In this thesis, we propose and demonstrate a novel approach toward the ultimate thresholdless laser based on the photonic crystal. To realize the thresholdless laser, mode volume of the cavity should be small and Q factor should be high. Photonic crystal laser is a strong candidate for the ultimate thesholdless laser. Photonic crystals are periodic structures of dielectric materials with different refractive indices. Their periodicity generates a photonic band gap where light in some frequency region cannot propagate in the photonic crystal structure. The photonic crystal cavity can be made by introducing defects into the periodic dielectric structure. Since a photonic crystal cavity with spectral tunability by modifying structural parameters can be designed to have a wavelength-scale mode volume and strong resonance, the cavity mode offers good spatial confinement of light as well as strong light intensity. Photonic crystal cavity is able to get high Q factor and a small mode volume by photonic band gap and high refractive index contrast.
First, we propose the zero-cell photonic crystal cavities which have the ultrasmall mode volume. The zero-cell photonic crystal cavities consisting only of the shift of two or four lattice points without removal of any holes in the square lattice structure. Three dimensional finite difference time domain (3D FDTD) simulation shows that these cavities have the ultrasmall wavelength-scale mode volume. And we successfully demonstrate the single mode lasing. These lasers can be a strong candidate for the thresholdless laser.
Second, we study the nanobeam photonic crystal lasers for the electrical pumping. Recently, nanobeam lasers which confine the light using 1D PBG and 2D TIR are reported. Nanobeams achieve ultrahigh Q-factors and small mode volume, exceeding those of the 2D photonic crystal lasers. Although proposed more than a decade ago, it was only recently shown that this architecture was capable of supporting ultrahigh Q-factor cavities with dimensions on the order of a cubic wavelength in material. Since then, there have been a host of demonstrations, including optomechanical crystals, nanocavities strongly coupled to waveguides and lasers. So far, most of nanobeam lasers have been operated by optical pumping. To take full advantage of these photonic crystal lasers, it would be desirable to operate them by electrical injection which is a critical step for most practical applications of a photonic system. So, we propose the nanobeam structures with the central post functioning as a current path and heat sinker. As a preliminary step to the electrical pumping, the nanobeam structure with a post is studied with optical pumping. We successfully demonstrate the single mode lasing by optical pumping in the various nanobeam structures: L3, single-cell, zero-cell. Through the 3D FDTD simulation, we study the characteristics of nanobeams with the post and find the proper post size for lasing. This is a meaningful step for the electrically driven nanobeams.
Third, we study electrically driven room-temperature lasing in the L3 nanobeam photonic crystal cavity. The electrical current pulse is injected through the central post placed underneath the nanobeam structure. The size and position of the submicron-sized InP post are controlled precisely due to the crystal-axis-dependent wet etching rate. A single mode lasing is observed at the wavelength of 1578 nm with an ultralow threshold of ~4.5 μA. The improved electrical injection system in the nanobeam structure yields the lasing threshold that is substantially lower than those of previously reported two-dimensional photonic crystal lasers. The successful demonstration of the ultralow-threshold electrically driven nanolaser represents a crucial step for practical applications of integrated photonic systems. To apply these structures to quantum dot wafer for single photon source, further studies on the wire-bonding to put the samples into the vacuum chamber and wet-etching condition for the QD wafer.
Lastly, we suggest the zero-cell nanobeam structure for the electrical pumping. We fabricated the zero-cell nanobeams with central post. We observe the enhanced EL mode peak. We are studying and trying to demonstrate the electrically driven zerocell nanobeam laser as one of our goals.
궁극의 작은 레이저에 대한 연구는 레이저 및 양자광학, 광정보통신분야 등에서 중요하고 도전적인 연구주제다. 그에 대한 연구들은 반도체 결정 성장 기술과 공정기술의 발전으로 더 활발히 이루어졌다. VCSEL (vertical cavity surface emitting laser), micro pillar, microdisk 등의 다양한 소형 반도체 레이저가 개발되었고, 최근에는 금속의 플라즈몬을 이용한 광원 또한 연구되고 있다. 특히 플라즈몬을 이용하면 파장보다 작은 크기의 레이저를 만들 수도 있다는 장점이 있으나 금속으로 인한 광손실 등의 문제로 인해 저온에서 동작시켜야 한다는 단점이 아직 존재하고 있어 아직 개선의 여지가 많다.
