The room-temperature active modulation of plasmonic nanolasers is demonstrated on the hybrid graphene–insulator–metal (GIM) platform. The threshold and lasing intensity of ZnO plasmonic nanolasers are modulated by injecting the current into the graphene layer in order to break the Lorentz reciprocity in the plasmonic cavity. The laser threshold increases with the external current injection, and a 0.17-nm Doppler shift is observed with 120-mA external current injection. The theoretical model is constructed that takes both the nonreciprocal effect and thermal effect induced by the current injection into consideration. The nanolaser operated at room temperature and with the functionality of threshold modulation on the GIM platform shall be very promising in the development of integrated photonic circuits.

1.
M.
Smit
,
J.
van der Tol
, and
M.
Hill
,
Laser Photonics Rev.
6
,
1
13
(
2012
).
2.
A. E.-J.
Lim
,
J.
Song
,
Q.
Fang
,
C.
Li
,
X.
Tu
,
N.
Duan
,
K. K.
Chen
,
R. P.-C.
Tern
, and
T.-Y.
Liow
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
20
,
405
416
(
2014
).
3.
L.
Fan
,
J.
Wang
,
L. T.
Varghese
,
H.
Shen
,
B.
Niu
,
Y.
Xuan
,
A. M.
Weiner
, and
M.
Qi
,
Science
335
,
447
450
(
2012
).
4.
H.
Ramezani
,
S.
Kalish
,
I.
Vitebskiy
, and
T.
Kottos
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
043904
(
2014
).
5.
Y.
Shi
,
Z.
Yu
, and
S.
Fan
,
Nat. Photonics
9
,
388
(
2015
).
6.
N.
Chamanara
,
S.
Taravati
,
Z.-L.
Deck-Léger
, and
C.
Caloz
,
Phys. Rev. B
96
,
155409
(
2017
).
7.
V. I.
Belotelov
,
L. L.
Doskolovich
, and
A. K.
Zvezdin
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
077401
(
2007
).
8.
T. R.
Zaman
,
X.
Guo
, and
R. J.
Ram
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
023514
(
2007
).
9.
V. I.
Belotelov
,
D. A.
Bykov
,
L. L.
Doskolovich
,
A. N.
Kalish
, and
A. K.
Zvezdin
,
J. Opt. Soc. Am. B
26
,
1594
1598
(
2009
).
10.
K.
Gallo
,
G.
Assanto
,
K. R.
Parameswaran
, and
M. M.
Fejer
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
314
316
(
2001
).
11.
S. F.
Mingaleev
and
Y. S.
Kivshar
,
J. Opt. Soc. Am. B
19
,
2241
2249
(
2002
).
12.
M.
Soljačić
,
C.
Luo
,
J. D.
Joannopoulos
, and
S.
Fan
,
Opt. Lett.
28
,
637
639
(
2003
).
13.
Z.
Wang
,
Y.
Chong
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Nature
461
,
772
775
(
2009
).
14.
Z.
Wang
,
Y. D.
Chong
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
013905
(
2008
).
15.
L.
Lu
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Nat. Photonics
8
,
821
(
2014
).
16.
M.
Li
,
X.
Ni
,
M.
Weiner
,
A.
Alù
, and
A. B.
Khanikaev
,
Phys. Rev. B
100
,
045423
(
2019
).
17.
V. I.
Belotelov
,
L. L.
Doskolovich
,
V. A.
Kotov
,
E. A.
Bezus
,
D. A.
Bykov
, and
A. K.
Zvezdin
,
Opt. Commun.
278
,
104
109
(
2007
).
18.
W. L.
Barnes
,
A.
Dereux
, and
T. W.
Ebbesen
,
Nature
424
,
824
830
(
2003
).
20.
Z.
Liu
,
J. M.
Steele
,
W.
Srituravanich
,
Y.
Pikus
,
C.
Sun
, and
X.
Zhang
,
Nano Lett.
5
,
1726
1729
(
2005
).
21.
J. A.
Schuller
,
E. S.
Barnard
,
W.
Cai
,
Y. C.
Jun
,
J. S.
White
, and
M. L.
Brongersma
,
Nat. Mater.
9
,
193
204
(
2010
).
22.
K. A.
Willets
and
R. P. V.
Duyne
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
58
,
267
297
(
2007
).
23.
S.
Pillai
,
K. R.
Catchpole
,
T.
Trupke
, and
M.
Green
,
J. Appl. Phys.
101
,
093105
(
2007
).
