Optical resonators, which can focus light into a small volume, are still powerful tools for studying the light-matter interaction and have led the remarkable development of various photonics fields such as laser and quantum optics. Especially, the photonic crystal resonator or metallic resonator, which has a wavelength or smaller than the wavelength, has been successfully developed, ranging from a low threshold laser to a single photon source due to its small size. However, there are difficulties that arise from the small size, and the limitations arising from the small size still deserve to be studied.
First, we propose and demonstrate a hybrid integration of a small one-dimensional photonic crystal laser onto a silicon waveguide. An optimally designed asymmetric photonic crystal laser is integrated on silicon waveguide by employing high-precision transfer printing techniques. Over 80 % of coupling efficiency can be achieved through the 3.2 $\mu$m long compact vertical coupler.
In addition, a study on the strong Purcell effect of erbium using a metal resonator has been demonstrated. Compared to the photonic crystal, a point cavity having a very small mode volume (~10 nm × 10 nm × 10 nm) and an erbium atom having a slow decay time (~10 ms) were introduced to obtain a Purcell effect of 10000 or more. Erbium-doped silica with no background signal was fabricated for detecting only the light emitted from the erbium. However, no direct observation of the Purcell effect above 10000 was possible due to the gold photoluminescence from the small point cavity. Nevertheless, due to the large difference in gold and erbium emission decay time, a fast erbium decay time of ~ 23 $\mu$s was obtained, and over 1000 strong Purcell effect was obtained at erbium located at the mode maximum.
작은 공간 속에 빛을 집속시킬 수 있는 광 공진기는 여전히 빛과 물질의 상호작용을 연구할 수 있는 강력한 도구로서 레이저 및 양자 광학 등 다양한 분야의 눈부신 발전을 이끌어왔다. 그 중에서도 파장 혹은 파장보다 작은 크기를 가지고 있는 광결정 공진기 혹은 금속 공진기는 그 자체의 작은 크기로 인해 낮은 문턱을 갖는 레이저를 비롯하여 단일 광자원에 이르기까지 많은 가능성을 보여주었다. 하지만 작은 크기로 인해 발생하는 어려움이 존재하며, 작은 크기로 인해 얻을 수 있는 한계에 대해서도 연구될 가치가 있다.
먼저, 작은 크기를 갖는 1차원 광결정 레이저와 실리콘 도파관 간의 결합에 대한 연구가 이루어졌다. 비대칭적인 구조를 갖는 광결정의 최적화와 높은 정확성을 갖는 트랜스퍼 프린팅 기술을 적용하여 작은 크기의 1차원 광결정 레이저를 실리콘 도파관에 결합시켰다. 수직으로 조밀하게 합쳐진 3.2 $\mu$m 길이의 커플러를 통해 80% 이상의 빛을 실리콘 도파관으로 끄집어낼 수 있었다.
또한, 금속 공진기를 이용한 어븀의 강력한 퍼셀효과에 대한 연구가 이루어졌다. 광결정에 비해서도 매우 작은 모드 부피(~10nm×10nm×10nm)를 갖는 점 공진기와 느린 감쇠(~10ms) 시간을 갖는 어븀 원자를 도입하여 10000 이상의 퍼셀 효과를 얻고자 하였다. 배경 신호가 없는 어븀이 도핑된 실리카를 제작하여 어븀에서 나오는 빛 만을 측정하고자 하였으나, 작은 금속 공진기로부터의 금 발광으로 인해 10000 이상 퍼셀 효과의 직접적인 관찰은 할 수 없었다. 그럼에도 금과 어븀 발광 감쇠시간의 큰 차이로 인해 ~23 $\mu$s 의 빠른 어븀 감쇠시간을 얻을 수 있었고, 최대 모드 밝기에 위치한 어븀에서 1000 이상의 강력한 퍼셀 효과를 얻을 수 있었다.
