The smallest possible laser has long been a challenging and exciting issue in the laser and quantum optics communities. Owing to advances in semiconductor crystal growth and fabrication techniques, lasing actions in various micrometer-size cavities in solids have been successfully performed. The size of semiconductor micro-lasers has become truly wavelength-scale as witnessed by the demonstration of photonic crystal nano-cavities. Particularly, high-quality photonic crystal cavities down to the wavelength scale offer the distinct possibility of a thresholdless laser and a single photon source. Strong coupling phenomena have also been experimentally observed in photonic crystal cavities containing semiconductor quantum dots. However, a number of issues, such as a fully three-dimensional analysis of light-matter interaction in photonic crystal cavities, an electrically driven lasing operation for a practical device, and spectral and spatial tuning of the resonant modes of the photonic crystal, remain to be addressed before it is possible to practically realize these high-performance optical applications. In this thesis, solutions for the issues are proposed and demonstrated, representing small but meaningful steps toward the ultimate creation of quantum optical devices using wavelength-scale photonic crystal cavities.
First, a three-dimensional finite-difference time-domain method that can handle dispersive and dynamic nonlinear-gain media such as semiconductor quantum wells and quantum dots is proposed and realized. The effect of carrier diffusion is included through the formulation of laser rate equations. Through this three-dimensional nonlinear gain FDTD method, rich laser-dynamics behaviors, such as the lasing threshold, the relaxation oscillations, and the spatial hole burning, are directly observed from a hexapole mode. Also examined and measured are interesting characteristics of Rabi splitting between a wavelength-scale PhC cavity mode and a single quantum dot in the strong coupling regime. It is expected that the proposed method will contribute to the study of the semiclassical aspects of cavity quantum electrodynamics.
Second, based on an n-i-p doped slab structure containing InGaAsP multiple quantum wells, an electrically driven single-cell photonic crystal laser operating in a single hexapole mode is reported. Electrical current is supplied through a sub-micrometer-sized current post beneath the cavity center. This wavelength-scale single-cell photonic crystal laser operates in a single mode with a low threshold current of ~100 $\mu A$ at room temperature. The hexapole mode is known to have a Q factor over $10^6$ ; moreover, through a simple modification, the output of the hexapole mode can be collected vertically at a high level of efficiency. Operation in the hexapole mode is confirmed by the near-field profile, far-field polarization, and via a finite-difference time-domain computation based on a fabricated cavity structure. In addition, to obtain better mode discrimination, six PhC waveguides are introduced into a photonic crystal single-cell cavity. The waveguides spoil the quality factors of the quadrupole modes but do not affect the quality factor of the hexapole mode due to the parity mismatch between the hexapole and the waveguide modes. The waveguides also act as efficient carrier paths that reduce the nonradiative surface recombination. The waveguide-coupled single-cell PhC laser operates in single hexapole mode with a side mode suppression ratio of ~25 dB. This electrically driven photonic crystal laser will be an ideal platform for practical single photon sources for quantum information.
Third, a small but meaningful step toward electrically driven photonic crystal cavities based on InGaAs/GaAs quantum dots is described. High-quality photonic crystal cavities in a GaAs wafer containing InGaAs quantum dots were fabricated precisely using electron beam lithography techniques. First, resist hardening by electron-beam irradiation was done, which was followed by optimization of the electron beam via carbonaceous nano-dot deposition. Additionally, brief description is given of the InGaAs/GaAs quantum dot wafer design for electrical pumping, and the electrically isolated mesa structure is demonstrated using a quantum dot wafer.
Fourth, a novel spectral tuning method for the photonic crystal high-quality resonant mode, in steps finer than 0.2 nm via electron beam induced deposition of carbonaceous nano-dots, is proposed and demonstrated. The position and size of the nano-dots, with diameters of <100 nm, are controlled to an accuracy on the order of nanometers. The possibility of selective modal tuning is also demonstrated by placing nano-dots at locations pre-determined by theoretical computations. The lasing threshold of a photonic crystal mode tends to increase when a nano-dot is grown at the point of a strong electric field, showing the absorptive nature of the nano-dot.
Also proposed and demonstrated here is a wavelength-scale cavity that is generated by printing a carbonaceous nano-block on a photonic crystal waveguide. The nanometer-size carbonaceous film is grown in a pre-determined region via an electron-beam-induced deposition method. The printed photonic crystal cavity operates as a single mode laser, near 1550 nm with threshold of ~100 $\mu W$ at room temperature. Finite-difference time-domain computations show that a high-quality-factor cavity mode is defined around the nano-block with a resonant wavelength slightly longer than the dispersion-edge of the photonic crystal waveguide. Measured near-field images exhibit a photon distribution that is well-localized on the top of the printed nano-block. It is believed that the nano-tuning and nano-printing of the photonic crystal wavelength-scale cavity will provide a key component in practical quantum optical systems.
Lastly, the modal characteristics of a single-GaN nanowire cavity with a triangular cross-section surrounded by air or located on a silicon dioxide substrate are analyzed. Two transverse resonant modes, transverse electric-like and transverse magnetic-like modes, are dominantly excited for nanowire cavities that have a small cross-sectional size of <300 nm and a length of 10 $\mu m$. Using the three-dimensional finite-difference time-domain simulation method, quality factors, confinement factors, single-mode conditions, and far-field emission patterns are investigated for a nanowire cavity as a function of one length of the triangular cross-section.
