Abstract

Active slot waveguides were fabricated by embedding low-index Er/Yb silicate material in high-index silicon. A 1.7 dB signal enhancement at 1.53 µm in a 6 mm-long slot waveguide was observed through 1476 nm pumping. The peak Er emission cross-section is determined as 7.53×1021cm2 and the excited Er ion fraction is 0.17. Our experiment shows that the defects in upper cSi of Si-on-insulator (SOI) and deposited αSi distorts photoluminescence spectrum and prevents further optical amplification. This negative effect can be partly corrected through annealing treatment, which allows better propagation of the pump light, therefore, stronger excitation in the sandwiched Er/Yb silicate. The defects also affect the 1.53 µm decay curve and are the dominant lifetime reduction mechanism in the active slot waveguide.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. V. R. Almeida, Q. Xu, C. A. Barrios, and M. Lipson, Opt. Lett. 29, 1209 (2004).
    [CrossRef]
  2. Q. Xu, V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson, Opt. Lett. 29, 1626 (2004).
    [CrossRef]
  3. R. Sun, P. Dong, N. Feng, C. Hong, J. Michel, M. Lipson, and L. Kimerling, Opt. Express 15, 17967 (2007).
    [CrossRef]
  4. K. Preston and M. Lipson, Opt. Express 17, 1527 (2009).
    [CrossRef]
  5. R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
    [CrossRef]
  6. J. T. Robinson, K. Preston, O. Painter, and M. Lipson, Opt. Express 16, 16659 (2008).
    [CrossRef]
  7. Y. C. Jun, R. M. Briggs, H. A. Atwater, and M. L. Brongersma, Opt. Express 17, 7479 (2009).
    [CrossRef]
  8. C. Creatore and L. C. Andreani, Phys. Rev. A 78, 063825 (2008).
    [CrossRef]
  9. X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
    [CrossRef]
  10. R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
    [CrossRef]
  11. H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
    [CrossRef]
  12. K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
    [CrossRef]
  13. M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
    [CrossRef]
  14. R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
    [CrossRef]
  15. K. Suh, M. Lee, J. S. Chang, H. Lee, N. Park, G. Y. Sung, and J. H. Shin, Opt. Express 18, 7724 (2010).
    [CrossRef]
  16. D. Olaosebikan, S. Yerci, A. Gondarenko, K. Preston, R. Li, L. Dal Negro, and M. Lipson, Opt. Lett. 36, 4 (2011).
    [CrossRef]

2011 (4)

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

D. Olaosebikan, S. Yerci, A. Gondarenko, K. Preston, R. Li, L. Dal Negro, and M. Lipson, Opt. Lett. 36, 4 (2011).
[CrossRef]

2010 (1)

2009 (3)

2008 (2)

2007 (2)

R. Sun, P. Dong, N. Feng, C. Hong, J. Michel, M. Lipson, and L. Kimerling, Opt. Express 15, 17967 (2007).
[CrossRef]

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

2006 (1)

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

2004 (3)

Almeida, V. R.

Andreani, L. C.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

C. Creatore and L. C. Andreani, Phys. Rev. A 78, 063825 (2008).
[CrossRef]

Atwater, H. A.

R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
[CrossRef]

Y. C. Jun, R. M. Briggs, H. A. Atwater, and M. L. Brongersma, Opt. Express 17, 7479 (2009).
[CrossRef]

Bae, B.-S.

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

Barrios, C. A.

Bongiorno, C.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Briggs, R. M.

R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
[CrossRef]

Y. C. Jun, R. M. Briggs, H. A. Atwater, and M. L. Brongersma, Opt. Express 17, 7479 (2009).
[CrossRef]

Brongersma, M. L.

Chang, J. S.

Creatore, C.

C. Creatore and L. C. Andreani, Phys. Rev. A 78, 063825 (2008).
[CrossRef]

de Dood, M. J. A.

H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
[CrossRef]

Dong, P.

Feng, N.

Franzò, G.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Galli, M.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Gao, L. F.

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

Gerace, D.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Gondarenko, A.

Guo, R. M.

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

Hong, C.

