GeSn alloys have been regarded as a potential lasing material for a complementary metal–oxide–semiconductor-compatible light source. Despite their remarkable progress, all GeSn lasers reported to date have large device footprints and active areas, which prevent the realization of densely integrated on-chip lasers operating at low power consumption. Here, we present a 1D photonic crystal nanobeam with a very small device footprint of 7 μm2 and a compact active area of ∼1.2 μm2 on a high-quality GeSn-on-insulator substrate. We also report that the improved directness in our strain-free nanobeam lasers leads to a lower threshold density and a higher operating temperature compared to the compressive strained counterparts. The threshold density of the strain-free nanobeam laser is ∼18.2 kW cm−2 at 4 K, which is significantly lower than that of the unreleased nanobeam laser (∼38.4 kW cm−2 at 4 K). Lasing in the strain-free nanobeam device persists up to 90 K, whereas the unreleased nanobeam shows quenching of lasing at a temperature of 70 K. Our demonstration offers an avenue toward developing practical group-IV light sources with high-density integration and low power consumption.

1.
R.
Soref
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
12
,
1678
(
2006
).
2.
Z.
Zhou
,
B.
Yin
, and
J.
Michel
,
Light: Sci. Appl.
4
,
e358
(
2015
).
3.
J.
Liu
,
X.
Sun
,
R.
Camacho-Aguilera
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Lett.
35
,
679
(
2010
).
4.
R. E.
Camacho-Aguilera
,
Y.
Cai
,
N.
Patel
,
J. T.
Bessette
,
M.
Romagnoli
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
20
,
11316
(
2012
).
5.
R.
Koerner
,
M.
Oehme
,
M.
Gollhofer
,
M.
Schmid
,
K.
Kostecki
,
S.
Bechler
,
D.
Widmann
,
E.
Kasper
, and
J.
Schulze
,
Opt. Express
23
,
14815
(
2015
).
6.
D.
Nam
,
D. S.
Sukhdeo
,
J. H.
Kang
,
J.
Petykiewicz
,
J. H.
Lee
,
W. S.
Jung
,
J.
Vučković
,
M. L.
Brongersma
, and
K. C.
Saraswat
,
Nano Lett.
13
,
3118
(
2013
).
7.
M. J.
Süess
,
R.
Geiger
,
R. A.
Minamisawa
,
G.
Schiefler
,
J.
Frigerio
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
R.
Spolenak
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Nat. Photonics
7
,
466
(
2013
).
8.
J.
Petykiewicz
,
D.
Nam
,
D. S.
Sukhdeo
,
S.
Gupta
,
S.
Buckley
,
A. Y.
Piggott
,
J.
Vučković
, and
K. C.
Saraswat
,
Nano Lett.
16
,
2168
(
2016
).
9.
F. T.
Armand Pilon
,
A.
Lyasota
,
Y. M.
Niquet
,
V.
Reboud
,
V.
Calvo
,
N.
Pauc
,
J.
Widiez
,
C.
Bonzon
,
J. M.
Hartmann
,
A.
Chelnokov
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Nat. Commun.
10
,
2724
(
2019
).
10.
A.
Elbaz
,
M. E.
Kurdi
,
A.
Aassime
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
I.
Sagnes
,
C.
Baudot
,
F.
Boeuf
, and
P.
Boucaud
,
APL Photonics
3
,
106102
(
2018
).
11.
S.
Bao
,
D.
Kim
,
C.
Onwukaeme
,
S.
Gupta
,
K.
Saraswat
,
K. H.
Lee
,
Y.
Kim
,
D.
Min
,
Y.
Jung
,
H.
Qiu
,
H.
Wang
,
E. A.
Fitzgerald
,
C. S.
Tan
, and
D.
Nam
,
Nat. Commun.
8
,
1845
(
2017
).
12.
R.
Chen
,
H.
Lin
,
Y.
Huo
,
C.
Hitzman
,
T. I.
Kamins
, and
J. S.
Harris
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
181125
(
2011
).
13.
S.
Assali
,
J.
Nicolas
,
S.
Mukherjee
,
A.
Dijkstra
, and
O.
Moutanabbir
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
251903
(
2018
).
14.
O.
Moutanabbir
,
S.
Assali
,
X.
Gong
,
E.
O'Reilly
,
C. A.
Broderick
,
B.
Marzban
,
J.
Witzens
,
W.
Du
,
S. Q.
Yu
,
A.
Chelnokov
,
D.
Buca
, and
D.
Nam
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
110502
(
2021
).
15.
S.
Assali
,
M.
Elsayed
,
J.
Nicolas
,
M. O.
Liedke
,
A.
Wagner
,
M.
Butterling
,
R.
Krause-Rehberg
, and
O.
Moutanabbir
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
251907
(
2019
).
16.