24.
D. M.
Schaadt
,
B.
Feng
, and
E. T.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
063106
(
2005
).
25.
R. F.
Oulton
,
V. J.
Sorger
,
T.
Zentgraf
,
R.-M.
Ma
,
C.
Gladden
,
L.
Dai
,
G.
Bartal
, and
X.
Zhang
,
Nature
461
,
629
632
(
2009
).
26.
Y.-J.
Lu
,
J.
Kim
,
H.-Y.
Chen
,
C.
Wu
,
N.
Dabidian
,
C. E.
Sanders
,
C.-Y.
Wang
,
M.-Y.
Lu
,
B.-H.
Li
,
X.
Qiu
,
W.-H.
Chang
,
L.-J.
Chen
,
G.
Shvets
,
C.-K.
Shih
, and
S.
Gwo
,
Science
337
,
450
453
(
2012
).
27.
Y.-H.
Chou
,
B.-T.
Chou
,
C.-K.
Chiang
,
Y.-Y.
Lai
,
C.-T.
Yang
,
H.
Li
,
T.-R.
Lin
,
C.-C.
Lin
,
H.-C.
Kuo
,
S.-C.
Wang
, and
T.-C.
Lu
,
ACS Nano
9
,
3978
3983
(
2015
).
28.
Y.-H.
Chou
,
Y.-M.
Wu
,
K.-B.
Hong
,
B.-T.
Chou
,
J.-H.
Shih
,
Y.-C.
Chung
,
P.-Y.
Chen
,
T.-R.
Lin
,
C.-C.
Lin
,
S.-D.
Lin
, and
T.-C.
Lu
,
Nano Lett.
16
,
3179
3186
(
2016
).
29.
T.-C.
Lu
,
Y.-H.
Chou
,
K.-B.
Hong
,
Y.-C.
Chung
,
T.-R.
Lin
,
S.
Arakelian
, and
A.
Alodjants
, in
Plasmonics: Design, Materials, Fabrication, Characterization, and Applications XV
(
International Society for Optics and Photonics
,
2017
), p.
103460W
.
30.
Y.-H.
Chou
,
K.-B.
Hong
,
C.-T.
Chang
,
T.-C.
Chang
,
Z.-T.
Huang
,
P.-J.
Cheng
,
J.-H.
Yang
,
M.-H.
Lin
,
T.-R.
Lin
,
K.-P.
Chen
,
S.
Gwo
, and
T.-C.
Lu
,
Nano Lett.
18
,
747
753
(
2018
).
31.
N.
Chamanara
and
C.
Caloz
,
Phys. Rev. B
94
,
075413
(
2016
).
32.
K. Y.
Bliokh
,
F. J.
Rodríguez-Fortuño
,
A. Y.
Bekshaev
,
Y. S.
Kivshar
, and
F.
Nori
,
Opt. Lett.
43
,
963
966
(
2018
).
33.
T. A.
Morgado
and
M. G.
Silveirinha
,
ACS Photonics
5
,
4253
4258
(
2018
).
34.
H.
Li
,
K.-B.
Hong
,
C.-Y.
Hsu
,
Z.-T.
Huang
, and
T.-C.
Lu
, in
2019 24th Microoptics Conference (MOC)
(
IEEE
,
2019
), pp.
50
51
.
35.
H.
Li
,
J.-H.
Li
,
K.-B.
Hong
,
M.-W.
Yu
,
Y.-C.
Chung
,
C.-Y.
Hsu
,
J.-H.
Yang
,
C.-W.
Cheng
,
Z.-T.
Huang
,
K.-P.
Chen
,
T.-R.
Lin
,
S.
Gwo
, and
T.-C.
Lu
,
Nano Lett.
19
,
5017
5024
(
2019
).
36.
H.
Li
,
Z.-T.
Huang
,
K.-B.
Hong
,
C.-Y.
Hsu
,
J.-W.
Chen
,
C.-W.
Cheng
,
K.-P.
Chen
,
T.-R.
Lin
,
S.-J.
Gwo
, and
T.-C.
Lu
,
Adv. Sci.
7
,
2001823
(
2020
).
37.
M.
Liu
,
X.
Yin
,
E.
Ulin-Avila
,
B.
Geng
,
T.
Zentgraf
,
L.
Ju
,
F.
Wang
, and
X.
Zhang
,
Nature
474
,
64
67
(
2011
).
38.
N.
Papasimakis
,
Z.
Luo
,
Z. X.
Shen
,
F.
