하였으며 실험적으로 측정된 공진 모드들을 3차원 시간 영역 유한 차분법에 기반한 이론적 계산 결과와 비교 분석하였다. 실험에서는 상온 실험의 편의와 2차원 광결정 단일 결함 레이저의 가능성을 확인하기 위해서 면적 밀도가 $7 × 10^10/ ㎠$ 인 4-적층 양자점 웨이퍼를 사용하였다. 습식산화, 전자선 리소그라피, 정밀 건식 식각 기법 등을 이용하여 InGaAs 양자점을 기반으로 한 단일 결함 공진기를 제작하였을 때, 상온에서 레이저 발진은 이루어지지 않았으나 Q 값이 2000 이상인 공진 모드를 측정할 수 있었다. 제작된 단일 결함 공진기의 구조에 따른 공진 파장의 변화는 3차원 시간 영역 유한 차분법에 기반한 이론적 계산 결과와 잘 일치하였다. 또한 측정된 모드의 편광 특성도 이론적인 예측과 유사하였다.
선형 결함 공진기는 손실이 거의 없는 선형 결함 도파로 모드에서 기인한 높은 Q 의 공진 모드가 존재한다. 실험에서 제작한 다섯 개의 결함으로 이루어진 선형 결함 공진기는 단일 결함 공진기와 거의 비슷한 모드 크기를 갖고 있다. 또한 이러한 모드를 이용하였을 때 펌핑광의 세기에 따라 레이저와 유사한 L-L 곡선을 측정할 수 있었다. 레이저 실현에 필요한 양자점의 수를 파악하기 위해 반지형 미소공진기 등을 제작하였다. 반지형 미소 공진기의 최소 크기는 내경과 외경이 각각 1.7 ㎛ 와 2.7 ㎛ 이다. 두께는 255nm 이고 습식 산화 된 $Al_xGa_{1-x}O_y$ 층 위에 제작하였다. 제작된 모든 공진기들은 상온에서 780nm 레이저 다이오드로 펄스 펌핑을 해주었을 때, 쉽게 발진에 성공하였다. 입사되는 문턱광강도는 0.4mW 이하였고, 펄스의 폭과 주기는 각각 10ns 와 100ns 였다. 이때, 양자점의 수는 대략 $10^4$ 으로 앞서 언급한 선형 결함 공진기의 경우의 4 배 정도이다.
끝으로 단일 양자점과 높은 Q 값을 갖는 광결정 단일 결함 공진기를 이용한 공진기 양자 전기동력학(cavity quantum electrodynamics) 실험 및 레이저 등의 가능성 등을 이론적으로 살펴보았다.