S.
Gupta
,
B.
Magyari-Köpe
,
Y.
Nishi
, and
K. C.
Saraswat
,
J. Appl. Phys.
113
,
073707
(
2013
).
17.
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
N.
Von Den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Stoica
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
M.
Luysberg
,
S.
Chiussi
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
D.
Buca
, and
D.
Grützmacher
,
Nat. Photonics
9
,
88
(
2015
).
18.
V.
Reboud
,
A.
Gassenq
,
N.
Pauc
,
J.
Aubin
,
L.
Milord
,
Q. M.
Thai
,
M.
Bertrand
,
K.
Guilloy
,
D.
Rouchon
,
J.
Rothman
,
T.
Zabel
,
F.
Armand Pilon
,
H.
Sigg
,
A.
Chelnokov
,
J. M.
Hartmann
, and
V.
Calvo
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
092101
(
2017
).
19.
Q. M.
Thai
,
N.
Pauc
,
J.
Aubin
,
M.
Bertrand
,
J.
Chrétien
,
V.
Delaye
,
A.
Chelnokov
,
J.-M.
Hartmann
,
V.
Reboud
, and
V.
Calvo
,
Opt. Express
26
,
32500
(
2018
).
20.
D.
Stange
,
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
C.
Schulte-Braucks
,
B.
Marzban
,
N. V.
Den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Zabel
,
T.
Stoica
,
J. M.
Hartmann
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
D.
Grützmacher
,
H.
Sigg
,
J.
Witzens
, and
D.
Buca
,
ACS Photonics
3
,
1279
(
2016
).
21.
Y.
Zhou
,
W.
Dou
,
W.
Du
,
S.
Ojo
,
H.
Tran
,
S. A.
Ghetmiri
,
J.
Liu
,
G.
Sun
,
R.
Soref
,
J.
Margetis
,
J.
Tolle
,
B.
Li
,
Z.
Chen
,
M.
Mortazavi
, and
S. Q.
Yu
,
ACS Photonics
6
,
1434
(
2019
).
22.
J.
Margetis
,
S.
Al-Kabi
,
W.
Du
,
W.
Dou
,
Y.
Zhou
,
T.
Pham
,
P.
Grant
,
S.
Ghetmiri
,
A.
Mosleh
,
B.
Li
,
J.
Liu
,
G.
Sun
,
R.
Soref
,
J.
Tolle
,
M.
Mortazavi
, and
S. Q.
Yu
,
ACS Photonics
5
,
827
(
2018
).
23.
A.
Elbaz
,
D.
Buca
,
N.
von den Driesch
,
K.
Pantzas
,
G.
Patriarche
,
N.
Zerounian
,
E.
Herth
,
X.
Checoury
,
S.
Sauvage
,
I.
Sagnes
,
A.
Foti
,
R.
Ossikovski
,
J. M.
Hartmann
,
F.
Boeuf
,
Z.
Ikonic
,
P.
Boucaud
,
D.
Grützmacher
, and
M.
El Kurdi
,
Nat. Photonics
14
,
375
(
2020
).
24.
J.
Chrétien
,
N.
Pauc
,
F.
Armand Pilon
,
M.
Bertrand
,
Q. M.
Thai
,
L.
Casiez
,
N.
Bernier
,
H.
Dansas
,
P.
Gergaud
,
E.
Delamadeleine
,
R.
Khazaka
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
A.
Chelnokov
,
V.
Reboud
,
J. M.
Hartmann
, and
V.
Calvo
,
ACS Photonics
6
,
2462
(
2019
).
25.
N.
von den Driesch
,
D.
Stange
,
D.
Rainko
,
I.
Povstugar
,
P.
Zaumseil
,
G.
Capellini
,
T.
Schröder
,
T.
Denneulin
,
Z.
Ikonic
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
S.
Mantl
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
Adv. Sci.
5
,
1700955
(
2018
).
26.
D.
Stange
,
N.
von den Driesch
,
D.
Rainko
,
S.
Roesgaard
,
I.
Povstugar
,
J.-M.
Hartmann
,
T.
Stoica
,
Z.
Ikonic
,
S.
Mantl
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
Optica
4
,
185
(
2017
).
27.
W.
Du
,
S. A.
Ghetmiri
,
J.
Margetis
,
S.
Al-Kabi
,
Y.
Zhou
,
J.
Liu
,
G.
Sun
,
R. A.
Soref
,
J.
Tolle
,
B.
Li
,
M.
Mortazavi
, and
S. Q.
Yu
,
J. Appl. Phys.
122
,
123102
(
2017
).
28.
N.
von den Driesch
,
D.
Stange
,
S.
Wirths
,
D.
Rainko
,
I.
Povstugar
,
A.
Savenko
,
U.
Breuer
,
R.
Geiger
,
H.
