Having been extensively studied over the past few decades, a compact size and low-threshold photonic crystal (PC) laser has emerged as one of promising candidate for the future light source. Recently, various kinds of PC laser on a suspended membrane have been demonstrated. These membrane types PC lasers are widely adopted because the large index contrast between semiconductor material and air provides strong optical confinement that is found to be important for achieving high quality factor and small mode volume. However, due to high thermal resistance resulting from poor heat conductivity of the surrounding air-cladding, only a few of those laser can run under continuous-wave operation at room-temperature. In addition, the free-standing nature of this membrane type of PC laser also make it mechanically less robust, where it can bend or break easily during post-fabrication processes.
To deal with the aforementioned problems, in this thesis we demonstrate the integration of the PC membrane laser, in particular a one-dimensional (1D) nanobeam laser, on a substrate. We choose 1D nanobeam as the PC platform because it offers several advantages compare with its 2D PC counterpart. First, it has small footprint which make it suitable for high density integration. Second, it has small optical loss due to the absence of transverse electric (TE) ？ transverse magnetic (TM) coupling. Third, it can be integrated easily with an external coupler such as waveguide without any restriction from lattice geometry.
To integrate the 1D nanobeam laser on a substrate, we employ dry transfer-printing technique. By using this process, the nanobeam membrane can be directly printed on a substrate without any adhesive material. As a result, efficient heat dissipation from the laser to the substrate could be realized. By printing this laser on the SiO2/Si or sapphire substrate, we show that low-threshold continuous operation at room temperature can be achieved.
To enhance the functionality of the 1D nanobeam laser, in this thesis we also demonstrate the integration of the laser with an optical fiber. By printing this laser on tip of the optical fiber, we show that the device can be used as a portable index sensor.
과거 수십년간 광범위하게 연구되어 온 작은 크기의 저전력 광결정 레이저는 미래의 광원의 유력한 후보로서 주목 받고 있다. 최근에는 공중에 다리처럼 되어 있는 구조의 다양한 광결정 레이저가 소개되었는데, 이와 같은 구조의 광결정 공진기들은 반도체와 공기 사이의 큰 굴절률 차이 때문에 높은 공진기 품위 값과 작은 모드 볼률을 가질 수 있다. 하지만, 공기의 열적 전달율은 매우 낮기 ？문에, 이와 같은 구조로 상온 연속 구동의 레이저를 구현하기란 쉽지 않았다. 게다가 공중에 떠있는 구조는 역학적으로 튼튼하지 않기 ？문에, 레이저 제작을 마친 이후라도 구조적 변형이 일어날 수 있었다.
앞서 언급된 문제들을 해결하기 위하여, 이 논문에서는 광결정 레이저를 기판 위에 결합시키는 것을 보였다. 여기서 특히 우리는 일차원 나노빔 레이저를 광결정 플랫폼으로 선택하였는데, 이는 일차원 광결정 구조가 이차원 구조에 비해 여러가지 장점을 가지고 있기 때문이다. 첫째, 일차원 구조는 크기가 작기 때문에 고밀도 집적회로에 적합하다. 두번째로, 일차원 구조에서는 횡전기(TE) 모드와 횡자기(TM) 모드 간의 연결이 크게 줄어 광학적 손실이 작다. 세번째로, 일차원 구조와 광학 도파관과의 결합이 이차원 구조에 비해 좀 더 직관적이다.
일차원 나노빔 레이저를 기판위에 붙이기 위해 우리는 건식 옮겨-찍기 (dry transfer-printing) 방법을 사용하였다. 이 과정으로 인하여 다른 접착제 없이도 나노빔 구조가 기판위에 바로 옮겨 붙어질 수 있다. 우리는 나노빔 레이저를 유리나 사파이어 기판 위에 붙임으로써 레이저에서 기판으로의 효율적인 열 소산이 가능했고, 결과적으로 낮은 문턱 전력의 상온 연속 발진 레이저를 구현하였다.
이러한 일차원 나노빔 레이저의 활용을 더욱 더 발전시키기 위하여, 이 논문에서는 이 레이저를 광섬유와 결합해 보였다. 나노빔 레이저를 광섬유 끝에 붙임으로써 우리는 휴대가 가능한 광학 센서를 만들어 보였다.
