Abstract

We have analyzed threshold gains and lasing modes in GaN-based photonic crystal (PC) surface emitting lasers (PCSELs) by using the multiple scattering method (MSM) for triangular-lattice PC patterns. Moreover, GaN-based PCSELs with different boundary shapes have been fabricated and measured. The lasing mode at the Γ band edge of GaN-based PCSELs can be identified by using the angled resolved spectroscopy and matched well to the results calculated by MSM. Threshold conditions in the GaN-based PCSELs with different boundary shapes are obtained by optical pumping and agree well with simulation results.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
    [CrossRef]
  2. M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
    [CrossRef]
  3. I. Vurgaftman and J. Meyer, IEEE J. Quantum Electron. 39, 689 (2003).
    [CrossRef]
  4. D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada, and S. Noda, Opt. Express 12, 1562 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
    [CrossRef]
  6. H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
    [CrossRef]
  7. T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
    [CrossRef]
  8. K. Sakoda, K. Ohtaka, and T. Ueta, Opt. Express 4, 481 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
    [CrossRef]
  10. K. Sakai, J. Yue, and S. Noda, Opt. Express 16, 6033 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
    [CrossRef]
  12. S. Nojima, J. Appl. Phys. 98, 043102 (2005).
    [CrossRef]
  13. S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
    [CrossRef]
  14. Y. Y. Chen and Z. Ye, Phys. Rev. E 65, 056612 (2002).
    [CrossRef]

2010 (2)

K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
[CrossRef]

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

2008 (3)

K. Sakai, J. Yue, and S. Noda, Opt. Express 16, 6033 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

2006 (1)

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

S. Nojima, J. Appl. Phys. 98, 043102 (2005).
[CrossRef]

2004 (1)

2003 (2)

Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
[CrossRef]

I. Vurgaftman and J. Meyer, IEEE J. Quantum Electron. 39, 689 (2003).
[CrossRef]

2002 (2)

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Y. Y. Chen and Z. Ye, Phys. Rev. E 65, 056612 (2002).
[CrossRef]

1999 (2)

K. Sakoda, K. Ohtaka, and T. Ueta, Opt. Express 4, 481 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Bewley, W. W.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Canedy, C. L.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Chen, S. W.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Chen, Y. Y.

Y. Y. Chen and Z. Ye, Phys. Rev. E 65, 056612 (2002).
[CrossRef]

Chutinan, A.

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Dodabalapur, A.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Fan, S. H.

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Hou, Y. J.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

Imada, M.

D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada, and S. Noda, Opt. Express 12, 1562 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Jianglin, Y.

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

Joannopoulos, J. D.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Kao, C. C.

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Kao, T. T.

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Kim, C. S.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Kim, M.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Kuo, H. C.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Lee, Y. H.

Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
[CrossRef]

Lin, L. F.

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Lindle, J. R.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Liu, T. C.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

Lu, T. C.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Matsubara, H.

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

Meier, M.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Mekis, A.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Meyer, J.

I. Vurgaftman and J. Meyer, IEEE J. Quantum Electron. 39, 689 (2003).
[CrossRef]

Meyer, J. R.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

Miyai, E.

K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
[CrossRef]

Mochizuki, M.

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Nalamasu, O.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Noda, S.

K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
[CrossRef]

K. Sakai, J. Yue, and S. Noda, Opt. Express 16, 6033 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

D. Ohnishi, T. Okano, M. Imada, and S. Noda, Opt. Express 12, 1562 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Nojima, S.

S. Nojima, J. Appl. Phys. 98, 043102 (2005).
[CrossRef]

Notomi, M.

Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
[CrossRef]

Ohnishi, D.

Ohtaka, K.

Okano, T.

Ryu, H. Y.

Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
[CrossRef]

Saito, H.

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

Sakai, K.

K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
[CrossRef]

K. Sakai, J. Yue, and S. Noda, Opt. Express 16, 6033 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Sakoda, K.

Slusher, R. E.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Tanaka, Y.

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

Timko, A.

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

Ueta, T.

Vurgaftman, I.

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

I. Vurgaftman and J. Meyer, IEEE J. Quantum Electron. 39, 689 (2003).
[CrossRef]

Wang, S. C.

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Ye, Z.

Y. Y. Chen and Z. Ye, Phys. Rev. E 65, 056612 (2002).
[CrossRef]

Yoshimoto, S.

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[CrossRef]

Yu, P.

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

Yue, J.

Appl. Phys. Lett. (4)

M. Meier, A. Mekis, A. Dodabalapur, A. Timko, R. E. Slusher, J. D. Joannopoulos, and O. Nalamasu, Appl. Phys. Lett. 74, 7 (1999).
[CrossRef]

M. Kim, C. S. Kim, W. W. Bewley, J. R. Lindle, C. L. Canedy, I. Vurgaftman, and J. R. Meyer, Appl. Phys. Lett. 88, 191105 (2006).
[CrossRef]

T. C. Lu, S. W. Chen, L. F. Lin, T. T. Kao, C. C. Kao, P. Yu, H. C. Kuo, S. C. Wang, and S. H. Fan, Appl. Phys. Lett. 92, 011129 (2008).
[CrossRef]

S. W. Chen, T. C. Lu, Y. J. Hou, T. C. Liu, H. C. Kuo, and S. C. Wang, Appl. Phys. Lett. 96, 071108 (2010).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron. (2)

K. Sakai, E. Miyai, and S. Noda, IEEE J. Quantum Electron. 46, 788 (2010).
[CrossRef]

I. Vurgaftman and J. Meyer, IEEE J. Quantum Electron. 39, 689 (2003).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

S. Nojima, J. Appl. Phys. 98, 043102 (2005).
[CrossRef]

Opt. Express (3)

Phys. Rev. B (2)

Y. H. Lee, H. Y. Ryu, and M. Notomi, Phys. Rev. B 68, 045209 (2003).
[CrossRef]

M. Imada, A. Chutinan, S. Noda, and M. Mochizuki, Phys. Rev. B 65, 195306 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. E (1)

Y. Y. Chen and Z. Ye, Phys. Rev. E 65, 056612 (2002).
[CrossRef]

Science (1)

H. Matsubara, S. Yoshimoto, H. Saito, Y. Jianglin, Y. Tanaka, and S. Noda, Science 319, 445 (2008).
[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 (5)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Photonic band dispersion curves of a triangle lattice PC with TE mode polarization calculated by PWEM near the first Γ band edges showing four different modes. (b) Normalized frequencies of lasing modes calculated by the MSM for different PC shells (N values).

Fig. 2
Fig. 2

Threshold amplitude gain of four modes as a function of the hole-filling factor. The inset shows the lasing mode at Γ point in the PC plane using the Bragg diffraction scheme [7].

Fig. 3
Fig. 3

SEM images of the (a) circular boundary and the (b) hexagonal boundary PC patterns of a GaN-based PCSEL.

Fig. 4
Fig. 4

Measured ARPL diagrams near the Γ point. The red dashed lines represent the calculated photonic band dispersion curves. ARPL diagrams pumped by an (a) He–Cd laser and a (b)  YVO 4 pulse laser.

Fig. 5
Fig. 5

Measured output intensity versus input excitation energy density of GaN-based PCSELs with bottom AlN/GaN distributed Bragg reflectors. The black solid squares and red solid circles represent the circular boundary and the hexagonal boundary, respectively.

Equations (2)

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

ε backgound ( ω ) = ε GaN ( ω ) i 2 c ε GaN ω k a ,
Γ n i A n i j = 1 , j i N l = G l , n i , j A l j = T n i .

Metrics