자연계에서 가능한 최소 크기의 레이저를 구현하는 것은 레이저 및 양자 광학 학계의 중요하고도 도전적 주제로 여겨져 왔다. 반도체 결정 성장과 나노 공정 기술의 발달에 힘입어, 마이크로미터 크기를 가진 다양한 구조의 공진기 레이저들이 성공적으로 구현되어 왔다. 그리고 광결정 공진기의 구현에 의해 레이저의 크기는 마침내 빛의 파장 정도 크기에 불과하게 되었다. 특히 매우 높은 품위값을 가진 파장 정도 크기의 광결정 공진기는 문턱이 없는 레이저 및 단일 광자원 구현을 가능하게 할 것으로 기대되며, 여기에 더불어 공진 모드와 양자점과 같은 이득 매질이 양자 전기 역학적으로 강한 결합을 가질 때 나타나는 물리적 현상들도 파장 크기의 광결정 고품위 공진기에서 구현되어왔다. 하지만 극미세 광결정 레이저에 있어서 해결되어야만 하는 많은 이슈가 남아있으며, 특히 빛과 매질간의 상호작용을 분석할 수 있는 전산 모사의 개발, 광결정 공진기 모드의 공진 파장을 정교하게 튜닝하는 방법, 원하는 위치에 광결정 공진기를 형성하는 방법 등이 학계의 중요한 이슈로 남아 있다. 또한 실제적인 광소자로서 이용되기 위해 지금껏 광펌핑으로 구동되던 것을 넘어 전류로 구동하는 것이 필요하다.
본 논문에서는 첫번째로 파장 분산을 가지는 능동 매질을 다룰 수 있는 3차원 유한 차 시간 영역 전산 모사 방법을 제안하고 개발하였다. 이를 통하여 광결정 공진기 모드와 이득 매질 간의 상호 작용을 전산 모사할 수 있으며, 특히 광결정 공진기 레이저 구동의 동역학적 특성과 양자 전기 역학의 강한 결합에서 예견되는 광결정 고품위 공진기와 양자점 사이의 Rabi-splitting을 전산 모사하였다. 두번째로 실제적인 광소자로서의 광결정 극미세 레이저를 위하여 마이크로미터 미만의 크기를 가진 전류 기둥을 공진기 중심에 도입한 구조를 이용하여 전기로 구동되는 단세포 광결정 공진기 레이저 구현에 성공하였다. 구현된 레이저는 단세포 광결정 공진기의 공진 모드들 중 가장 높은 품위값을 가지는 육각형 모드를 이용하였으며, 약 100 $\mu A$ 의 매우 낮은 레이저 문턱값에서 동작하였다. 육각형 모드는 간단한 변형을 통해 방향성있는 광방출이 가능하여 기존의 광학 시스템에 높은 효율로 빛을 집속하는 것이 가능하여 실제적 단광자원으로서의 높은 가능성이 기대된다. 여기에 더불어 단세포 공진기에 광결정 도파로를 도입하여 육각형 모드를 제외한 나머지 모드들을 억제시켜 25dB이상의 높은 주변모드 억제율을 얻을 수 있었다. 세번째로 전류 구동 고효율 단광자원을 위한 단계로 양자점을 포함한 전류 구동 극미세 광결정 공진기 구현에 관한 연구를 진행하였다. 전류 구동을 위한 InGaAs/GaAs 양자점 웨이퍼의 설계와 전자빔 리소그라피의 정확성 개선, 양자점을 포함한 매우 높은 품위값을 가지는 광결정 공진기 제작에 성공하였으며, 앞으로 전류 구동 양자점 고품위 광결정 극미세 레이저 구현을 위해 연구를 수행 중이다. 네번째로 전자빔에 의한 나노 구조 제작법을 이용하여 파장 정도 크기의 광결정 공진기 위에 수 ~ 수십 나노미터 크기의 나노점을 형성하여 매우 정밀하게 공진 모드를 튜닝할 수 있다. 0.2 nm이하의 정확도가 가능하며, 공진 모드의 전기장 분포를 고려하여 나노점의 위치를 달리하면 원하는 공진 모드만을 선택적으로 튜닝하는 것이 가능하다. 다섯번째로 전자빔에 의한 나노 블록을 광결정 도파로 중간에 형성시켜 그 부분만 굴절률을 변화시킬 수 있는 것에 착안하여, 원하는 곳에 파장 크기의 광결정 공진기 레이저를 형성 즉 그릴 수 있는 방법을 제안 구현하였다. 구현된 광결정 레이저는 100 $\mu W$ 의 낮은 문턱값에서 동작하며 동시에 나노 불록의 위치에 따라 품위값과 광방출 특성을 원하는대로 제어할 수 있다. 마지막으로 앞으로 새로운 광소자로서 기대되는 반도체 나노선 공진기의 공진 모드들의 광학적 특성을 유한 차 시간 영역 전산 모사를 통하여 분석하였다. 본 논문에서 제안하고 구현한 결과들은 실제적이고 궁극적인 양자 광원을 위한 의미있는 단계가 될 것으로 기대한다.
