Abstract

Owing to strong coupling between transverse-optical phonons and high-frequency terahertz waves in zinc-blende semiconductors, second-order nonlinear coefficients can be dramatically enhanced within the forbidden band of the polariton resonance. However, linear absorption in this regime is also dramatically increased. We show that transverse-pumping geometry can be exploited for achieving an efficient terahertz generation at the polariton resonance. Our estimates illustrate that pump powers as low as 100 mW are sufficient for causing the significant depletion of the pump beams.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. F. Blanchard, L. Razzari, H.-C. Bandulet, G. Sharma, R. Morandotti, J.-C. Kieffer, T. Ozaki, M. Reid, H. F. Tiedje, H. K. Haugen, and F. A. Hegmann, Opt. Express 15, 13212 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. W. Shi, Y. J. Ding, N. Fernelius, and K. L. Vodopyanov, Opt. Lett. 27, 1454 (2002).
    [CrossRef]
  3. W. L. Faust and C. H. Henry, Phys. Rev. Lett. 17, 1265 (1966).
    [CrossRef]
  4. M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. A. Mayer and F. Keilmann, Phys. Rev. B 33, 6954 (1986).
    [CrossRef]
  7. Y. J. Ding, S. J. Lee, and J. B. Khurgin, Phys. Rev. Lett. 75, 429 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).
  9. Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
    [CrossRef]
  10. C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
    [CrossRef]
  11. S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
    [CrossRef]
  12. X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
    [CrossRef]
  13. F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
    [CrossRef]
  14. T. Skauli, P. S. Kuo, K. L. Vodopyanov, T. J. Pinguet, O. Levi, L. A. Eyres, J. S. Harris, M. M. Fejer, B. Gerard, L. Becouarn, and E. Lallier, J. Appl. Phys. 94, 6447 (2003).
    [CrossRef]
  15. A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communications (Oxford U. Press, 1997), pp. 319-320.
  16. J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1998), pp. 411-412.
  17. A. K. Azad and W. Zhang, Opt. Lett. 30, 2945 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  18. J. B. Khurgin, G. Sun, and R. A. Soref, J. Opt. Soc. Am. B 24, 1968 (2007).
    [CrossRef]

2007 (3)

2005 (2)

A. K. Azad and W. Zhang, Opt. Lett. 30, 2945 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
[CrossRef]

2003 (2)

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

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

2002 (1)

2001 (1)

Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).

2000 (1)

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

1999 (2)

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

1995 (1)

Y. J. Ding, S. J. Lee, and J. B. Khurgin, Phys. Rev. Lett. 75, 429 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1994 (1)

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1986 (1)

A. Mayer and F. Keilmann, Phys. Rev. B 33, 6954 (1986).
[CrossRef]

1966 (1)

W. L. Faust and C. H. Henry, Phys. Rev. Lett. 17, 1265 (1966).
[CrossRef]

Avetisyan, Y.

Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).

Azad, A. K.

Bachmann, K. J.

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

Bandulet, H. -C.

Barmentlo, M.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Becouarn, L.

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

Blanchard, F.

Dekorsy, T.

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Dietz, N.

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

Dimmock, J. O.

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

Ding, Y. J.

Ebert, C. B.

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

Ebihara, M.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Eliel, E. R.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Eyres, L. A.

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

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

Faust, W. L.

W. L. Faust and C. H. Henry, Phys. Rev. Lett. 17, 1265 (1966).
[CrossRef]

Fejer, M. M.

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

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

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

Fernelius, N.

Gerard, B.

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

Harris, J. S.

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

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

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

Haugen, H. K.

Hegmann, F. A.

Helm, M.

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Henry, C. H.

W. L. Faust and C. H. Henry, Phys. Rev. Lett. 17, 1265 (1966).
[CrossRef]

Ishiwada, T.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Ito, H.

Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
[CrossRef]

Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).

Jackson, J. D.

J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1998), pp. 411-412.

Keilmann, F.

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

A. Mayer and F. Keilmann, Phys. Rev. B 33, 6954 (1986).
[CrossRef]

Khurgin, J. B.

J. B. Khurgin, G. Sun, and R. A. Soref, J. Opt. Soc. Am. B 24, 1968 (2007).
[CrossRef]

Y. J. Ding, S. J. Lee, and J. B. Khurgin, Phys. Rev. Lett. 75, 429 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Kieffer, J. -C.

Koh, S.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Kondo, T.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Kuo, P. S.

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

Lallier, E.

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

Lee, S. J.

Y. J. Ding, S. J. Lee, and J. B. Khurgin, Phys. Rev. Lett. 75, 429 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Levi, O.

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

Lin, A. C.

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

Madarasz, F. L.

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

Mayer, A.

