A photonic crystal laser has been widely studied in the field of laser cavity owing to its excellent optical properties. However, because increasing free space radiation loss for reducing physical device size, a conventional photonic crystal laser still remains to have large structure. Although, several methods have been suggested, it is still difficult to meet the demands of compact coherent light source-based applications.
In this thesis, I suggest metal-photonic crystal hybrid cavity structure combining photonic crystal slab and 2.5D metallic external reflector to obtain compact photonic crystal laser. To find the expected lasing mode, photonic bandstructure was calculated. In-plane and out-of-plane photon confinement effect of metallic external reflector is confirmed through three dimensional finite time difference method. Through separate analysis of optical loss for absorption and radiation, limitation of applicability of proposed structure is verified, and discuss what problem have to be solved for miniaturization. Also, the metal layer effect on temperature which is important for laser performance is analyzed through finite element method. I confirm that thermal effect by pumping process could be suppressed through surrounding metal layer.
Various size of proposed hybrid cavity structure are fabricated, and single mode lasing at room temperature of PhC laser with only $5 \mu m$ footprint are observed. Smaller than $5 \mu m$ of hybrid cavity structure cannot achieve lasing owing to the large optical loss. Based on above results, I suggest modified hybrid cavity structure which removes optical loss mechanism, and I confirm that optical loss of $2 \mu m$ of modified structure is better than $5 \mu m$ of previous hybrid cavity structure.
광결정은 레이저 공진기로서 뛰어난 특성들로 인해, 광결정을 이용한 레이저에 대한 많은 연구가 진행되어왔다. 하지만 기존의 광결정 기반 공진기는 강한 광자 구속 효과를 얻기 위해 물리적으로 부피가 커야 하는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들이 제시되었지만, 아직까지 소형화가 효과적으로 이루어지지 않고 있다.
본 학위논문에서는 광결정이 작아짐에 따라 커지는 방사손실을 억제하기 위해, 레이저 동작이 일어나는 방향을 제외한 모든 방향을 금속 기반 외부 반사체로 둘러싸는 구조를 제시하였다. 레이저 동작을 하는 밴드 가장자리 모드를 찾기 위해 밴드구조를 계산하였고, 이득 물질의 대역 내에 있는 모드를 확인하였다. 또한 금속 반사체를 통해 광자의 구속효과를 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 광손실을 흡수손실과 방사손실로 나누어서 분석한 결과를 통해, 제시한 구조가 적용될 수 있는 크기의 한계를 제시하였고, 이를 해결하기 위한 방법에 대해서 논의하였다. 레이저 성능에 중요한 영향을 미치는 열문제에 대해서 금속 반사체가 주는 효과를 확인하기 위해, 이득 물질에서 열이 발생했 경우 금속의 유무에 따른 온도를 계산하였고, 이를 통해 금속층에 의해 온도상승이 크게 억제될 수 있다는 것을 확인하였다.
금속 반사체의 효과를 실험적으로 확인하기 위해 다양한 크기의 금속-광결정 복합 구조를 제작하였고, 약 $5 \mu m$의 크기의 광결정 레이저까지 상온 동작을 확인하였다. 또한 앞에서 분석한 결과를 바탕으로, 제시한 구조의 소형화에 있어서 한계점으로 작용하는 손실 요소들을 변형된 복합 구조를 통해 제거하였고, 이를 통해 약 $2 \mu m$ 의 크기를 가지고도 앞서 제시한 $5 \mu m$ 크기의 광결정 공진기에 비해 낮은 광학적 손실을 가질 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보였다.