본 연구에서는 다양한 미세 레이저 중에서도 광결정(photonic crystal)을 이용하는 광결정 레이저에 초점을 맞추고자 한다. Yablonovitch와 John에 의해서 제안된 광결정은 주기적으로 배열된 원자가 전자의 움직임을 제한하는 것처럼 주기적으로 배열된 유전체가 광자의 움직임을 제한하는 원리에 바탕을 두고 있다. 굴절률이 다른 두 유전체 주기적인 구조에서 광자가 존재할 수 없는 주파수 영역이 나타나는데, 이를 PBG(photonic band gap)라고 한다. 이러한 광결정의 PBG를 이용하면 우리가 원하는 대로 빛의 흐름을 제어할 수 있다. 광 밴드갭을 이용하는 광결정 레이저는 작은 크기에도 불구하고 큰 품위값(quality factor)과 작은 모드부피(mode volume)을 갖고 있다. 큰 품위값과 작은 모드부피로 인해 광결정 공진기의 공진 모드는 물질과의 강한 상호작용을 할 수 있다. 물질과 빛의 강한 상호 작용을 이용하여 weak coupling regime에서 spontaneous emission rate을 강화시키고, strong coupling regime에서 vacuum Rabi splitting을 이론과 실험적으로 관찰한 것이 보고되었다. 본 논문의 앞부분에서는 매우 작은 모드부피를 갖는 공진기를 연구하여 위와 같은 물질과의 상호작용을 향상시킬 수 있는 구조를 제안코자 한다.
많은 장점을 갖고 있는 광결정 레이저이지만 이를 보다 실용적으로 응용하기 위해서는 전기로 구동되는 것이 이루어져야 한다. 지금까지 전기로 구동되는 광결정 공진기에 대한 연구는 미비한 상황이다. 단일결함 광결정 공진기에서 단일결함 아래쪽에 미세 기둥을 만들어 전류를 공진기에 효율적으로 흘려주거나, wafer fusion 기술을 이용해 band edge 타입의 광결정 레이저를 만들어 전기로 구동시켰다. 최근에는 ion implantation 기술을 이용해 양자점 웨이퍼에 lateral p-i-n 도핑을 해서 150K 이하에서 sub μA 의 threshold 전류값을 갖는 광결정 공진기가 보고되었다. 지금까지 보고된 전기로 구동되는 광결정 레이저는 모두 큰 품위값을 갖는 2차원 광결정 공진기뿐이었다. 최근 연구되고 있는 나노빔 구조를 전기로 구동시키고자 한다. 나노빔 구조는 적은 수의 공기구멍만으로도 큰 품위값을 얻을 수 있고 단순한 구조로 인해서 다른 device와의 결합도 용이하게 되어있어 활용도도 높을 것이라 예상되는 바이다.
제2장에서는 사각 격자 구조에서 무결함 광결정 레이저에 대해 다루었다. 일반적으로 공기구멍을 주기적으로 배열하여 PBG 효과로 평면에 빛을 가두고, 수직적으로는 반도체 물질의 높은 굴절률로 인한 전반사 효과에 의해 빛을 가둠으로써 공진기를 형성한다. 이 방법 이외에도 공기구멍을 이동시켜 공진기를 형성시킬 수 있는데 사각격자에서 두 개의 공기구멍 이동이나 네 개의 공기구멍 이동으로 공진기가 형성되고 매우 작은 모드부피를 갖는 것을 확인했다. 작은 모드부피를 갖는 광결정 레이저를 설계하고 제작하여 레이저 발진에도 성공했다.
제 3,4,5장에서는 전기로 구동되는 나노빔 레이저에 대해 다루었다. 2차원 구조에 국한 되던 광결정 공진기에 대한 연구가 최근에 나노빔이라는 1차원 구조가 보고된 이후 나노빔 구조에 대한 다양한 연구가 진행되었다. 수 개의 공기구멍만으로도 큰 품위값과 작은 모드부피를 얻을 수 있으며, 1차원 광결정의 경우 2차원 광결정에 비해 공진기의 물리적인 크기를 줄이는 효과를 기대할 수 있다. 아직 상온에서 전기로 구동되는 나노빔 레이저는 보고되지 않았다. 이 연구에서는 FDTD 전산모사를 통해서 미세기둥이 결합된 나노빔 구조를 최적화하고 이를 제작하여 레이저 발진에 성공시키고 이를 분석했다.
본 논문에서 제안하고 구현한 결과들은 실제적이고 궁극적인 양자 광원으로 나아가는 연구의 단초가 될 것으로 기대된다.
