The wavelength-scale cavities with mode volumes approaching (lambda/2n)^3 have been demonstrated in dielectric cavities such as photonic crystals. More recently, the plasmonic cavities with smaller sizes beyond the diffraction limit have been proposed. These wavelength and sub-wavelength scale cavities open up the possibilities of demonstrating powerful building blocks in optoelectronic circuits, biosensing, and quantum information, and studying strong light-matter interactions in the ultra-small dimension to tightly localize light.
Usually, the photons coming out of the ultra-small resonant modes are highly diverging and cannot be collected efficiently due to the strong diffractive tendency. In Chapter 2, we perform polarization-resolved far-field study of a two dimensional photonic crystal single-cell cavity to understand emission properties of resonant modes. For the application of two dimensional photonic crystal cavities, vertical emission and good coupling efficiency with conventional optics are important. In Chapter 3, we show vertical beaming of linearly-polarized light from the hexapole mode of an engineered single-cell photonic crystal cavity. Experimentally 56% of photons are funneled within a divergence angle of ±30 degrees.
In Chapter 4, we report 1D parabolic-beam PhC lasers. They have smaller device size because they needs only one dimensional photonic crystal structure. A few high-Q resonant modes are confirmed in the vicinity of the tapered region where Gaussian-shaped photonic well is formed. We expect that the small foot-print 1D PhC lasers can be a good candidate for photonic integrated circuit due to their high integrability.
In Chapter 5, we successfully demonstrate the subwavelength plasmonic nanopan laser with a subwavelength mode volume of 0.56 (lambda/2n)^3. The lasing mode as a whispering-gallery-type plasmonic mode confined at the bottom of the nanopan/InP disk interface is clearly verified by by measuring spectrum, mode image and polarization state, showing good agreement with the simulation results. In particular, the significant temperature dependence of lasing threshold unambiguously distinguishes the plasmonic mode from an optical one. Our progress in demonstrating a subwavelength semiconductor nanopan plasmonic laser represents an important step towards faster, smaller coherent light sources.
파장 크기 및 파장 이하의 크기를 갖는 극미세 공진기는 작은 공간 내에 높은 밀도로 빛을 가둘 수 있기 때문에 효율적인 비선형 효과, 바이오센싱, 단일광자원, 저문턱값을 가지는 레이저, 양자 정보, 광집적회로의 소자 등에 사용될 수 있어 많은 관심을 받아 왔다. 특히 회절 한계인 파장 정도의 크기 (~(lambda/2n)^3) 에 근접한 공진 모드를 구현하기 위해 광결정 공진기가 개발되어 왔고, 최근에는 빛의 회절 한계를 넘어 더 작은 부피, 즉 파장 이하의 크기로 빛을 구속하기 위해 표면 플라즈몬을 이용한 공진기 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 파장 크기의 모드 부피를 가지는 광결정 공진기를 효율적으로 응용하기 위한 연구를 수행하고 파장 보다 작은 모드 부피를 가지는 표면 플라즈몬 공진기를 이용한 레이저를 구현하였다.
일반적으로, 작은 모드 부피로 가둬진 공진 모드에서 방출되는 빛은 빛의 회절 특성에 의해 여러 방향으로 퍼져서 나오게 된다. 2장에서는 실제 2차원 광결정 공진기에 존재하는 모드들의 방출 특성을 먼장 분포 측정을 통하여 분석하였다. 단일 극자, 사중 극자, 육중 극자 모드들은 대부분의 빛이 $\theta$가 30도 이상인 방향으로 방출되는 것을 알 수 있었다. 또한 편광 성분에 따라 나눠서 측정을 한 결과, 단일 극자 모드는 대부분의 빛이 $\phi$-편광 되어 있음을 알 수 있었고, 사중 극자(또는 육중 극자) 모드는 $\theta$-편광 성분과 $\phi$-편광 성분에 각각 4개(또는 6개)의 마디가 있음을 알 수 있었다. 이를 통해서 광결정 공진 모드의 먼장 특성이 그 공진 모드를 선별하는데 유용하게 쓸 수 있다는 것을 알 수 있었다.
