Abstract

We demonstrate a thousand-fold enhancement of second-harmonic generation in an all-dielectric silicon nitride (SiN) resonant waveguide grating compared to a flat SiN film. The strong second-harmonic output measured at 532 nm results from the combination of the enhanced local fields in the nanostructure and the large second-order susceptibility of SiN. The second-harmonic conversion efficiency in the resonant structure is found to be of the order of 108, which is significantly larger than that typically observed from plasmonic metal nanostructures.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge, 2006).
  2. M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 2011 (2004).
    [CrossRef]
  3. J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
    [CrossRef]
  4. J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
    [CrossRef]
  5. J. P. Mondia, H. M. van Driel, W. Jiang, A. R. Cowan, and J. F. Young, Opt. Lett. 28, 2500 (2003).
    [CrossRef]
  6. A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
    [CrossRef]
  7. M. Siltanen, S. Leivo, P. Voima, M. Kauranen, P. Karvinen, P. Vahimaa, and M. Kuittinen, Appl. Phys. Lett. 91, 111109 (2007).
    [CrossRef]
  8. A. Saari, G. Genty, M. Siltanen, P. Karvinen, P. Vahimaa, M. Kuittinen, and M. Kauranen, Opt. Express 18, 12298 (2010).
    [CrossRef]
  9. D. de Ceglia, G. DAguanno, N. Mattiucci, M. A. Vincenti, and M. Scalora, Opt. Lett. 36, 704 (2011).
    [CrossRef]
  10. L. Scaccabarozzi, M. M. Fejer, Y. Huo, S. Fan, X. Yu, and J. S. Harris, Opt. Lett. 31, 3626 (2006).
    [CrossRef]
  11. Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
    [CrossRef]
  12. Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
    [CrossRef]
  13. W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
    [CrossRef]
  14. S. Park, J. W. Hahn, and J. Yong Lee, Opt. Express 20, 4856 (2012).
    [CrossRef]
  15. J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
    [CrossRef]
  16. S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
    [CrossRef]
  17. T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
    [CrossRef]
  18. M. G. Moharam, E. B. Grann, D. A. Pommet, and T. K. Gaylord, J. Opt. Soc. Am. A 12, 1068 (1995).
    [CrossRef]
  19. In fact, the damage threshold was measured in a focused beam configuration by increasing gradually the input laser power and monitoring the SHG signal, and it was then converted into an equivalent power for a collimated beam of 1 mm.

2012

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

S. Park, J. W. Hahn, and J. Yong Lee, Opt. Express 20, 4856 (2012).
[CrossRef]

2011

D. de Ceglia, G. DAguanno, N. Mattiucci, M. A. Vincenti, and M. Scalora, Opt. Lett. 36, 704 (2011).
[CrossRef]

J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
[CrossRef]

J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
[CrossRef]

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
[CrossRef]

2010

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

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

2008

Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
[CrossRef]

2007

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

2006

2004

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 2011 (2004).
[CrossRef]

2003

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

J. P. Mondia, H. M. van Driel, W. Jiang, A. R. Cowan, and J. F. Young, Opt. Lett. 28, 2500 (2003).
[CrossRef]

2002

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

1995

Andreani, L. C.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Ayala-Orozco, C.

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

Ballarini, V.

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

Brongersma, M. L.

W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
[CrossRef]

Businaro, L.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Cai, W.

W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
[CrossRef]

Cowan, A. R.

De Vittorio, M.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Di Fabrizio, E.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Dominguez-Juarez, J. L.

J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
[CrossRef]

Fan, S.

Fejer, M. M.

Finizio, S. Di.

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

Foster, M. A.

J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
[CrossRef]

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Gaeta, A. L.

J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
[CrossRef]

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Gaylord, T. K.

Genty, G.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

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

Giorgis, F.

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

Gondarenko, A.

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Grady, N. K.

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

Grann, E. B.

Guizzetti, G.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Hahn, J. W.

Halas, N. J.

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

Harris, J. S.

Hecht, B.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge, 2006).

Huo, Y.

Hyvrinen, O.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

Jiang, W.

