Abstract

We study the mitigation of Si nanocrystal (Si-nc) free carrier absorption (FCA) loss at telecom wavelengths in a concentric microdisk design. The concentric microdisk design relies on using the Si-nc emission as an optical pump for the surrounding Er-based lasing media without subjecting the lasing mode to the FCA loss present in the Si-ncs. We analyze the FCA loss as a function of overhang width in this design and show that for large enough overhang width the FCA loss is negligible. We also compute the FCA cross section from the FCA loss and number of excited Si-ncs, modeled by a four-level system, and show σFCA=1.08±2.3×1017cm2, which is in good agreement with reported cross sections for similar films.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. Kirchain and L. C. Kimerling, Nat. Photon. 1, 303(2007).
    [CrossRef]
  2. L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990).
    [CrossRef]
  3. G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
    [CrossRef]
  4. L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
    [CrossRef]
  6. O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
    [CrossRef]
  7. R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Opt. Lett. 34, 3397 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
    [CrossRef]
  9. E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
    [CrossRef]
  10. B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Phys. Rev. A 78, 023829 (2008).
    [CrossRef]
  12. R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Nano Lett. 8, 3787 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]

2010 (3)

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

2009 (2)

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Opt. Lett. 34, 3397 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

2008 (3)

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Phys. Rev. A 78, 023829 (2008).
[CrossRef]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Nano Lett. 8, 3787 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

R. Kirchain and L. C. Kimerling, Nat. Photon. 1, 303(2007).
[CrossRef]

2003 (1)

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

2000 (1)

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1990 (1)

L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990).
[CrossRef]

Berencen, Y.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Brongersma, M. L.

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Opt. Lett. 34, 3397 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Phys. Rev. A 78, 023829 (2008).
[CrossRef]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Nano Lett. 8, 3787 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Canham, L. T.

L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990).
[CrossRef]

Cazzanelli, M.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

Creazzo, T.

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Dal Negro, L.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Daldosso, N.

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

Di Stefano, G.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Fallica, P. G.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Franzo, G.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Gaburro, Z.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

Garrido, B.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Gourbilleau, F.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

Hijazi, K.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Iacona, F.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Irrera, A.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Jambois, O.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Kekatpure, R. D.

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Opt. Lett. 34, 3397 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Phys. Rev. A 78, 023829 (2008).
[CrossRef]

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Nano Lett. 8, 3787 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kenyon, A. J.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Kimerling, L. C.

R. Kirchain and L. C. Kimerling, Nat. Photon. 1, 303(2007).
[CrossRef]

Kirchain, R.

R. Kirchain and L. C. Kimerling, Nat. Photon. 1, 303(2007).
[CrossRef]

Marchena, E.

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

Mazzoleni, C.

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Miritello, M.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Moreira, E. C.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Navarro-Urrios, D.

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

Pacifici, D.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

Pavesi, L.

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Pitanti, A.

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

Prather, D. W.

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Priolo, F.

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Pucker, G.

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

Redding, B.

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

Rizk, R.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

Sanfilippo, D.

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Shi, S.

B. Redding, E. Marchena, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, Opt. Lett. 35, 998 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Wojdak, M.

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

Appl. Phys. A (1)

G. Franzo, A. Irrera, E. C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. G. Fallica, and F. Priolo, Appl. Phys. A 74, 1 (2002).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

L. T. Canham, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990).
[CrossRef]

D. Navarro-Urrios, A. Pitanti, N. Daldosso, F. Gourbilleau, R. Rizk, G. Pucker, and L. Pavesi, Appl. Phys. Lett. 92, 051101 (2008).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

O. Jambois, Y. Berencen, K. Hijazi, M. Wojdak, A. J. Kenyon, F. Gourbilleau, R. Rizk, and B. Garrido, J. Appl. Phys. 106, 063526 (2009).
[CrossRef]

J. Nanophotonics (1)

E. Marchena, B. Redding, T. Creazzo, S. Shi, and D. W. Prather, J. Nanophotonics 4, 049501 (2010).
[CrossRef]

J. Nanosci. Nanotechnol. (1)

D. W. Prather, B. Redding, T. Creazzo, E. Marchena, and S. Shi, J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 1643 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

Nano Lett. (1)

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Nano Lett. 8, 3787 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nat. Photon. (1)

R. Kirchain and L. C. Kimerling, Nat. Photon. 1, 303(2007).
[CrossRef]

Nature (1)

L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, and F. Priolo, Nature 408, 440 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. A (1)

R. D. Kekatpure and M. L. Brongersma, Phys. Rev. A 78, 023829 (2008).
[CrossRef]

Physica E (Amsterdam) (1)

L. Dal Negro, M. Cazzanelli, N. Daldosso, Z. Gaburro, L. Pavesi, F. Priolo, D. Pacifici, G. Franzo, and F. Iacona, Physica E (Amsterdam) 16, 297 (2003).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Transmission spectrum for an Si - nc / Er Si O 2 concentric microdisk with a 20 μm diameter and a 2 μm overhang. Inset shows a scanning electron microscope image of the final device.

Fig. 2
Fig. 2

Pump-induced modal loss for a d = 20 μm diameter concentric disk structure with varying overhang widths, w, as indicated. The modal loss for a reference Si-nc microdisk is also shown.

Fig. 3
Fig. 3

Plot of the steady-state population densities for the four energy levels as a function of pump density. The inset shows the four level system used to model the population dynamics.

Fig. 4
Fig. 4

Plot of the excited-state population density versus FCA loss at different pump intensities, corresponding to a σ FCA = ( 1.08 ± 2.3 ) × 10 17 cm 2 . The linear fit indicates that the FCA cross section is independent of pump intensity.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

d N 0 d t = σ abs I p N 0 h υ + N 1 τ 1 , d N 1 d t = N 1 τ 1 + N 2 τ 2 + C N 2 2 , d N 2 d t = N 2 τ 2 + N 3 τ 3 2 C N 2 2 , d N 3 d t = N 3 τ 3 + σ abs I p N 0 h υ + C N 2 2 ,

Metrics