Iacona, F.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Irrera, A.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Isshiki, H.

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
[CrossRef]

Jun, Y. C.

Kimerling, L.

Kimura, T.

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
[CrossRef]

Krauss, T. F.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Lee, H.

Lee, M.

Li, R.

Lipson, M.

Lo Savio, R.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Michel, J.

Miritello, M.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Negro, L. Dal

O’Faolain, L.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Olaosebikan, D.

Painter, O.

Panepucci, R. R.

Park, N.

Piro, A. M.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Polman, A.

H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
[CrossRef]

Portalupi, S. L.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Preston, K.

Priolo, F.

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Robinson, J. T.

Savio, R. Lo

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Scherer, A.

R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
[CrossRef]

Seo, S.-J.

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

Shakoor, A.

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

Shearn, M.

R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
[CrossRef]

Shin, J. H.

K. Suh, M. Lee, J. S. Chang, H. Lee, N. Park, G. Y. Sung, and J. H. Shin, Opt. Express 18, 7724 (2010).
[CrossRef]

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

Suh, K.

K. Suh, M. Lee, J. S. Chang, H. Lee, N. Park, G. Y. Sung, and J. H. Shin, Opt. Express 18, 7724 (2010).
[CrossRef]

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

Sun, R.

Sung, G. Y.

Wang, B.

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

Wang, L.

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

Wang, X. J.

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

Xu, Q.

Yerci, S.

Zang, K.

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

Zhou, Z.

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

Adv. Mater. (1)

M. Miritello, R. Lo Savio, F. Iacona, G. Franzò, A. Irrera, A. M. Piro, C. Bongiorno, and F. Priolo, Adv. Mater. 19, 1582 (2007).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (6)

R. Lo Savio, S. L. Portalupi, D. Gerace, A. Shakoor, T. F. Krauss, L. O’Faolain, L. C. Andreani, and M. Galli, Appl. Phys. Lett. 98, 201106 (2011).
[CrossRef]

X. J. Wang, B. Wang, L. Wang, R. M. Guo, H. Isshiki, T. Kimura, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 98, 071903 (2011).
[CrossRef]

R. M. Guo, X. J. Wang, K. Zang, B. Wang, L. Wang, L. F. Gao, and Z. Zhou, Appl. Phys. Lett. 99, 161115 (2011).
[CrossRef]

H. Isshiki, M. J. A. de Dood, A. Polman, and T. Kimura, Appl. Phys. Lett. 85, 4343 (2004).
[CrossRef]

K. Suh, J. H. Shin, S.-J. Seo, and B.-S. Bae, Appl. Phys. Lett. 89, 223102 (2006).
[CrossRef]

R. M. Briggs, M. Shearn, A. Scherer, and H. A. Atwater, Appl. Phys. Lett. 94, 021106 (2009).
[CrossRef]

Opt. Express (5)

Opt. Lett. (3)

Phys. Rev. A (1)

C. Creatore and L. C. Andreani, Phys. Rev. A 78, 063825 (2008).
[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 (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

SEM image of as-fabricated slot waveguide. (a) The calculated fundamental TM-like mode profile, (b) the plot of normalized electric field along vertical direction at waveguide center and (c) AFM image of the fabricated slot waveguide.

Fig. 2.
Fig. 2.

PL spectra for Er/Yb silicate on SiO2 (green dash-dot), Er/Yb silicate on SOI (blue dot), slot structure with annealed upper αSi (red dash) and slot structure with unannealed upper αSi (black solid). Inset: (a) upconversion luminescence along the slot waveguide with annealed upper αSi, and (b) that with unannealed αSi.

Fig. 3.
Fig. 3.

The 1.53 μm PL decay curves. The black-square line is for slot structure with annealed upper silicon and the red-circle line is for that with unannealed upper silicon. Inset: the schematic system to measure the PL decay.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Transmission spectrum for signal light range from 1515 nm to 1560 nm at pump power of 0 mW and 372 mW. (b) The signal enhancement spectrum for the pump power of 372 mW.

Equations (1)

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

Γ=ngnslotslotε|E|2dxdyε|E|2dxdy,

Metrics