III-V photonics is very fruitful and still promising research area for small lasers such as VCSELs and photonic crystal (PhC) lasers. For example, VCSELs have now begun to facilitate optical interconnections between racks and electronic circuit boards. However, optical devices have not replaced their electronic counterparts for inter-chip and intra-chip transmission, because even VCSELs and the conventional PhC lasers have limits on how much active volume can be reduced in size. This is, in fact, a rather general issue in III-V photonics where the uniform geometry of active medium as one of the epitaxial layers is a strong constraint in designing the architecture of the devices. If such constraint can be lifted to tailor the size of active medium, it will lead to a radical improvement in performance of nanophotonic devices, and realize ultralow threshold nanolasers at room-temperature.
In this thesis, we present a new platform for laser where size and position of nano-emitters are deterministically controlled. Using a selective wet-etching technique, we remove the absorptive quantum-well (QW) background to form a single nano-island active medium ( $0.7\times0.25\times 0.02 \mu m^3$ ) inside a photonic crystal cavity.
First, we report an optically pumped nano-island QW nanobeam laser, which is demonstrated in room-temperature (RT) continuous wave (CW) operation. Such RT CW operation is possible due to the ultralow threshold power of 210 nW absorbed at 980 nm and the relatively high heat conductivity of the InP material. Employing a relatively thick (420 nm) InP slab for thermal and mechanical stabilities, one needs to consider the photonic band structure where TM-like modes come close to the TE-like cavity. Here, we take advantages of 1D-like nanobeam structure to minimize the optical losses caused by TE-TM coupling. Through the 3D FDTD simulation, we also study the influence of QW etching on the optical loss in the cavity. This includes the effect of the air-gap collapsing after the QW etching.
Secondly, we present our work towards achieving electrically-driven nano-island QW lasers. When employed for electrical pumping, our nano-island QW structure can offer an ideal platform to realize sub- $\mu A$ threshold nanolasers at RT because this structure has a thin air-gap that can be used as an electrical insulation between the p-doped and n-doped claddings. We show our structural design for electrical insulation that is suitable for nano-island QW structures, and demonstrate that such design can be readily fabricated. We study possible causes for air-gap collapsing, and demonstrate a method to sustain the air-gap reliably for an ideal current injection without a major leakage current. We share our stories of struggle with large contact resistance due to non-ohmic contact, and explain how we overcome such issues. With direct current, we present our clear observation of cavity modes in electroluminescence with increasing slop efficiency. Based on measured linewidth, we concluded that it has reached the transparency condition in the nano-island QW. Furthermore, driving our fabricated samples with short voltage pulses, we present our observation of cavity modes with an emphasis on circuit dynamics for accurate measurements of injected current pulses.
VCSEL과 광결정 레이저의 개발로 반도체 광학의 눈부신 발전은 계속 이어져 왔다. 실제 응용에서도 이제 VCSEL은 광상호연결 장치에 사용되기 시작했다. 하지만 아직까지 반도체 집적 회로에서 광학 장치가 전기 소자를 대체하지는 못했다. 이는 VCSEL이나 광결정 레이저와 같은 매우 작은 광원의 경우에서도 능동 매질의 크기를 아직 충분히 줄이지 못했기 때문이다. 하지만 이것은 사실 반도체 광학에서 좀 더 일반적인 문제로서, 능동 매질이 에피택시얼 성장에서 수평 획일적으로 길러지기 때문에 발생하는 구조적 한계이다. 이러한 구조적 제약을 극복한다면 나노광학 소자의 성능에 급격한 발전을 이룰 수 있을 것이다.
이 논문에서는 나노 광원들의 크기와 위치가 조절 될 수 있는 새로운 레이저 구조를 제안하고 실제로 만들어 보았다. 선택적 습식 에칭 기술을 사용하여 주변 흡수성 양자우물을 제거하고 광결정 공진기 안에만 나노섬 능동 매질 ( $0.7\times0.25\times0.02 \mu m^3$ )을 형성하였다.
이러한 나노섬 구조를 이용하여 우리는 초저전력 상온 연속 발진 나노빔 레이저를 광펌핑으로 구현하였다. 여기서 상온 연속 발진은 210 nW 정도의 아주 낮은 문턱 전력과 함께, 높은 열전도율을 가진 InP 구조 덕분에 가능한 것이다.
그 다음으로 이 논문에서는 전기로 구동되는 나노섬 레이저에 대한 연구도 수행하였다. 나노섬 구조에서는 InP 판 사이 수십 나노미터의 얇은 공기 틈 덕분에 전기적 절연이 자연스럽게 이루어져 효율적인 전기 펌핑이 가능하다. 우리는 전기 구동을 위한 나노섬 레이저 구조를 실제로 만들어 보고, 공정 상에서 수반되는 여러가지 이슈들을 해결하였다. 결과적으로, 우리는 직류 펌핑 시에 전기 발광에서 공진기 모드들을 관찰고 능동 매질의 투명 조건까지 도달하였음을 보였다. 또한, 짧은 전압 펄스를 사용한 구동 시에도 공진기 모드들을 관찰하고, 임피던스 부정합 시에도 양자 우물에 흐르는 전류의 정확한 측정을 위해 해당 전기 회로의 특성을 분석하여 설명하였다.