A. Mayer and F. Keilmann, Phys. Rev. B 33, 6954 (1986).
[CrossRef]

Morandotti, R.

Ozaki, T.

Pinguet, T. J.

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

Razzari, L.

Reid, M.

Sasaki, Y.

Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
[CrossRef]

Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).

Sawada, H.

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Scaccabarozzi, L.

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

Seidel, W.

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Sharma, G.

Shi, W.

Skauli, T.

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

Soref, R. A.

Sun, G.

't Hooft, G. W.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Tiedje, H. F.

van Amersfoort, P. W.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

van der Ham, E. W. M.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

van der Meer, A. F. G.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Vodopyanov, K. L.

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

W. Shi, Y. J. Ding, N. Fernelius, and K. L. Vodopyanov, Opt. Lett. 27, 1454 (2002).
[CrossRef]

Vrehen, Q. H. F.

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Yakovlev, V. A.

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Yariv, A.

A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communications (Oxford U. Press, 1997), pp. 319-320.

Yokoyama, H.

Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
[CrossRef]

Yu, X.

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

Zhang, W.

Appl. Phys. B (1)

Y. Avetisyan, Y. Sasaki, and H. Ito, Appl. Phys. B 73, 511 (2001).

Electron. Lett. (1)

Y. Sasaki, H. Yokoyama, and H. Ito, Electron. Lett. 41, 712 (2005).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (2)

F. L. Madarasz, J. O. Dimmock, N. Dietz, and K. J. Bachmann, J. Appl. Phys. 87, 1564 (2000).
[CrossRef]

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

J. Cryst. Growth (2)

X. Yu, L. Scaccabarozzi, A. C. Lin, M. M. Fejer, and J. S. Harris, J. Cryst. Growth 301-302, 163 (2007).
[CrossRef]

C. B. Ebert, L. A. Eyres, M. M. Fejer, and J. S. Harris, Jr., J. Cryst. Growth 201/202, 187 (1999).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 (1)

S. Koh, T. Kondo, M. Ebihara, T. Ishiwada, and H. Sawada, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 38, L508 (1999).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. A (1)

M. Barmentlo, G. W. 't Hooft, E. R. Eliel, E. W. M. van der Ham, Q. H. F. Vrehen, A. F. G. van der Meer, and P. W. van Amersfoort, Phys. Rev. A 50, R14 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. B (1)

A. Mayer and F. Keilmann, Phys. Rev. B 33, 6954 (1986).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

Y. J. Ding, S. J. Lee, and J. B. Khurgin, Phys. Rev. Lett. 75, 429 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

T. Dekorsy, V. A. Yakovlev, W. Seidel, M. Helm, and F. Keilmann, Phys. Rev. Lett. 90, 055508 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

W. L. Faust and C. H. Henry, Phys. Rev. Lett. 17, 1265 (1966).
[CrossRef]

Other (2)

A. Yariv, Optical Electronics in Modern Communications (Oxford U. Press, 1997), pp. 319-320.

J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1998), pp. 411-412.

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 (3)

Fig. 1
Fig. 1

A transverse-pumping configuration for efficient generation of terahertz waves from a highly lossy second-order nonlinear medium.

Fig. 2
Fig. 2

Domain period versus frequency for bulk GaP and GaAs crystals. Inset: Normalized terahertz output power in the far-field versus angle of propagation direction formed with z axis for L = ( 50 / π ) λ THz , as an example.

Fig. 3
Fig. 3

Square of nonlinear coefficient normalized by square of electronic nonlinear coefficient is plotted versus frequency to illustrate huge polariton resonances for GaAs and GaP in the terahertz domain.

Equations (8)

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

P THz = d eff E 1 E 2   exp { i [ ω THz t ( k 1 k 2 ) z ] } + c .c . ,
Λ = 2 π k 1 k 2 .
P THz P THz , 0   cos ( ω THz t ) ,
d P out d Ω = z 0 ω 4 L 2 ( 1 sin 2 θ cos 2 ϕ ) 32 π 2 c 2 [ sin ( ω L   cos   θ / 2 c ) ω L   cos   θ / 2 c ] 2 ( w / 2 w / 2 d y t / 2 t / 2 | P THz , 0 | d x ) 2 ,
P out = 0 π sin   θ d θ 0 π d P out d Ω d ϕ .
P out 16 π | d b | 2 L P 1 P 2 ξ c ε 0 3 λ THz 3 n 1 n 2 ,
ξ = ( w / 2 w / 2 d x t / 2 t / 2 E 1 E 2 d y ) 2 ( d x E 1 2 d y ) ( d x E 2 2 d y ) .
d b = d e [ 1 + C e i ν TO 2 ν TO 2 ν 2 i Γ ν ] ,

Metrics