Among recent vigorous photonic crystal researches, the photonic crystal lasers become very attractive issue due to their wavelength-scale and flexibility of design. Most of researches for photonic crystal lasers have been focused on photonic bandgap laser. In this research, we demonstrate other type of laser, photonic bandedge laser which has interesting lasing mechanisms. In contrast to that photonic bandgap laser localizes photons spatially into a defect of photonic crystal, the photonic bandedge laser localizes wavevectors into bandedge-points in Fourier space and makes standing waves inside photonic crystal patterns. Therefore, as the photons stay more in the photonic crystal due to low group velocity, the interactions between photons and matters becomes stronger and the photonic bandedge laser can show lasing actions.
In our structure which is two-dimensional photonic crystal free-standing slab structure, the photonic bandedge mode experiences strong feedback effect because of high index contrast. The photonic bandedge laser can be separated into two groups according to light emission direction. One is in-plane-emitting bandedge laser, in which most of light emits along the slab. In order to see in-plane-emitting laser, we fabricated square lattice photonic crystal structure because the quality factors of the bandedge points of square lattice are relatively larger than those of the bandedge points of triangular lattice. InGaAsP quantum well emitting 1.5 ？ is used as gain medium for laser and the square lattice with the lattice constants of 500 nm are perforated into InP slab. We identified the lasing modes from X2 and M2 bandedge points by comparing the lasing wavelengths and the polarization with the theoretical result obtained through the three-dimensional plane-wave expansion method and finite-difference time-domain method. The observed polarization and the simulated mode profile in the Fourier space explain the feedback mechanism of X2, M2 bandedge modes and the emission behavior of in-plane-emitting bandedge laser.
We combined two things, one is that the vertical loss of in-plane-emitting bandedge laser is negligible and the other is that the photonic bandgap laser has very small horizontal loss. Thus we proposed novel hetero-photonic crystal structure consisting of two photonic crystals with different air hole radius. The fabricated lasers are confined within larger hole region by photonic bandgap which is confirmed by IR camera image. This mode has quite high quality factor 50,000 due to the combination of the bandedge mode and the bandgap.
We also observed the surface-emitting photonic bandedge laser in the triangular lattice with 900 nm. In this paper, we reveal the vertical confinement mechanism of F point bandedge mode by group theory and interference. The measured far-field pattern of the surface-emitting laser shows that main radiation direction is vertical to slab but there doesn't exists exact vertical emission as expected by vertical confinement.
In order to get highly-directional vertical emission with narrow divergence angle, we investigated two-dimensional coupled cavity structure. The mode, which has even mirror symmetry for both axes, has a chance to be vertical emitter. In fact, the hexapole-like mode emits light to the vertical direction with some angle. The angle can be narrowed if the single-cell cavities operating as the hexapole-like mode are properly arranged as two-dimensional array.
We shed some light on the characteristics of the various photonic bandedge lasers such as the radiation pattern, lasing mechanisms, mode distribution in Fourier space in this research I expect that these revealed properties can be utilized to design various photonic crystal devices.
최근 활발한 광결정 연구 중에서 광결정 레이저는 파장 정도의 크기와 설계의 용이성으로 인해 매우 흥미로운 주제이다. 대부분 광결정 레이저 연구는 광밴드갭 레이저에 국한되었다. 이 논문에서 우리는 다른 형태의 광결정 레이저인 광밴드 가장자리 레이저를 보이고자 한다. 공간적으로 광결정의 결함에 국한되는 광밴드갭 레이저와는 달리 광밴드 가장자리 레이저는 퓨리에 공간에서 웨이브벡터를 국소화시키고 광결정 패턴내에 정상파를 만든다. 따라서 작은 군속도로 인해 광자가 광결정 내에 오래 머물게 되고 광자와 물질의 상호작용이 커져서 광밴드 가장자리 레이저는 발진하게 된다.
본논문에서 보이는 2차원 프리 스탠딩 슬랩 구조에서 제작된 광밴드 가장자리 레이저는 높은 굴절율 차이로 인해 강한 되먹임을 가지게 된다. 이 광밴드 가장자리 레이저는 빛의 방출방향에 따라 크게 두가지로 나눌 수 있다. 하나는 슬랩을 따라 빛을 방출하는 in-plane-emitting 레이저이다. 이를 보이기 위해 비교적 품위값이 큰 사각격자를 선택해서 1.5μm 의 빛을 내는 InGaAsP 양자우물에 500 nm의 격자주기를 가진 공기구멍을 뚫어서 제작했다. 측정된 레이저의 모드 X2, M2의 파장과 편광을 3차원 평면파 전개법과 유한미분 시간영역법으로 구한 이론적 결과와 비교하여 모드를 확인하였다. 측정된 편광과 퓨리에 공간에서의 모드의 분포는 X2, M2 밴드 가장자리 모드의 되먹임 기작을 설명하고 in-plane-emitting형태 레이저의 방출을 설명한다. 그리고 본 논문에서는 in-plane-emitting형태 레이저가 슬랩 위아래로 나가는 광손실이 매우 작고 광밴드갭 레이저는 슬랩에 평행한 방향으로 광손실이 작은 것을 결합하여 다른 크기의 공기구멍을 가진 두개의 광결정으로 이뤄진 새로운 형태의 이종구조 광결정 레이저를 제안한다. 적외선 카메라로 관찰한 사진을 통해 제작된 레이저가 광밴드갭에 의해 국소화되는 것을 관찰하였다. 이 모드는 광밴드 가장자리 모드와 광밴드개 모드의 결합을 통해 50000이라는 상당히 높은 품위값을 가지고 있다.
본 논문에서는 격자 상수 900 nm를 가지는 삼각형 격자에서 surface-emitting형태의 광밴드 가장자리 레이저도 관찰하였다. 여기서 감마 점 광밴드 가장자리 모드의 수직방향으로 빛을 가두는 기작을 그룹 이론과 간섭을 통해 설명하였다. surface-emitting레이저의 측정된 먼장 모양은 주된 방출 방향은 슬랩에 수직에 가깝지만 정확한 수직방향의 방출은 금지됨을 보였다. 그리고 수직으로 좁은 분산각을 가지는 방출을 얻기 위해서 이차원 결합된 공진기 구조를 제안하였다. 두축에 대해 모두 양의 대칭성을 가지는 모드는 수직방출기가 될 수 있다. 실제로 헥사폴 같은 모드는 수직방향으로 빛을 방출한다. 이때, 헥사폴로 동작하는 단일세포 공진기를 적절히 2차원으로 배열하면 그 방출각을 더욱 줄일 수 있다. 우리는 이 연구를 통해 방출모양, 발진기작, 퓨리에 공간에서 모드의 분포 등과 같은 광밴드 가장자리 레이저의 특성들을 밝혔다. 나는 이와 같이 밝혀진 성질들이 다양한 형태의 광결정 소자를 제작하는 데 이용될 수 있을 것이라 믿는다.
