In on-chip optical circuit, the small-footprint and the power dissipation of device are most importance feature. Most promising structure that has small-footprint and less power dissipation is nanobeam structure, which became popular in various fields such as cavity optomechanics, optical trapping, sensor, and laser. In specific, nanobeam photonic crystal shown remarkable properties such as high quality factor and small mode volume; advantageous for increasing the sensitivity of sensor and realizing low-threshold laser. How-ever, since silicon itself is poor for gain material, the light source mostly made of III-V semiconductor. Recently, there were several works integrating InGaAsP photonic crystal laser on silicon chip. To bond the InGaAsP on Si substrate, various techniques have been proposed such as molecular bonding and adhesive bonding. Since the adhesive bonding method is robust in interface requirements, it is widely used. However, the adhesive material typically has poor thermal property and it makes hard to achieve continuous wave operation of photonic crystal laser at room temperature.
In this paper, we demonstrate the hybridization/integration of InGaAsP nanobeam photonic crystal laser on silica/SOI substrate via impulse-enhanced transfer printing process. By printing the laser device di-rectly on the substrate, wafer-bonding process can be evaded, which makes the fabrication simple. Also, the use of gain material, which is generally expensive, can be minimized with transfer printing process. Using pol-ydimethylsiloxane (PDMS) stamp as transferring medium, the fabricated InGaAsP nanobeam could be re-leased and printed on silica surface. The printed nanobeam laser has physical volume of 4.0x0.58x0.28 μm3 and 10 air-holes in smallest case, and it shown single mode lasing near 1550 nm with pulsed operation in room temperature. Also, in 16 air-hole case, continuous-wave operation has achieved with effective threshold of μW at room temperature. We expect the proposed nanobeam laser printing method may offer oppor-tunities for simple and cheap fabrication of photonic integrated circuit.
실리콘 칩 기반의 광소자는 작은 크기를 가지고 에너지를 적게 소모할수록 유리하다. 가장 주목할 만한 구조는 나노빔 구조로, 공진기 광역학, 광학 트래핑, 마이크로 센서와 레이저 등에서 유용하게 사용되어 왔다. 특히, 나노빔 광결정 공진기는 그 작은 크기에도 불구하고 주목할만한 높은 품위값을 보인다. 이러한 나노빔의 특성은 아주 민감한 센서나 낮은 에너지로 발진되는 레이저를 만드는데 유리하다. 하지만 실리콘 자체로는 효율적으로 빛을 만들어내기 어렵기 때문에 많은 경우 III-V 족 반도체를 도입하여 레이저를 만든다. III-V족 반도체를 실리콘 칩에 결합하기 위해 주로 사용되는 방법은 웨이퍼 본딩과 접착 본딩이 있으며, 전자의 경우 원자 크기 수준의 거칠기를 가진 대면적의 표면이 필요하고, 후자의 경우 일반적으로 사용되는 BCB 접착제의 열적 특성이 나빠 레이저를 만드는 데에는 불리하게 작용한다. 최근에는 전사 인쇄 기법을 이용하여 제작된 레이저가 제안되었으며, 더 간단한 공정으로도 III-V족 반도체를 실리콘 칩 위에 직접 결합시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이 연구에서는 III-V족 반도체인InGaAsP로 만든 나노빔을 충격을 이용한 방법으로 전사 인쇄하여 실리콘과 혼성 또는 결합된 광결정 레이저를 제안한다. 레이저 소자를 직접 실리콘 칩 위에 전사 인쇄하여 공정을 단순화하였고, 일반적으로 가격이 높은 광이득 물질의 사용을 최화 할 수 있었다. PDMS를 전사 과정의 매개체로 사용하여, InGaAsP 나노빔 레이저를 실리카 표면에 전사할 수 있었고, 전사에 성공한 가장 작은 나노빔의 크기는 약 4.0x0.58x0.28 μm3 으로 10 개의 구멍을 가지고 있었으며, 1550 nm 의 통신파장 근방에서 단일 모드 레이징을 보였다. 또한 16개의 구멍을 가진 나노빔 광결정 레이저는 마이크로와트의 문턱값으로 실온에서의 연속 발진이 가능했다. 제안된 나노빔 레이저 전사 인쇄 기법은 간단하고 저렴한 광집적회로 제작 방법의 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
