We report the experimental demonstration of an electrically driven, single-mode, low threshold current (approximately 260 microA) photonic band gap laser operating at room temperature. The electrical current pulse is injected through a sub-micrometer-sized semiconductor wire at the center of the mode with minimal degradation of the quality factor. The actual mode of interest operates in a nondegenerate monopole mode, as evidenced through the comparison of the measurement with the computation based on the actual fabricated structural parameters. As a small step toward a thresholdless laser or a single photon source, this wavelength-size photonic crystal laser may be of interest to photonic crystals, cavity quantum electrodynamics, and quantum information communities.

Bound states in the continuum (BICs) represent localized modes with energies embedded in the continuous spectrum of radiating waves. BICs were discovered initially as a mathematical curiosity in quantum mechanics, and more recently were employed in photonics. Pure mathematical bound states have infinitely-large quality factors (Q factors) and zero resonant linewidth. In optics, BICs are physically limited by a finite size, material absorption, structural disorder, and surface scattering, and they manifest themselves as the resonant states with large Q factors, also known as supercavity modes or quasi-BICs. Optical BIC resonances have been demonstrated only in extended 2D and 1D systems and have been employed for distinct applications including lasing and sensing. Optical quasi-BIC modes in individual nanoresonators have been discovered recently but they were never observed in experiment. Here, we demonstrate experimentally an isolated subwavelength nanoresonator hosting a quasi-BIC resonance. We fabricate the resonator from AlGaAs material on an engineered substrate, and couple to the quasi-BIC mode using structured light. We employ the resonator as a nonlinear nanoantenna and demonstrate record-high efficiency of second-harmonic generation. Our study brings a novel platform to resonant subwavelength photonics.

We report optically pumped room-temperature lasing in GaN nanowires grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). Electron microscopy images reveal that the nanowires grow along a nonpolar ⟨11-20⟩ direction, have single-crystal structures and triangular cross sections. The nanowires function as free-standing Fabry–Pérot cavities with cavity mode spacings that depend inversely on length. Optical excitation studies demonstrate thresholds for stimulated emission of 22kW∕cm2 that are substantially lower than other previously reported GaN nanowires. Key contributions to low threshold lasing in these MOCVD GaN nanowire cavities and the development of electrically pumped GaN nanowire lasers are discussed.

Abstract Wavelength-scale lasers provide promising applications through low power consumption requiring for optical cavities with increased quality factors. Cavity radiative losses can be suppressed strongly in the regime of optical bound states in the continuum; however, a finite size of the resonator limits the performance of bound states in the continuum as cavity modes for active nanophotonic devices. Here, we employ the concept of a supercavity mode created by merging symmetry-protected and accidental bound states in the continuum in the momentum space, and realize an efficient laser based on a finite-size cavity with a small footprint. We trace the evolution of lasing properties before and after the merging point by varying the lattice spacing, and we reveal this laser demonstrates the significantly reduced threshold, substantially increased quality factor, and shrunken far-field images. Our results provide a route for nanolasers with reduced out-of-plane losses in finite-size active nanodevices and improved lasing characteristics.

