We used the symmetry in whispering-gallery modes (WGMs) to implement various optical properties. In microdisks or photonic crystal (PC) single-cell resonators, one can find the WGMs consisting of the electric dipoles with alternating phases. By adding or subtracting the symmetry of the structures, we achieved single-mode operation and strong directionality from both microdisk and PC resonator.
First, we propose and realize truly single-mode, single-cell PC lasers surrounded by six symmetric waveguides. The waveguides provide different parity-selective loss paths for different resonant cavity modes. We found symmetry conditions that only the hexapole-mode is well confined while the other modes are severely leaky along the waveguides. Utilizing the parameters derived from this parity-mismatch principle, the hexapole-mode resonators were fabricated on InP-InGaAsP slabs. Through photo-pumping, we obtained the hexapole-mode laser operating in a single-mode over a wide range of around 100 nm. We expect that the mode-selection mechanism relying upon the parity-mismatching of the cavity- and the waveguide-mode will be generally utilized in other photonic crystal structures to suppress unwanted modes.
Second, we propose and realize the photonic quasicrystal (PQC) single-cell resonator based on a InP-InGaAsP free-standing slab. A well-defined hexapole-like localized state following a $C_6$ symmetry is identified from the PQC single-cell resonator. In this type of hexapole mode, the electromagnetic energy is strongly concentrated on the dielectric region, in contrast to that in a triangular lattice photonic crystal. By tailoring the structural parameters, the hexapole mode shows a maximum theoretical quality factor of ∼ 20000. The PQC single-cell resonator lases in a single hexapole mode with a threshold of ∼ 0.6 mW at room temperature.
Lastly, few-micron sized elliptically deformed InGaAsP-InP microdisk lasers are fabricated and highly directional emissions are observed along the direction perpendicular to the surface of highest curvature. As the size of the elliptical microdisk is reduced, both the azimuthal angular spreading and the number of lobes become smaller. The improved directionality of the smaller structure is attributed to the enhanced tunneling loss at the high curvature surfaces. The far-field radiation is linearly polarized. Charge-coupled-device images confirmed the existence of strong near-field emission in the vicinity of high curvature surfaces. With the similar analogy on the directionality in the elliptical microdisk, we can observe strong directionality from the modified hexapole-mode in the PC single-cell resonator. To break the symmetry of the structure, we make the size of the air-holes on the x-axis bigger than other ones.
In conclusion, we succeeded in attaining single modeness, highly beaming-effect from the WGMs in the microcavities including PC single-cell resonator and few-micron microdisks. We expect that these good properties will be of importance to realize single-photon sources in the near future.
단일모드 발진과 수집효율의 증대를 위해 광결정 단세포 공진기와 미소원반 구조에서 발견되는 속삭이는 회랑모드의 대칭성을 활용하였다. 먼저, 2차원 박막 형태의 광결정 단세포 공진기와 도파로가 결합된 구조를 통해 신뢰성 있는 단일모드 레이저 구현이 가능함을 밝혔다. 일반적으로, 광결정 단세포 공진기 내에는 구조의 회전 대칭성으로 인해 다양한 기본 모드들이 광 밴드갭 내에 등장하게 된다. 따라서, 통상적인 반도체의 이득 폭을 고려할 때, 대개 두 모드 이상이 레이저 과정에 참여하게 되거나, 특정 조건에서 단일모드를 얻는다 하더라도 모드 간의 상호경쟁의 결과로 인해 넓은 범위에 걸친 단일모드 실현은 매우 까다롭게 된다. 이 연구에서는 단일모드 레이저 구현을 위해, 단세포 공진기 주위에 광결정 도파로를 도입하였으며, 공진기 모드와 도파로 모드 사이의 거울 대칭성 정합 여부에 따라 육각 대칭성을 가지고 있는 특정 모드(hexapole-mode)만이 높은 품위값을 유지함을 이론적으로 확인하였다. 이를 바탕으로, 전자빔 식각 과정을 통해 도파로가 결합된 광결정 단 세포 레이저를 제작하였으며, 약 100nm의 파장 범위에 걸친 단일모드 레이저를 실현하였다.
다음으로, 광원의 방출 이후 검출기 영역에서의 수집효율 향상을 위해 강한 방향성을 나타내는 미소공진기 구조를 고안하였다. 특히, 속삭이는 회랑모드와 같이 높은 회전 대칭성을 나타내는 공진모드는 구조가 대칭성을 잃게 될 때, 특정 방향으로 빛이 강하게 방출되는 것을 발견하였다. 광결정 단세포 공진기 내의 육각 모드의 경우 구조의 대칭성을 잃게 하는 방법의 하나로 x축에 위치한 공기 구멍의 크기를 다르게 설정할 때, 수직으로의 강한 방향성을 관찰할 수 있었다. 마찬가지로, 미소원반의 경우 원형의 구조체를 타원형으로 변형시킬 때, 수평으로 특정 각도 내에 대부분의 방출이 집중되어 있었다. 마지막으로 12각 준광결정 단세포 공진기 내에 존재하는 공진모드에 대해 연구하였다. 준광결정 구조는 엄밀한 의미에서 주기성을 만족하지 않지만, 단세포 공진기 내에 높은 품위값을 가지는 공진모드들이 발견되었다. 각 기본 공진모드들은 스펙트럼 상에서 띄엄띄엄 분포하고 있어 단일모드 발진에 유리한 측면을 가지고 있다. 특히, 육각 모드의 경우 삼각 격자 구조와는 다르게 전기장의 분포가 유전체 영역에 집중되어 있는 특징을 가지고 있다. 전기장 분포의 천이 현상은 광 밴드갭을 둘러싸고 있는 두 밴드 중 어떤 밴드에 의해 모드가 기원되는지에 의해 결정된다는 것을 밝혀내었다. 이 연구를 통해 확립한 단일모드 발진, 강한 방향성, 유전체 영역 내의 전기장 분포 등과 같은 성질들은 앞으로 보다 효율적인 미소광원 제작과 나아가 단일광자 광원 개발에 있어 크게 이바지 할 것으로 예상한다.
