Abstract

Giant enhancement of second-harmonic generation (SHG) with 83.4%/W coversion efficiency is obtained, taking advantage of photorefractive surface waves with diffusion and drift nonlinearity. In this method, the self-bending induced by diffusion nonlinearity can be utilized at the surface and can solve the phase-mismatch problem in bulk due to beam self-bending. With drift nonlinearity, an applied external electric filed and background illumination can further constringe surface waves to the surface and consequently enhance SHG, which provides the possibility and flexibility of control.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
    [CrossRef]
  2. J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
    [CrossRef]
  3. M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
    [CrossRef]
  4. Y. Y. Zhu, R. F. Xiao, J. S. Fu, G. K. L. Wong, and N. B. Ming, Opt. Lett. 22, 1382 (1997).
    [CrossRef]
  5. S. Lan, M. F. Shih, G. Mizell, J. A. Giordmaine, Z. G. Chen, C. Anastassiou, J. Martin, and M. Segev, Opt. Lett. 24, 1145 (1999).
    [CrossRef]
  6. G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. M. Cronin-Golomb, Opt. Lett. 20, 2075 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. I. I. Smolyaninov, C. H. Lee, and C. C. Davis, Phys. Rev. Lett. 83, 2429 (1999).
    [CrossRef]
  9. T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
    [CrossRef]

2006

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

2001

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

1999

1997

1995

M. Cronin-Golomb, Opt. Lett. 20, 2075 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1992

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

1962

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Anastassiou, C.

Armstrong, J. A.

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Bertolotti, M.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Bloembergen, N.

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Bloemer, M. J.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Bowden, C. M.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Byer, R. L.

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

Centini, M.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Chen, Z. G.

Cronin-Golomb, M.

D’ Aguanno, G.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Davis, C. C.

I. I. Smolyaninov, C. H. Lee, and C. C. Davis, Phys. Rev. Lett. 83, 2429 (1999).
[CrossRef]

Duelling, J.

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Dumeige, Y.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Fejer, M. M.

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

Feng, L.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Fu, J. S.

Garcia Quirino, G. S.

G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Giordmaine, J. A.

Jia, F.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Jundt, D. H.

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

Kang, H. Z.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Lan, S.

Lee, C. H.

I. I. Smolyaninov, C. H. Lee, and C. C. Davis, Phys. Rev. Lett. 83, 2429 (1999).
[CrossRef]

Levenson, A.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Lu, Y. Z.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Magel, G. A.

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

Martin, J.

Ming, N. B.

Mizell, G.

Pershan, P. S.

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Ren, X. K.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Sagnes, I.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Sanchez-Mondragon, J. J.

G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Scalora, M.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Segev, M.

Shao, W. W.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Shih, M. F.

Sibilia, C.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Smolyaninov, I. I.

I. I. Smolyaninov, C. H. Lee, and C. C. Davis, Phys. Rev. Lett. 83, 2429 (1999).
[CrossRef]

Stepanov, S.

G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Vidakovic, P.

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Wang, B. H.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Wong, G. K. L.

Xiao, R. F.

Xu, J. J.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Yang, J.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Zhang, C. P.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Zhang, T. H.

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Zhu, Y. Y.

IEEE J. Quantum Electron.

M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
[CrossRef]

Opt. Lett.

Opt. Photonics News

M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D’ Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, and A. Levenson, Opt. Photonics News 12 (4), 39 (2001).
[CrossRef]

Phys. Rev.

J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Duelling, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
[CrossRef]

Phys. Rev. A

G. S. Garcia Quirino, J. J. Sanchez-Mondragon, and S. Stepanov, Phys. Rev. A 51, 1571 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. B

T. H. Zhang, J. Yang, H. Z. Kang, L. Feng, J. J. Xu, C. P. Zhang, X. K. Ren, B. H. Wang, Y. Z. Lu, F. Jia, and W. W. Shao, Phys. Rev. B 73, 153402 (2006).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

I. I. Smolyaninov, C. H. Lee, and C. C. Davis, Phys. Rev. Lett. 83, 2429 (1999).
[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

Setup for the generation and observation of SH waves.

Fig. 2
Fig. 2

Images of solitons, SWs, and the corresponding SH waves at the output face: ( a 1 ) diffraction of incident beam; ( b 1 ) PR soliton with E 0 = 413 V mm and I b = 43.5 mW cm 2 ; ( c 1 ) PR SW with diffusion nonlinearity; ( d 1 ) PR SW with diffusion and drift nonlinearities, E 0 = 413 V mm and I b = 43.5 mW cm 2 ; ( a 2 ) ( d 2 ) corresponding SH waves of ( a 1 ) ( d 1 ) at the output face.

Fig. 3
Fig. 3

Intensity distribution profiles of the surface wave. (a) Input face; (b)–(i) output face at z = 7.8 mm : (b) linear; (c) with diffusion nonlinearity; (d)–(f) with diffusion and drift nonlinearity, I b = 0 mW cm 2 , E 0 = 50 , 150, 435 V mm , respectively; (g)–(i) with diffusion and drift nonlinearity, E 0 = 435 V mm , I b = 10 , 100, 160 mW cm 2 , respectively.

Fig. 4
Fig. 4

Conversion efficiency η of SHG versus (a) applied external electric field E 0 and (b) background illumination I b .

Fig. 5
Fig. 5

Scheme of PM for SHG in the surface waveguide induced by PR SWs.

Equations (4)

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

2 E ( x , z ) + k 2 E ( x , z ) = 0 ,
E s c ( x , z ) = k B T e ln [ I ( x , z ) + I b ] + E 0 I b I ( x , z ) + I b ,
2 A x 2 + 2 A z 2 + γ A 2 A 2 + 1 A x a E 0 A A 2 + 1 = i 2 k 0 n A z ,
η = P 2 ω P ω ( χ ( 2 ) ) 2 P ω L 2 A sin 2 ( Δ k L 2 ) ( Δ k L 2 ) 2 ,

Metrics