De Angelis
,
E.
Di Fabrizio
,
A. E.
Nikolaenko
, and
N. I.
Zheludev
,
Opt. Express
18
,
8353
8359
(
2010
).
39.
F.
Xia
,
T.
Mueller
,
Y.-m.
Lin
,
A.
Valdes-Garcia
, and
P.
Avouris
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
839
843
(
2009
).
40.
L. S.
Levitov
,
A. V.
Shtyk
, and
M. V.
Feigelman
,
Phys. Rev. B
88
,
235403
(
2013
).
41.
S.
Das Sarma
and
E. H.
Hwang
,
Phys. Rev. B
87
,
045425
(
2013
).
42.
D. C.
Elias
,
R. V.
Gorbachev
,
A. S.
Mayorov
,
S. V.
Morozov
,
A. A.
Zhukov
,
P.
Blake
,
L. A.
Ponomarenko
,
I. V.
Grigorieva
,
K. S.
Novoselov
,
F.
Guinea
, and
A. K.
Geim
,
Nat. Phys.
7
,
701
704
(
2011
).
43.
S. H.
Abedinpour
,
G.
Vignale
,
A.
Principi
,
M.
Polini
,
W.-K.
Tse
, and
A. H.
MacDonald
,
Phys. Rev. B
84
,
045429
(
2011
).
44.
T. P. H.
Sidiropoulos
,
R.
Röder
,
S.
Geburt
,
O.
Hess
,
S. A.
Maier
,
C.
Ronning
, and
R. F.
Oulton
,
Nat. Phys.
10
,
870
(
2014
).
45.
Q.
Zhang
,
G.
Li
,
X.
Liu
,
F.
Qian
,
Y.
Li
,
T. C.
Sum
,
C. M.
Lieber
, and
Q.
Xiong
,
Nat. Commun.
5
,
4953
(
2014
).
46.
J.
Ho
,
J.
Tatebayashi
,
S.
Sergent
,
C. F.
Fong
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
ACS Photonics
2
,
165
171
(
2015
).
47.
Y.-H.
Chou
,
K.-B.
Hong
,
B.-T.
Chou
,
Y.-M.
Wu
,
J.-H.
Shih
,
Y.-C.
Chung
,
P.-Y.
Chen
,
T.-R.
Lin
,
S.-D.
Lin
, and
T.-C.
Lu
, in
2016 International Semiconductor Laser Conference (ISLC)
(
IEEE
,
2016
), pp.
1
3
.
48.
Y.-H.
Chou
,
B.-T.
Chou
,
S.-D.
Lin
,
T.-R.
Lin
,
C.-C.
Lin
, and
T.-C.
Lu
,
CLEO QELS_Fundamental Science
(
Optical Society of America
,
2016
), p.
JW2A98
.
49.
Y. W.
Tan
,
Y.
Zhang
,
H. L.
Stormer
, and
P.
Kim
,
Eur. Phys. J. Spec. Top.
148
,
15
18
(
2007
).
50.
K. I.
Bolotin
,
K. J.
Sikes
,
Z.
Jiang
,
M.
Klima
,
G.
Fudenberg
,
J.
Hone
,
P.
Kim
, and
H. L.
Stormer
,
Solid State Commun.
146
,
351
355
(
2008
).
51.
B. V.
Duppen
,
A.
Tomadin
,
A. N.
Grigorenko
, and
M.
Polini
,
2D Mater.
3
,
015011
(
2016
).
52.
T.
Wenger
,
G.
Viola
,
J.
Kinaret
,
M.
Fogelström
, and
P.
Tassin
,
Phys. Rev. B
97
,
085419
(
2018
).
53.
C.
Hwang
,
D. A.
Siegel
,
S.-K.
Mo
,
W.
Regan
,
A.
Ismach
,
Y.
Zhang
,
A.
Zettl
, and
A.
Lanzara
,
Sci. Rep.
2
,
590
(
2012
).
54.
Y.
Zhang
,
D.-J.
Chen
, and
C.-T.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
161911
(
2007
).
55.
R.-M.
Ma
,
X.
Yin
,
R. F.
Oulton
,
V. J.
Sorger
, and
X.
Zhang
,
Nano Lett.
12
,
5396
5402
(
2012
).
56.
S.-L.
Wang
,
S.
Wang
,
X.-K.
Man
, and
R.-M.
Ma
,
Nanophotonics
9
,
3403
3408
(
2020
).
You do not currently have access to this content.