Many researchers have tried to control the light using two-dimensional photonic crystal slab structure because of the fabulous three-dimensional confinement of the light. However, most of researches were related to the control of the light propagating along the slab. In this research, I have studied about the control of the incident light from the outside of the slab. At first, to understand the coupling property between the incident light and the photonic crystal slab mode, reflection and transmission characteristics were investigated by numerical calculation using periodic finite-difference time-domain methods and experiments using SOI(Silicon-On-Insulator) wafer. The Fano-resonance in the photonic crystal (PC) with triangular lattice air holes does not occur clearly in the normal incidence case due to the symmetry mismatch.
By using the Fano-resonance phenomenon, we experimented the resonant photon detection with the photonic crystal modified coupled cavity arrays (MCCA). For the efficient photon detection, we used the dipole-like mode which has an inherent vertical radiation property. From the FDTD calculation, the structure is optimized to enhance the vertical coupling. For the photon detection, we fabricated the detector sample using the highly-doped n-i-p hetero-structure with InGaAsP/InP 6 quantum wells. By introducing the mesa structure, the current leakage was minimized. By measuring the photoluminescence and the reflectivity of fabricated sample, two dipole-like modes with different polarization states was confirmed experimentally and numerically. We achieved over 20-fold enhancement of the photocurrent in comparison with bare sample at a resonance wavelength.
Finally, we have tried to control the incident light by one-dimensional metallic photonic crystal. To understand the optical properties in the metallic structure, we developed the new FDTD code with Drude model. The conventional metallic stripe array structure was prepared on the thin ITO layer. In transmission spectra of the TE polarization, the very strong asymmetric resonance, the Fano-resonance, was observed which is related to the ITO guided mode. In case of TM polarization, the strong coupling behavior between the ITO guided mode and the surface plasmon mode was observed. We also fabricated vertically-standing nanometal structures by Ar ion sputter redeposition method. Typical thickness and height of the vertical thin film structure are 25nm and 120nm, which can be controlled by the process conditions. In the vertical thin film structure, unlike in the conventional metallic stripe structure, the surface plasmon resonance was hardly excited with TM-polarized light, because the width of metal films was much smaller than the wavelength of the light. In TE polarization, typical Fano-resonance was clearly observed. This surface-plasmon-free nanometal structure could be used for wide-spectral-range linear polarizer.
지금까지 수많은 과학자들에 의해 2차원 광결정 박막 구조에서 광 밴드갭 효과를 이용하여 빛을 제어하는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 대부분의 경우, 광결정 박막을 따라 진행하는 빛의 제어에 관한 것이었다. 반면 외부에서 입사하는 빛이 광결정 박막에 의해 어떻게 제어되는지에 관한 연구는 그리 많지 않다. 본 연구에서는 다양한 물질을 이용하여 광결정 박막을 제작, 투과 또는 반사를 살펴봄으로 얇은 광결정 박막 구조에 의한 빛의 제어 특성을 살펴보았다.
외부에서 2차원 광결정 박막으로 입사하는 빛은 박막 내에 존재하는 광결정 모드 중 light line 안쪽인 leak guided mode와 결합하게 되면서 Fanoresonance 현상을 일으킨다. 이때 공진 파장 부근에서 투과 또는 반사가 급격히 변하게 되는데 이는 박막에 의한 Fabry-Perot 공진 현상과 광결정 모드에 의한 공진 현상 간의 상호 간섭에 의한 결과이다. 이러한 Fano-resonance 현상을 이해하기 위해서 먼저 FDTD 계산을 통해 수직 또는 매우 작은 입사각을 가지는 빛과 결합하는 광결정 모드에 대해 살펴보았다. 이를 바탕으로 SOI wafer를 이용하여 광결정 박막을 제작, 반사율 스펙트럼을 측정하여 Fanoresonance에 의한 반사율 변조를 확인하였다.
