The stable single fundamental mode vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) with small divergence is advantageous for reliable high speed data transmission. In addition to the single mode operation, the control and stabilization of output polarization are essential for most applications requiring high performance. In particular, for polarization-sensitive systems dealing with 10-Gbit/s-class high speed modulation or free space interconnect, the stable polarization promises improved performance. Previously, photonic-crystal vertical-cavity surface-emitting lasers (PC-VCSELs) have been demonstrated to be effective for transverse mode control. And the polarization control of triangular PC-VCSELs has also been reported by the modification of circular holes into elliptical air holes. However, the investigation for the origin of polarization selection in PC-VCSEL has not been performed.
In this research, square-lattice PC-VCSELs with relatively low symmetry are proposed and demonstrated. Square-lattice photonic-crystal patterns of various lattice constants are introduced on top mirrors of VCSELs having two different current apertures. The maximum single mode output power of about 1 mW is obtained from the device with lattice constant of 5.0㎛ and current aperture of 16㎛. The PC-VCSEL operates in a single transverse mode in an entire operating current range with a side mode suppression ratio of over 20 dB. Furthermore, perfect polarization control has been achieved by asymmetric configuration of small air holes. To understand the physical origin of strong polarization selectivity in square-lattice PC-VCSELs, the quantum well loss difference between two competing polarizations by using misoriented substrate and optical loss difference by asymmetry of photonic crystal pattern have been investigated by measuring the subthreshold spectral linewidth. From the results, the polarization of regular PC-VCSELs with symmetry has been determined by crystallographic direction of misoriented substrate. Modified PC-VCSELs with asymmetry maintain the polarization along the direction of two small air holes independent of the crystallographic orientation. This result implies that the effect of asymmetric photonic-crystal pattern is larger than that of crystallographic orientation by using misoriented substrate. The effect of carrier distribution on polarization has been investigated by plane expansion method and optical pumping experiment. The results demonstrate that carrier distribution is one of factors having an effect on polarization selection.