Subwavelength diameter semiconductor nanowires can support optical resonances with anomalously large absorption cross sections, and thus tailoring these resonances to specific frequencies could enable a number of nanophotonic applications. Here, we report the design and synthesis of core/shell p-type/intrinsic/n-type (p/i/n) Si nanowires (NWs) with different sizes and cross-sectional morphologies as well as measurement and simulation of photocurrent spectra from single-NW devices fabricated from these NW building blocks. Approximately hexagonal cross-section p/i/n coaxial NWs of various diameters (170-380 nm) were controllably synthesized by changing the Au catalyst diameter, which determines core diameter, as well as shell deposition time, which determines shell thickness. Measured polarization-resolved photocurrent spectra exhibit well-defined diameter-dependent peaks. The corresponding external quantum efficiency (EQE) spectra calculated from these data show good quantitative agreement with finite-difference time-domain (FDTD) simulations and allow assignment of the observed peaks to Fabry-Perot, whispering-gallery, and complex high-order resonant absorption modes. This comparison revealed a systematic red-shift of equivalent modes as a function of increasing NW diameter and a progressive increase in the number of resonances. In addition, tuning shell synthetic conditions to enable enhanced growth on select facets yielded NWs with approximately rectangular cross sections; analysis of transmission electron microscopy and scanning electron microscopy images demonstrate that growth of the n-type shell at 860 °C in the presence of phosphine leads to enhanced relative Si growth rates on the four {113} facets. Notably, polarization-resolved photocurrent spectra demonstrate that at longer wavelengths the rectangular cross-section NWs have narrow and significantly larger amplitude peaks with respect to similar size hexagonal NWs. A rectangular NW with a diameter of 260 nm yields a dominant mode centered at 570 nm with near-unity EQE in the transverse-electric polarized spectrum. Quantitative comparisons with FDTD simulations demonstrate that these new peaks arise from cavity modes with high symmetry that conform to the cross-sectional morphology of the rectangular NW, resulting in low optical loss of the mode. The ability to modulate absorption with changes in nanoscale morphology by controlled synthesis represents a promising route for developing new photovoltaic and optoelectronic devices.

Over the past decade extensive studies of single semiconductor nanowire and nanowire array photovoltaic devices have explored the potential of these materials as platforms for a new generation of efficient and cost-effective solar cells. This feature review discusses strategies for implementation of semiconductor nanowires in solar energy applications, including advances in complex nanowire synthesis and characterization, fundamental insights from characterization of devices, utilization and control of the unique optical properties of nanowires, and new strategies for assembly and scaling of nanowires into diverse arrays that serve as a new paradigm for advanced solar cells.

Spin angular momentum (SAM)–encoded single-photon emitters, also known as circularly polarized single photons, are basic building blocks for the advancement of chiral quantum optics and cryptography. Despite substantial efforts such as coupling quantum emitters to grating-like optical metasurfaces and applying intense magnetic fields, it remains challenging to generate circularly polarized single photons from a subwavelength-scale nanostructure in the absence of a magnetic field. Here, we demonstrate single-photon emitters encoded with SAM in a strained WSe 2 monolayer coupled with chiral plasmonic gold nanoparticles. Single-photon emissions were observed at the nanoparticle position, exhibiting photon antibunching behavior with a g (2) (0) value of ~0.3 and circular polarization properties with a slight preference for left-circular polarization. Specifically, the measured Stokes parameters confirmed strong circular polarization characteristics, in contrast to emitters coupled with achiral gold nanocubes. Therefore, this work provides potential insights to make SAM-encoded single-photon emitters and understand the interaction of plasmonic dipoles and single photons, facilitating the development of chiral quantum optics.

Understanding complex neuronal networks requires monitoring long-term neuronal activity in various regions of the brain. Significant progress has been made in multi-site implantations of well-designed probes, such as multi-site implantation of Si-based and polymer-based probes. However, these multi-probe strategies have been limited by the sizes and weights of interfaces to the multiple probes and the inability to track the activity of the same neurons and changes in neuronal activity over longer time periods. Here, we report a long single flexible probe that can be implanted by stitching into multiple regions of the mouse brain and subsequently transmit chronically-stable neuronal signals from the multiple sites via a single low-mass interface. We implanted the probe at four different sites using a glass capillary needle or two sites using an ultrathin metal needle. In-vitro tests in brain-mimicking hydrogel showed that multi-site probe implantations achieved a high connection yield of >86%. In-vivo histological images at each site of probes, implanted by stitching using either glass capillary or ultrathin metal insertion needles exhibit seamless tissue-probe interfaces with negligible chronic immune response. In addition, electrophysiology studies demonstrated the ability to track single neuron activities at every injection site with chronic stability over at least one month. Notably, the measured spike amplitudes and signal-to-noise ratios at different implantation sites showed no statistically significant differences. Multi-site stitching implantation of flexible electronics in the brain opens up new opportunities for both fundamental neuroscience research and electrotherapeutic applications.