Sigg
,
Z.
Ikonic
,
J. M.
Hartmann
,
D.
Grützmacher
,
S.
Mantl
, and
D.
Buca
,
Small
13
,
1603321
(
2017
).
29.
A.
Elbaz
,
R.
Arefin
,
E.
Sakat
,
B.
Wang
,
E.
Herth
,
G.
Patriarche
,
A.
Foti
,
R.
Ossikovski
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
K.
Pantzas
,
I.
Sagnes
,
J.
Chrétien
,
L.
Casiez
,
M.
Bertrand
,
V.
Calvo
,
N.
Pauc
,
A.
Chelnokov
,
P.
Boucaud
,
F.
Boeuf
,
V.
Reboud
,
J. M.
Hartmann
, and
M. E.
Kurdi
,
ACS Photonics
7
,
2713
(
2020
).
30.
T.
Zhou
,
M.
Tang
,
G.
Xiang
,
B.
Xiang
,
S.
Hark
,
M.
Martin
,
T.
Baron
,
S.
Pan
,
J. S.
Park
,
Z.
Liu
,
S.
Chen
,
Z.
Zhang
, and
H.
Liu
,
Nat. Commun.
11
,
977
(
2020
).
31.
Y.
Akahane
,
T.
Asano
,
B. S.
Song
, and
S.
Noda
,
Nature
425
,
944
(
2003
).
32.
M. K.
Seo
,
K. Y.
Jeong
,
J. K.
Yang
,
Y. H.
Lee
,
H. G.
Park
, and
S. B.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
171122
(
2007
).
33.
H. G.
Park
,
S. H.
Kim
,
S. H.
Kwon
,
Y. G.
Ju
,
J. K.
Yang
,
J. H.
Baek
,
S. B.
Kim
, and
Y. H.
Lee
,
Science
305
,
1444
(
2004
).
34.
B.
Ellis
,
M. A.
Mayer
,
G.
Shambat
,
T.
Sarmiento
,
J.
Harris
,
E. E.
Haller
, and
J.
Vučković
,
Nat. Photonics
5
,
297
(
2011
).
35.
Q. M.
Thai
,
N.
Pauc
,
J.
Aubin
,
M.
Bertrand
,
J.
Chrétien
,
A.
Chelnokov
,
J. M.
Hartmann
,
V.
Reboud
, and
V.
Calvo
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
051104
(
2018
).
36.
Y.
Gong
,
B.
Ellis
,
G.
Shambat
,
T.
Sarmiento
,
J. S.
Harris
, and
J.
Vuckovic
,
Opt. Express
18
,
8781
(
2010
).
37.
Y.
Zhang
,
M.
Khan
,
Y.
Huang
,
J.
Ryou
,
P.
Deotare
,
R.
Dupuis
, and
M.
Lončar
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
051104
(
2010
).
38.
K. Y.
Jeong
,
Y. S.
No
,
Y.
Hwang
,
K. S.
Kim
,
M. K.
Seo
,
H. G.
Park
, and
Y. H.
Lee
,
Nat. Commun.
4
,
2822
(
2013
).
39.
T. W.
Lu
,
L. H.
Chiu
,
P. T.
Lin
, and
P. T.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
071101
(
2011
).
40.
I.
Karnadi
,
J.
Son
,
J.-Y.
Kim
,
H.
Jang
,
S.
Lee
,
K. S.
Kim
,
B.
Min
, and
Y.-H.
Lee
,
Opt. Express
22
,
12115
(
2014
).
41.
D.
Burt
,
H.-J.
Joo
,
Y.
Jung
,
Y.
Kim
,
M.
Chen
,
Y. C.
Huang
, and
D.
Nam
,
Opt. Express
29
,
28959
28967
(
2021
).
42.
A.
Gassenq
,
L.
Milord
,
J.
Aubin
,
N.
Pauc
,
K.
Guilloy
,
J.
Rothman
,
D.
Rouchon
,
A.
Chelnokov
,
J. M.
Hartmann
,
V.
Reboud
, and
V.
Calvo
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
112101
(
2017
).
43.
D.
Sukhdeo
,
Y.
Kim
,
S.
Gupta
,
K.
Saraswat
,
B.
Dutt
, and
D.
Nam
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
1307
(
2016
).
44.
Y.
Kim
,
S.
Assali
,
D.
Burt
,
Y.
Jung
,
H.-J.
Joo
,
M.
Chen
,
Z.
Ikonic
,
O.
Moutanabbir
, and
D.
Nam
, arXiv:2106.08874 (
2021
).
45.
G.
Shambat
,
B.
Ellis
,
J.
Petykiewicz
,
M. A.
Mayer
,
T.
Sarmiento
,
J.
Harris
,
E. E.
Haller
, and
J.
Vukovi
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
071105
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.