수직 공진 표면 광 레이저를 단일 모드 광섬유를 사용하는 고성능의 광연결 장치나 자유공간 전송을 요구하는 광통신 분야에 응용하기 위해서는 안정적인 단일 모드 동작 특성이 요구된다. 또한 한쪽 방향으로 조절된 안정적인 편광 특성은 낮은 주파수 대역에서 낮은 RIN(relative intensity noise) 값과 광 펄스의 뒤틀림을 줄여 고성능의 10-Gbit/s 고속 변조 등에 적용 시 보다 높은 성능을 보장할 수 있다. 이와 같이 수직 공진 표면 광 레이저에서 안정적인 단일 모드와 편광 특성을 좀 더 용이하게 얻기 위해 제안된 방법이 광 결정 수직공진 표면 광 레저이다. 광 결정 수직 공진 표면 광 레이저는 기존의 표면 광 레이저의 상부 반사경에 공기 구멍을 주기적으로 배열한 광 결정 구조를 도입한 레이저이다. 광 결정 구조의 중심에는 하나의 공기구멍이 빠져있고 이곳은 공기구멍이 있는 주변보다 상대적으로 높은 굴절율을 갖게 되어 이 영역으로 빛이 인도된다. 이때 중앙과 공기구멍이 주기적으로 배열된 주변 영역의 유효 굴절율 차이가 하나의 횡 모드만 인도될 수 있도록 공기구멍의 크기, 주기, 깊이 등이 조절되어야 한다. 또한 중앙보다는 외곽 부분에서 높은 이득을 얻는 고차 횡 모드는 도입된 공기구멍으로 인하여 더 높은 손실을 겪게 되어 단일 횡 모드만의 발진이 더욱 유리해 진다. 이러한 광 결정 수직 공진 표면 광 레이저의 제작 초기에는 삼각형 격자 구조로 공기구멍을 도입하여 단일 횡 모드를 얻어냈다. 또한, 공기구멍 모양을 가로나 세로로 길게 늘인 직사각형으로 바꾸어 줌으로써 광 결정 구조에 비등방성을 유발하여 편광 특성을 한 방향으로 조절하였다. 그러나, 이러한 사각형 공기 구멍은 제작시 포토 리지스트 두께등에 따라 타원 모양이나 원형에 가깝게 변형되어 높은 편광 선택성을 얻어내는데 어려움이 있었다. 또한, 광 결정 구조의 비등방성에서 비롯된 편광 선택성의 원인에 대한 실험적 조사와 분석이 이루어 지지 않았다. 본 연구에서는 제작이 용이한 원형 고기 구멍을 유지한 상태로도 쉽게 광 결정 구조에 비등방성을 도입할 수 있으며 상대적으로 성긴 구조로 좀 더 큰 모드 크기를 얻을 수 있을 것으로 기대되는 사각형 격자 구조를 도입한 사각 격자 광 결정 수직 공진 표면 광 레이저를 제안하고 제작하여 그 특성을 조사하였다. 전류 제한 구경에 따라 주기를 조절함으로써 상대적으로 높은 1mW 정도의 단일 횡 모드 광 출력을 얻었고 작은 공기 구멍을 가로나 세로로 배치하는 방식으로 광 결정 구조에 비등방성을 도입함으로써 편광이 완벽하게 조절되는 것을 보였다. 또한, 이러한 편광 선택의 원인을 조사하기 위해 편광 특성에 영향을 주는 요인들에 대해 조사하고 그 영향을 분석하였다. 그 결과 편광 특성에 영향을 주는 요인으로는 크게 세가지가 있음을 알 수 있었다. 기판의 결정 축 방향의 기울어짐으로 인하여 발생될 수 있는 편광에 따른 양자 우물에서의 손실차이, 광 결정 구조에 도입된 비등방성에 따른 두 편광의 광학적 손실차이, 전류제한 구경과 광 결정 구조의 상대적인 위치에 따라 달라질 수 있는 운반자 밀도의 공간적 분포 차이 등을 들 수 있다. 등방성을 가진 광결정 구조를 가진 소자와 비등방성을 가진 소자에 대해 각각 공진기 손실 차이를 자발 방출 구동 전류 대역에서 스펙트럼 선폭 측정을 통해 측정하였다. 편광에 따른 스펙트럼 선폭 측정으로부터 얻은 공진기 손실 차이를 분석한 결과, 광 결정 구조가 등방성을 가진 경우, 편광은 기울어진 기판의 사용에서 유발되는 결정축 방향에 따른 양자우물에서의 손실차이에 의해 결정되며, 비등방성인 경우에는 광 결정 구조에 도입된 비등방성에 따른 광학적 손실차이에 의해 편광이 선택되는 것을 알 수 있었다. 특히 비등방성이 기판 방향과 수직한 경우에도 편광은 광 결정 구조에 따라 결정됨이 보여졌다. 이것은 광 결정 구조의 비등방성이 기판의 기울어짐보다 편광 선택에 더 큰 영향을 준다는 것을 보여준다. 이는 기판 방향에 관계없이 광 결정 구조 만으로도 편광 방향을 조절할 수 있고 기판의 결정 방향과 광 결정 구조의 비등방성 방향을 일치시킴으로써 더욱 안정적인 편광 특성을 얻을 수 있음을 의미한다. 편광에 영향을 줄 수 있는 세 번째 요인으로는 운반자 밀도의 분포이다. 2차원 평면파 전개 방법으로 기본 모드의 전기장을 계산하고 편광이 다른 두 모드들의 규격화된 전기장 분포 차이를 계산하여 본 결과 각 편광의 전기장 강도가 센 부분이 광 결정 구조 내에서 공간적으로 다르게 분포함을 관찰하였다. 이것은 운반자가 상대적으로 많이 공급되는 위치에 따라 편광이 선택될 수 있는 가능성을 보여주는 것으로 이를 확인하기 위해 광펌핑 실험이 실시되었다. 펌핑 빔의 위치 조절을 통해 상대적으로 운반자의 밀도가 높은 위치를 바꾸어 줌으로써 운반자 밀도 분포의 변화에 따라 편광특성이 변화될 수 있음을 관찰하였다.