Joannopoulos, J. D.

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 2011 (2004).
[CrossRef]

Karvinen, P.

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

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

Kauranen, M.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

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

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

Kozyreff, G.

J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
[CrossRef]

Kuittinen, M.

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

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

Leivo, S.

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

Lettieri, S.

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

Levy, J. S.

J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
[CrossRef]

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Li, T.

Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
[CrossRef]

Lipson, M.

J. S. Levy, M. A. Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Opt. Express 19, 11415 (2011).
[CrossRef]

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Maddalena, P.

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

Malvezzi, A. M.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

martorell, J.

J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
[CrossRef]

Moharam, M. G.

Mondia, J. P.

Ning, T.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

Novotny, L.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge, 2006).

Park, S.

Passaseo, A.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Patrini, M.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Pietarinen, H.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

Pommet, D. A.

Qi, Z.

Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
[CrossRef]

Romanato, F.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Saari, A.

Scaccabarozzi, L.

Siltanen, M.

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

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

Simonen, J.

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

Soljacic, M.

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 2011 (2004).
[CrossRef]

Turner-Foster, A. C.

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Vahimaa, P.

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

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

van Driel, H. M.

Vasudev, A. P.

W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
[CrossRef]

Vecchi, G.

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Voima, P.

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

Yong Lee, J.

Young, J. F.

Yu, X.

Zhang, Y.

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

Zhu, S. N.

Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

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

S. Lettieri, S. Di. Finizio, P. Maddalena, V. Ballarini, and F. Giorgis, Appl. Phys. Lett. 81, 4706 (2002).
[CrossRef]

T. Ning, H. Pietarinen, O. Hyvrinen, J. Simonen, G. Genty, and M. Kauranen, Appl. Phys. Lett. 100, 161902 (2012).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. A

J. Phys. D

Z. Qi, T. Li, and S. N. Zhu, J. Phys. D 41, 025109 (2008).
[CrossRef]

Nano Lett.

Y. Zhang, N. K. Grady, C. Ayala-Orozco, and N. J. Halas, Nano Lett. 11, 5519 (2011).
[CrossRef]

Nat. Commun.

J. L. Dominguez-Juarez, G. Kozyreff, and J. martorell, Nat. Commun. 2, 254 (2011).
[CrossRef]

Nat. Mater.

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 2011 (2004).
[CrossRef]

Nat. Photonics

J. S. Levy, A. Gondarenko, M. A. Foster, A. C. Turner-Foster, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 4, 37 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phy. Rev. B

A. M. Malvezzi, G. Vecchi, M. Patrini, G. Guizzetti, L. C. Andreani, F. Romanato, L. Businaro, E. Di Fabrizio, A. Passaseo, and M. De Vittorio, Phy. Rev. B 68, 161306(R)(2003).
[CrossRef]

Science

W. Cai, A. P. Vasudev, and M. L. Brongersma, Science 333, 1720 (2011).
[CrossRef]

Other

In fact, the damage threshold was measured in a focused beam configuration by increasing gradually the input laser power and monitoring the SHG signal, and it was then converted into an equivalent power for a collimated beam of 1 mm.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics(Cambridge, 2006).

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) Schematic of the RWG structure. (b) Photograph of the RWG with dimension 4×4mm2 on a fused silica substrate. (c) SEM image of the SiN RWG. (d) Calculated amplitude of the out-of-plane magnetic field component in the periodic RWG structure at resonant conditions.

Fig. 2.
Fig. 2.

Simulated (blue) and experimentally measured (black) angular dependence of the RWG linear transmittance. The normalized SHG from the RWG is shown as red squares and the inset shows the normalized SHG from the reference SiN film.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Measured SH power versus fundamental laser power on a log-log scale. The squares represent results for the reference film and the circles for the RWG. The solid lines show a linear fit with a slope of approximately 2. (b) Experimental spectra of the fundamental and SH signals (measured after a short-pass filter). Inset: photograph of the SHG observed on a white screen and taken by a digital camera for a 40 mW fundamental power and 3 mm collimated beam.

Metrics