Abstract

We theoretically study second harmonic generation in nonlinear, GaAs gratings. We find large enhancement of conversion efficiency when the pump field excites the guided mode resonances of the grating. Under these circumstances the spectrum near the pump wavelength displays sharp resonances characterized by dramatic enhancements of local fields and favorable conditions for second-harmonic generation, even in regimes of strong linear absorption at the harmonic wavelength. In particular, in a GaAs grating pumped at 1064nm, we predict second-harmonic conversion efficiencies approximately 5 orders of magnitude larger than conversion rates achievable in either bulk or etalon structures of the same material.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, and P. S. Pershan, Phys. Rev. 127, 1918 (1962).
    [CrossRef]
  2. M. M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt, and R. L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. 28, 2631 (1992).
    [CrossRef]
  3. M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
    [CrossRef]
  4. M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
    [CrossRef]
  5. V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
    [CrossRef]
  6. M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. R. W. Wood, Philos. Mag. 4, 396 (1902).
  8. R. W. Wood, Philos. Mag. 23, 310 (1912).
  9. Lord Rayleigh, Proc. R. Soc. A 79, 399 (1907).
    [CrossRef]
  10. A. Hessel and A. A. Oliner, Appl. Opt. 4, 1275 (1965).
    [CrossRef]
  11. S. S. Wang and R. Magnusson, Appl. Opt. 32, 2606 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. J. Bloemer, D. de Ceglia, M. A. Vincenti, and A. Alu, J. Opt. Soc. Am. B 28, 253 (2011).
    [CrossRef]
  13. A. R. Cowan and J. F. Young, Phys. Rev. B 65, 085106 (2002).
    [CrossRef]
  14. J. P. Mondia, H. M. van Driel, W. Jiang, A. R. Cowan, and J. F. Young, Opt. Lett. 28, 2500 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. G. Purvinis, P. S. Priambodo, M. Pomerantz, M. Zhou, T. A. Maldonado, and R. Magnusson, Opt. Lett. 29, 1108 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  17. M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
    [CrossRef]
  18. U. Fano, J. Opt. Soc. Am. 31, 213 (1941).
    [CrossRef]

2011 (1)

2010 (1)

2009 (1)

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (1)

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

2004 (1)

2003 (1)

2002 (1)

A. R. Cowan and J. F. Young, Phys. Rev. B 65, 085106 (2002).
[CrossRef]

1999 (1)

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

1997 (1)

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

1993 (1)

1992 (1)

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

1965 (1)

1962 (1)

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

1941 (1)

1912 (1)

R. W. Wood, Philos. Mag. 23, 310 (1912).

1907 (1)

Lord Rayleigh, Proc. R. Soc. A 79, 399 (1907).
[CrossRef]

1902 (1)

R. W. Wood, Philos. Mag. 4, 396 (1902).

Akozbek, N.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Alu, A.

Armstrong, J. A.

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

Bloembergen, N.

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

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

Bloemer, M. J.

G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. J. Bloemer, D. de Ceglia, M. A. Vincenti, and A. Alu, J. Opt. Soc. Am. B 28, 253 (2011).
[CrossRef]

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Bowden, C. M.

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[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. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Cojocaru, C.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Cowan, A. R.

D’Aguanno, G.

G. D’Aguanno, N. Mattiucci, M. J. Bloemer, D. de Ceglia, M. A. Vincenti, and A. Alu, J. Opt. Soc. Am. B 28, 253 (2011).
[CrossRef]

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

de Ceglia, D.

Dowling, J. P.

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Ducuing, J.

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

Fano, U.

Fazio, E.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Fejer, M. M.

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

Foreman, J. V.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Genty, G.

Halioua, Y.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Haus, J. W.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Hessel, A.

Jiang, W.

Jundt, D. H.

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

Karvinen, P.

A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

Kauranen, M.

A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

Kuittinen, M.

A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

Leivo, S.

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[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]

Magnusson, R.

Maldonado, T. A.

Manka, A. S.

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Mattiucci, N.

Mlejnek, M.

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

Moloney, J. V.

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

Mondia, J. P.

Oliner, A. A.

Pershan, P. S.

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

Pettazzi, F.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Pomerantz, M.

Priambodo, P. S.

Purvinis, G.

Raineri, F.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Raj, R.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Rayleigh, Lord

Lord Rayleigh, Proc. R. Soc. A 79, 399 (1907).
[CrossRef]

Roppo, V.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Saari, A.

Sagnes, I.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Scalora, M.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Sibilia, C.

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Siltanen, M.

A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

Trull, J.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Vahimaa, P.

A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

van Driel, H. M.

Vilaseca, R.

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Vincenti, M. A.

Viswanathan, R.

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

Voima, O.

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

Wang, S. S.

Wood, R. W.

R. W. Wood, Philos. Mag. 23, 310 (1912).

R. W. Wood, Philos. Mag. 4, 396 (1902).

Wright, E. M.

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

Young, J. F.

Zhou, M.

Appl. Opt. (2)

Appl. Phys. Lett. (1)

M. Siltanen, S. Leivo, O. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

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

J. Opt. Soc. Am. (1)

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

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (2)

Philos. Mag. (2)

R. W. Wood, Philos. Mag. 4, 396 (1902).

R. W. Wood, Philos. Mag. 23, 310 (1912).

Phys. Rev. (1)

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

Phys. Rev. A (2)

M. Scalora, M. J. Bloemer, A. S. Manka, J. P. Dowling, C. M. Bowden, R. Viswanathan, and J. W. Haus, Phys. Rev. A 56, 3166 (1997).
[CrossRef]

V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D’Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, and M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 043834 (2009).
[CrossRef]

Phys. Rev. B (1)

A. R. Cowan and J. F. Young, Phys. Rev. B 65, 085106 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

M. Centini, V. Roppo, E. Fazio, F. Pettazzi, C. Sibilia, J. W. Haus, J. V. Foreman, N. Akozbek, M. J. Bloemer, and M. Scalora, Phys. Rev. Lett. 101, 113905 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

M. Mlejnek, E. M. Wright, J. V. Moloney, and N. Bloembergen, Phys. Rev. Lett. 83, 2934 (1999).
[CrossRef]

Proc. R. Soc. A (1)

Lord Rayleigh, Proc. R. Soc. A 79, 399 (1907).
[CrossRef]

Supplementary Material (1)

» Media 1: MOV (2113 KB)     

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

Sketch of the TE pump signal incident at ϑ = 10 ° on the grating. The subscripts FF and SH refer to the pump and SH fields, respectively. For a pitch P = 500 nm (a case later analyzed in Fig. 4), the grating is subwavelength for the pump field ( 1064 nm ), while the diffracted SHG is distributed on the zeroth order at ϑ 0 , SH = 10 ° and the first order at ϑ 1 , SH = 63 ° .

Fig. 2
Fig. 2

(a) Transmission of the GaAs grating, at λ F F = 1064 nm for a 10 ° incidence angle, as a function of the periodicity P and thickness W. (b) Electric field localization at the GMR excited with a grating thickness W 250 nm [see the circle in (a)]. (c) Same as in (b) for a grating thickness W 66 nm . G = 2 π / P is the grating momentum (Media 1).

Fig. 3
Fig. 3

Map of the unperturbed guided modes for varying thickness W and grating period P. The effective refractive indices are evaluated analytically as the eigenmodes of a slab waveguide. The grating wavevector is calculated at the pump wavelength 1064 nm and for an incidence angle of 10 ° .

Fig. 4
Fig. 4

Normalized SH CE of the 1D grating, the bulk, and the etalon structures as a function of thickness.

Metrics