Photonic crystals are studied intensively as an attractive optical material for controlling and manipulating light in a wavelength-scale cavity. Recently, a one-dimensional photonic crystal, called a nanobeam, received attention for its small feature size while maintaining high Q/V. This thesis presents study of nanobeam lasers and their applications: tunable photonic crystal lasers and photonic crystal refractive index sensors. Nanobeams showed high-performance as a device in the application areas introduced in the thesis.
In Chapter 1, study on the photonic crystal nanobeam bandedge laser is introduced. One dimensional photonic bandedge lasers with three InGaAsP quantum wells inside are demonstrated at room temperature from the lowest dielectric band of photonic crystal waveguides. The incident optical power at threshold measured was 0.6 mW. To confirm the lasing from the dielectric bandedge mode, the polarization and the photoluminescent spectra are measured from nanobeams of varying lattice constants. The observed shift of the lasing wavelength agrees well with the computational prediction.
In the following two chapters, two application areas of a nanobeam are introduced. In Chapter 2, a low-voltage-tunable laser by placing one-dimensional nanobeam cavity between lateral electrodes is reported. Spec-tral tuning of the resonant wavelength is achieved by controlling the molecular alignment of the directors in the surrounding liquid crystals. The one-dimensional photonic crystal nanobeam structure is transfer-printed in the middle of the micron-scale gap. The total tuning range of 8.0 nm is obtained with a low DC bias of 5V. The spectral tuning rate of 2.1 nm/ 1.0V, which is the largest value ever reported to our knowledge, is measured.
In Chapter 3, highly sensitive high-Q photonic crystal refractive index (RI) sensors using higher energy mode are demonstrated. $4^{th}$ bandedge mode from the lowest energy band is studied for its high quality factor and high RI sensitivity. Using FDTD simulation, RI sensitivity larger than 440 nm/ RIU was observed with Q-factor higher than 85,000, which corresponds to the figure of merit (FOM) larger than 22,000. This FOM is much larger than the previously reported experimental value and still has room for increasing when the cavity is formed and optimized.
In the last section, analysis on the generation of optical vortex array from smectic liquid crystal is includ-ed. We demonstrated large-area, closely-packed optical vortex arrays using self-assembled defects in smectic liquid crystals. Self-assembled smectic liquid crystals in a three-dimensional torus structure are called focal conic domains. Each FCD, having a micro-scale feature size, produces an optical vortex with consistent topological charge of 2. The spiral profile in the interferometry confirms the formation of an optical vortex, which is predict-ed by Jones matrix calculations.
광결정 레이저는 새로운 응용분야가 지속적으로 개척됨에 따라 최근까지 활발한 연구가 지속되고 있다. 1장에서는 광결정 레이저 중에서도 일차원 주기성을 가지는 나노빔 레이저를 연구하였다. 2008년에 막대기 모양의 일차원 광결정 에서도 2차원 광결정과 비슷하거나 더 높은 품위값을 얻을 수 있다는 연구내용이 발표되었다. 그 이후로 나노빔을 공진기로 사용한 논문이 광결정 연구의 다수를 차지하고 있다. 나노빔은 높은 품위값과 동시에 작은 모드볼륨을 가지고 있어 좋은 공진기의 역할을 할 뿐만 아니라, 물리적 질량이 가벼워 옵토-메카닉스 등의 응용에도 유리하다. 이 논문에서는 나노빔 구조에서 가장자리 모드를 이용하여 레이저를 구현한 내용이 소개되어 있다. 가장자리 모드란 광 밴드 가장자리에서 군속도가 0이 되는 현상을 이용한 레이저로 인위적인 공진기를 형성하지 않고도 레이저 발진이 가능하다. 광 가장자리 모드 레이저는 광밴드갭 레이저와는 달리 소자크기 전체에 걸쳐 모드가 분포하면서 단일 공진 한다. 가장자리 모드로 발진하는 나노빔 레이저는 60개의 균일한 크기의 공기구멍이 뚫려있고, 양자 우물을 가지는 InGaAsP 기판을 이용하였다.
