Abstract

Dielectric shielded nanoscale patch laser resonators are introduced. Low-index dielectric shield layers surrounding a high-index core are shown to significantly reduce both metal and radiation losses. Structures suitable for both optical and electrical pumping and smaller than the vacuum wavelength in all three dimensions are shown to have a low enough threshold gain to lase at room temperature. Shifting the gain medium core provides control over the radiation pattern of the resonator and enables coupling of the laser light into a waveguide, opening opportunities for chipscale integration.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
    [CrossRef]
  2. A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
    [CrossRef]
  4. J. A. Gordon and R. W. Ziolkowski, Opt. Express 15, 2622 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. C. Manolatou and F. Rana, IEEE J. Quantum Electron. 44, 435 (2008).
    [CrossRef]
  6. K. Yu, A. Lakhani, and M. C. Wu, Opt. Express 18, 8790 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
    [CrossRef]
  8. C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
    [CrossRef]
  9. C. A. Balanis, Antenna Theory—Analysis and Design (Academic, 2005).
  10. E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1997).
  11. E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
    [CrossRef]
  12. P. B. Johnson and R. W. Christy, Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).
    [CrossRef]
  13. M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
    [CrossRef]

2010

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

K. Yu, A. Lakhani, and M. C. Wu, Opt. Express 18, 8790 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
[CrossRef]

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

2008

2007

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

J. A. Gordon and R. W. Ziolkowski, Opt. Express 15, 2622 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2002

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

1979

E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
[CrossRef]

1972

P. B. Johnson and R. W. Christy, Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).
[CrossRef]

Balanis, C. A.

C. A. Balanis, Antenna Theory—Analysis and Design (Academic, 2005).

Bimberg, D.

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

Bondarenko, O.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

Chang, S.

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

Che, K.

K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
[CrossRef]

Christy, R. W.

P. B. Johnson and R. W. Christy, Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).
[CrossRef]

Chuang, S. L.

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

De Vries, T.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

De Waardt, H.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Eijkemans, T. J.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Fainman, Y.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Feng, L.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Geluk, E. J.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Gentner, J. L.

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

Germann, T. D.

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

Goebel, E. O.

E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
[CrossRef]

Gordon, J. A.

Groning, A.

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

Hill, M. T.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Huang, Y.

K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
[CrossRef]

Johnson, P. B.

P. B. Johnson and R. W. Christy, Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).
[CrossRef]

Korbl, M.

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

Kwon, S. H.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Lakhani, A.

Lee, Y. H.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Lomakin, V.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Lu, C.

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

Luz, G.

E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
[CrossRef]

Manolatou, C.

C. Manolatou and F. Rana, IEEE J. Quantum Electron. 44, 435 (2008).
[CrossRef]

Mizrahi, A.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nezhad, M. P.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

A. Mizrahi, V. Lomakin, B. A. Slutsky, M. P. Nezhad, L. Feng, and Y. Fainman, Opt. Lett. 33, 1261 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Notzel, R.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Oei, Y. S.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Palik, E. D.

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1997).

Rana, F.

C. Manolatou and F. Rana, IEEE J. Quantum Electron. 44, 435 (2008).
[CrossRef]

Schlosser, E.

E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
[CrossRef]

Schweizer, H.

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

Simic, A.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

Slutsky, B.

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

Slutsky, B. A.

Smalbrugge, B.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Smit, M. K.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Turkiewicz, J. P.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Van Otten, F. W. M.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Van Veldhoven, P. J.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Wu, M. C.

Yang, Y.

K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
[CrossRef]

Yu, K.

Zhu, Y.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

Ziolkowski, R. W.

Appl. Phys. Lett.

K. Che, Y. Yang, and Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 96, 051104 (2010).
[CrossRef]

C. Lu, S. Chang, S. L. Chuang, T. D. Germann, and D. Bimberg, Appl. Phys. Lett. 96, 251101 (2010).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

C. Manolatou and F. Rana, IEEE J. Quantum Electron. 44, 435 (2008).
[CrossRef]

E. O. Goebel, G. Luz, and E. Schlosser, IEEE J. Quantum Electron. 15, 697 (1979).
[CrossRef]

J. Appl. Phys.

M. Korbl, A. Groning, H. Schweizer, and J. L. Gentner, J. Appl. Phys. 92, 2942 (2002).
[CrossRef]

Nat. Photon.

M. T. Hill, Y. S. Oei, B. Smalbrugge, Y. Zhu, T. De Vries, P. J. Van Veldhoven, F. W. M. Van Otten, T. J. Eijkemans, J. P. Turkiewicz, H. De Waardt, E. J. Geluk, S. H. Kwon, Y. H. Lee, R. Notzel, and M. K. Smit, Nat. Photon. 1, 589 (2007).
[CrossRef]

M. P. Nezhad, A. Simic, O. Bondarenko, B. Slutsky, A. Mizrahi, L. Feng, V. Lomakin, and Y. Fainman, Nat. Photon. 4, 395 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. B

P. B. Johnson and R. W. Christy, Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).
[CrossRef]

Other

C. A. Balanis, Antenna Theory—Analysis and Design (Academic, 2005).

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1997).

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 (5)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Schematic of the dielectric shielded nanoscale patch resonator. (b) Schematic of a resonator suitable for electrical pumping.

Fig. 2
Fig. 2

Optimal threshold gain as a function of d out for different modes. The vertical lines show the effective cutoff in the plug waveguide for each one of the modes.

Fig. 3
Fig. 3

Normalized electric field intensity distribution in the resonator. (a)  TE 012 mode in a DSNR suitable for optical pumping with ε s = ε p = 2.1 . (b)  TE 011 mode in a DSNR suitable for electrical pumping with ε s = 3.17 2 and ε p = 1 .

Fig. 4
Fig. 4

(a) Radiation pattern of the TE 012 mode DSNR of Fig. 3a. (b) Radiation pattern of the DSNR with shifted gain core by δ = 850 nm and extended R out of 1550 nm .

Fig. 5
Fig. 5

(a) Schematic of a DSNR coupled to a waveguide. (b) Snapshot of E x at the very central horizontal plane at a distance of 200 nm from the metal ground.

Metrics