앞에서 알 수 있듯이 빛이 퍼져서 나오는 특성은 그 빛을 효율적으로 추출하여 이용하는 데 방해가 된다. 이를 극복하기 위해서 선형 편광된 빛을 수직으로 방출하는 2차원 광결정 공진기를 설계 및 구현하였다. 육각 모드는 공진 모드의 전기장 성분이 x-축과 y-축에 대해 강하게 대칭을 이루고 있어 수직으로 나오는 성분이 없으나 두 개의 공기구멍의 크기를 키우면 전기장의 x-성분의 대칭성을 깰 수 있어 x-축으로 선형편광 된 빛을 수직으로 방출하게 만들 수가 있다. 이처럼 변형된 2차원 광결정 공진기 레이저를 제작하여 먼장을 측정한 결과 $\theta$ 가 30도 이내에 56%의 빛이 방출되는 것을 알 수 있었고, 또한 이는 강하게 x-편광 되어 있음을 알 수 있었다. 이 선형편광된 수직 방출된 빛은 광섬유의 기저모드인 LP01 모드와 잘 결합하여 광결정 공진기를 효율적으로 응용할 수 있게 해줄 것으로 기대된다.
2차원 광결정 공진기는 공진 모드의 부피는 파장 정도로 작지만 이를 구현하기 위해서 2차원으로 넓은 크기의 2차원 광결정을 필요로 하므로 실제 소자의 크기는 상당히 커져서 집적하기 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해서 1차원 광결정 구조만을 이용한 1차원 포물빔 광결정 레이저를 제안하고 구현하였다. 1차원적으로 구멍을 주기적으로 뚫은 나노빔 구조의 폭을 포물모양으로 변화를 시키면 가장 가는 부분을 중심으로 가우시안 모양의 광 퍼텐셜 우물이 생성되어 높은 품위값을 가지는 공진 모드가 생기게 된다. 이 공진 모드는 유전체 물질에 전기장 세기가 센 광 밴드에서 기인하여 높은 광-물질 상호작용을 일으켜서 높은 이득을 기대할 수 있다. 또한, 이 공진기의 가장 얇은 부분의 위치를 변화시킴에 따라 공진 모드의 대칭성이 바꾸어 빛을 수직으로 방출하거나 높은 품위값을 가지도록 만드는 등 원하는 대로 조절할 수 있음을 확인하였다. 이 작은 크기를 가지는 소자를 광집적회로에 이용하면 높은 집적성과 높은 품위값 및 작은 모드 부피를 가지는 효율적인 광원으로 응용될 것으로 기대된다.
5장에서는 광결정 공진기가 가지고 있는 회절 한계에 의해서 극복하여 더 작은 모드 부피를 가질 수 있는 표면 플라즈몬을 이용한 공진기를 제안하고 레이저로 구현하였다. InP 물질로 직경이 1um 정도인 디스크를 제작하고, Ag를 증착하여 InP와 Ag 사이에 존재하는 표면 플라즈몬을 이용한 속삭이는 회랑 모드 레이저를 구현하였다. 이 공진 모드의 모드 부피는 0.56 (lambda/2n)^3 으로써 회절한계를 극복한 모드임을 알 수 있다. 모드가 표면 플라즈몬 모드인지를 확인하기 위해 실험에서 측정된 스펙트럼, 모드 발광 특성 및 편광 특성 등을 3차원 유한 요소 시간 영역 방법을 통해 비교하였다. 특히 온도에 따라 문턱값의 급격하게 변하는 것으로 측정되었는데 이는 표면 플라즈몬 모드 레이저가 광 모드 레이저와 구별되는 특성이라 할 수 있다. 왜냐하면 광 모드에 비해 표면 플라즈몬 모드는 금속에서의 흡수가 온도에 따라 크게 변해 온도가 올라갈수록 품위값이 급격히 떨어지기 때문이다. 이와 같은 파장 이하의 모드 부피를 가지는 표면 플라즈몬 모드 레이저는 더 작은 모드 부피를 가지고 있어 높은 집적성 및 고속 변조가 가능하여 광집적회로에 유용하게 사용될 수 있게 될 것으로 기대된다.