나노빔 광결정은 소자 크기가 작고, 집적화에 유리하며, 광 도파로와의 결합이 유리한등 다양한 장점으로 인해 여러 광결정 응용분야에 적용되고 있다. 2장에서는 광결정 나노빔의 응용 가능 분야 중 하나로써 변조 가능한 나노빔 레이저를 연구하였다. 광결정은 전자빔 리쏘그래피 공정을 통해 만들어 지는데 제작 공정에서 발생하는 오차들로 인해 광결정이 원하는 파장에서 정확히 발진하도록 만들기 어렵다. 따라서 제작이 완료된 광결정의 공진파장을 효율적으로 제어할 수 있는 방법에 연구자들의 관심이 모아졌고, 이에 다양한 방법들이 제안되었다. 그 중에서도 액정을 광결정에 도입하는 방법은 다른 파장 변조 방법에 비해서 최대 변조 범위가 크고 외부 전기장으로 쉽게 제어 가능하다는 장점을 가진다. 2장에서 소개한 파장 변조 가능한 레이저는 처음으로 일차원 광결정 레이저를 이용하였다. 전사 (Transfer Printing) 방법을 이용하여 나노빔을 선택적으로 떼어내서 매우 좁은 평면 전극 사이에 붙이는 기술을 적용하였고, 이로 인해 매우 작은 전압으로도 광결정 레이저 주위에 높은 전기장을 걸 수 있어 단위 전압 기준 최대 파장 변화를 보였다.
나노빔을 이용한 또 다른 응용분야 중 하나로 광결정 굴절률 센서를 연구하였다. 광결정 굴절률 센서는 다른 광학 기반의 센서에 비해, 광학 모드가 매우 좁은 영역에 있어 매우 작은 양의 분석 물질만으로도 모드를 변화시키는 것이 가능하다. 또한 광 도파로, 광 소스 그리고 광 디텍터 등 다른 광학 소자와의 결합을 통해 미세 바이오 칩으로의 구현이 가능해질 수 있다. 최근 광 굴절률 센서는 다른 광결정 응용분야의 추세와 마찬가지로 나노빔 구조를 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 3장에서는 단일 나노빔 구조를 이용하고, 이 구조의 4번째 가장자리 모드를 이용함으로써, 기존 광결정 기반 굴절률 센서에 비해 훨씬 높은 FOM (Figure of merit)을 가지는 것을 계산으로 확인하였다. 게다가 이러한 구조는 두개의 나노빔을 이용한 구조에 비해 광도파로와 결합이 용이하고, 기계적 안정성도 높아졌으며, 제작하기에 더 간단한 구조이다.
마지막 장에서는 앞의 광결정 연구와는 별개로 진행한 광 보텍스와 관련된 연구내용을 포함하였다. 광 보텍스란 동위상 파면을 가지는 빛이 광축을 따라 나선형으로 진행하는 빛이다. 광보텍스는 스핀 각운동량 뿐만 아니라 궤도 각운동량까지 지니고 있기 때문에, 이를 이용한 다양한 응용분야가 존재한다. 그 중 한가지는 통신 분야인데, 광섬유를 통한 정보전달시 광 보텍스 빔을 이용하면 더 많은 데이터 전달이 가능해져 전송속도를 높일 수 있게 된다. 4장에서는 광 보텍스가 형성 가능한 새로운 물질을 제시함과 동시에 이 물질로부터 생성된 광보텍스의 특성들을 확인하였다. 스멕틱 (smectic) 액정의 하나로 알려진 Focal Conic Domain (FCD)을 이용하여, 대면적으로 육각 배열형태를 이루는 광 보텍스를 만들었다. 스멕틱 액정으로 광보텍스를 만든 것은 이 연구가 처음이다. FC를 이용한 광보텍스 생성 방법은 액정의 자가 조립 (self-assembly) 만을 이용했기 때문에 기존 방법들에 비해 매우 쉽고 경제적인 방법이다. 이러한 광 보텍스는 간섭계 실험에서 나타나는 패턴을 통해 그 특성을 결정 지을 수 있다. 일련의 실험들을 통해 위상 전하 (topological charge) 가 2인 광 보텍스가 약 50%의 효율로 형성됨을 확인 하였다.