Abstract

We demonstrate an optical parametric oscillator (OPO) based on GaAs. The OPO utilizes an all-epitaxially-grown orientation-patterned GaAs crystal that is 0.5 mm thick, 5 mm wide, and 11 mm long, with a domain reversal period of 61.2 µm. Tuning either the near-IR pump wavelength between 1.8 and 2 µm or the temperature of the GaAs crystal allows the mid-IR output to be tuned between 2.28 and 9.14 µm, which is limited only by the spectral range of the OPO mirrors. The pump threshold of the singly resonant OPO is 16 µJ for the 6-ns pump pulses, and the photon conversion slope efficiency reaches 54%. We also show experimentally the possibility of pump-polarization-independent frequency conversion in GaAs.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
    [CrossRef]
  2. E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, Orlando, Fla., 1985).
  3. L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
    [CrossRef]
  4. C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
    [CrossRef]
  5. S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
    [CrossRef]
  6. L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
    [CrossRef]
  7. L. A. Eyres, “All-epitaxial orientation-patterned semiconductors for nonlinear optical frequency conversion,” Ph.D. dissertation (Stanford University, Stanford, Calif., 2001).
  8. O. Levi, T. J. Pinguet, T. Skauli, L. A. Eyres, K. R. Parameswaran, J. S. Harris, M. M. Fejer, T. J. Kulp, S. E. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, and L. Becouarn, Opt. Lett. 27, 2091 (2002).
    [CrossRef]
  9. T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
    [CrossRef]
  10. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed. (Academic, Amsterdam, 2003).

2003 (1)

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

2002 (2)

2001 (1)

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

1999 (2)

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Becouarn, L.

Bisson, S. E.

Boyd, R. W.

R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed. (Academic, Amsterdam, 2003).

Byer, R. L.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Ebert, C. B.

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

Ebihara, M.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Eckardt, R. C.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Eyres, L. A.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

O. Levi, T. J. Pinguet, T. Skauli, L. A. Eyres, K. R. Parameswaran, J. S. Harris, M. M. Fejer, T. J. Kulp, S. E. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, and L. Becouarn, Opt. Lett. 27, 2091 (2002).
[CrossRef]

T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
[CrossRef]

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

L. A. Eyres, “All-epitaxial orientation-patterned semiconductors for nonlinear optical frequency conversion,” Ph.D. dissertation (Stanford University, Stanford, Calif., 2001).

Feigelson, R. S.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Fejer, M. M.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
[CrossRef]

O. Levi, T. J. Pinguet, T. Skauli, L. A. Eyres, K. R. Parameswaran, J. S. Harris, M. M. Fejer, T. J. Kulp, S. E. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, and L. Becouarn, Opt. Lett. 27, 2091 (2002).
[CrossRef]

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Gerard, B.

Gordon, L. A.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Harris, J. S.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

O. Levi, T. J. Pinguet, T. Skauli, L. A. Eyres, K. R. Parameswaran, J. S. Harris, M. M. Fejer, T. J. Kulp, S. E. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, and L. Becouarn, Opt. Lett. 27, 2091 (2002).
[CrossRef]

T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
[CrossRef]

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

Ichinose, H.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Ishiwada, T.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Ito, R.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Koh, S.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Kondo, T.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Kulp, T. J.

Kuo, P. S.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

Lallier, E.

Levi, O.

Palik, E. D.

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, Orlando, Fla., 1985).

Parameswaran, K. R.

Pinguet, T. J.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

O. Levi, T. J. Pinguet, T. Skauli, L. A. Eyres, K. R. Parameswaran, J. S. Harris, M. M. Fejer, T. J. Kulp, S. E. Bisson, B. Gerard, E. Lallier, and L. Becouarn, Opt. Lett. 27, 2091 (2002).
[CrossRef]

T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
[CrossRef]

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

Route, R. R.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Sawada, H.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Schober, A.

Shoji, I.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Skauli, T.

Tourreau, P. J.

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

Vodopyanov, K. L.

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

T. Skauli, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, A. Schober, O. Levi, L. A. Eyres, M. M. Fejer, J. S. Harris, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, Opt. Lett. 27, 628 (2002).
[CrossRef]

Woods, G. L.

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, C. B. Ebert, J. S. Harris, M. M. Fejer, L. Becouarn, B. Gerard, and E. Lallier, Appl. Phys. Lett. 79, 904 (2001).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, and M. M. Fejer, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
[CrossRef]

J. Cryst. Growth (1)

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 201, 187 (1999).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys. (1)

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, H. Sawada, H. Ichinose, I. Shoji, and R. Ito, Jpn. J. Appl. Phys. 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Other (4)

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, Orlando, Fla., 1985).

L. A. Gordon, G. L. Woods, R. C. Eckardt, R. R. Route, R. S. Feigelson, M. M. Fejer, and R. L. Byer, Electron. Lett.29, 1942 (1993).
[CrossRef]

R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2nd ed. (Academic, Amsterdam, 2003).

L. A. Eyres, “All-epitaxial orientation-patterned semiconductors for nonlinear optical frequency conversion,” Ph.D. dissertation (Stanford University, Stanford, Calif., 2001).

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 (4)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic of the OP-GaAs OPO. Tunable 1.82µm pulses from a PPLN OPO were used as a pump. In the case of a double-pass OPO setup, mirror M5 is metallic and the backward OPO output is reflected by a ZnSe Brewster plate; in the case of a single-pass setup, the forward output goes through dielectric mirror M5. Inset, stain-etched cross section of a 500µm-thick OP-GaAs sample with a 61.2µm grating period, taken with a Nomarski microscope.

Fig. 2
Fig. 2

OP-GaAs OPO tuning curve (20 °C) with respect to the pump wavelength. Solid curve, calculated, based on Ref. 9. The OPO tuning range is limited entirely by the reflectivity spectrum of the dielectric mirrors.

Fig. 3
Fig. 3

OP-GaAs OPO temperature-tuning curves for two different pump wavelengths. Solid line, calculated, based on Ref. 9. Inset, OPO line shapes at different GaAs temperatures (pump 1.89 µm).

Fig. 4
Fig. 4

(a) OP-GaAs OPO output idler energy (λ=7.9 µm) as a function of pump energy for one- and two-pass OPO schemes and different pump polarizations. (b) Three cases of pump polarizations with respect to the OP-GaAs sample, as viewed by the incoming beam: Case A, pump polarization along [001]; case B, along [111]; and case C, along [110]. The signal and the idler polarization directions are the ones observed in experiment.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Dependence of Effective Nonlinearity on the Pump Polarization

Metrics