광결정 모드와 결합한 외부 입사 빛은 모드의 높은 품위 값에 의해 오래도록 박막 내에 머무르다 빠져나가게 되는데, 이때 박막 내에 광검출을 위한 능동 매질을 도입한다면 얇은 박막 구조만으로도 효과적인 광 검출이 가능하리라 예상된다. 광결정 박막을 이용한 광검출을 구현하기 위해, 수직으로 입사하는 빛과 결합 효율이 좋은 광결정 모드를 FDTD 계산을 통해 설계하였다. 광검출에 적합한 모드로 수직 결합 효율이 좋은 광결정 dipole-like mode를 이용하였는데, 이때 외부 광과의 결합 영역을 넓히고 모드의 품위 값을 높여 박막에 오래도록 머무르게 하기 위해 MCCA(Modified Coupled Cavity Array) 구조를 사용하였다. 설계한 구조의 수직 결합 특성을 살펴보기 위해 InGaAsP/InP 단일 양자 우물 구조가 삽입된 광결정 MCCA 박막 구조를 제작하여 반사율 스펙트럼과 발광(PL) 스펙트럼을 측정하였다. 입사 빛의 편광에 따라 서로 다른 파장 영역에서 Fano-resonance와 높은 PL이 발견되는데, 이는 외부광과 dipole-like mode와의 결합에 의한 것임을 확인하였다. 이를 바탕으로 전기적 특성을 지닌 nip 구조의 InGaAsP/InP 다층 양자 우물 능동 매질을 이용하여 광 검출을 위한 시료를 제작하였다. 제작시 Mesa 구조를 도입하여 전류 손실을 최소화 하였다. 제작된 시료를 이용하여 광검출 실험을 수행한 결과, 서로 다른 선 편광 입사 빛에 대해 서로 다른 파장에서 광 검출 효율이 증가하였는데, bare 구조와 비교하여 최대 25배 증가된 광전류를 측정하였다. 이러한 특성을 이용할 경우 파장 필터와 편광 필터가 결합된 아주 간결한 구조의 신개념 광 검출기로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
또한 최근에 많은 연구가 이루어지고 있는 금속 광결정을 이용하여 외부 입사 빛을 제어하는 방법에 대해 살펴보았다. 먼저 금속 표면에서 일어나는 표면 플라즈몬 현상에 대해 살펴보았다. 금속에서의 광학 특성을 이해하기 위해 Drude model이 적용된 FDTD 코드를 개발하였고, 실제 금과 은으로 1차원 금속 격자 구조를 제작하였다. 편광에 따른 투과율 스펙트럼을 통해 금속 격자 구조에서 발생하는 표면 플라즈몬 현상과 다양한 Wood’s anomaly 현상을 분석하였다. TE 편광에서는 강한 Fano-resonance를 발견할 수 있었는데 이는 전자빔 리소그라피를 위해 코팅된 ITO 층에 의한 waveguide anomaly 현상이다. TM 편광에서는 표면 플라즈몬 공진 현상과 ITO 층에 의한 waveguide anomaly 현상의 결합에 의한 심한 투과율 변조 현상을 발견할 수 있었다. 또한 독자 개발한 방법인 이온 스퍼터링을 통한 금속 재증착 방식을 이용하여 전자빔 리소그라피의 한계를 극복한 폭이 아주 얇고 수직으로 높게 서있는 금속 격자 구조를 제작하였다. 주기와 입사각을 달리하며 투과율을 측정한 결과, 이 구조에서는 금속 격자 폭이 매우 얇아서 표면 플라즈몬 현상이 생기기 힘들었다. 특별히 금속 격자의 폭에 따른 투과율 변조의 크기를 살펴봄으로써, 표면 플라즈몬 현상과 Fano-resonance 현상이 투과율 스펙트럼 상에서 강하게 나타나기 위해서는 금속 격자 구조가 skin depth 이상의 크기를 가져야 함을 확인 하였다. 향후 독자 개발한 이온 재증착 방식을 통해 수직으로 서있는 구조를 제작할 경우 표면 플라즈몬 여기가 억제된 금속 소자의 제작이 가능하리라 기대된다.
