Abstract

We demonstrate second-harmonic generation (SHG) in a silicon-carbide (SiC)-based heterostructure photonic crystal nanocavity by using a pulsed laser. We observe SHG light radiated from the SiC nanocavity and estimate the conversion efficiency in the cavity to be 2.59×105 (=0.15W1) at an average input power of 0.17 mW. The near-field patterns and polarization characteristics of the SHG light are investigated experimentally and theoretically, and the results are in qualitatively good agreement.

© 2014 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
    [CrossRef]
  2. D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
    [CrossRef]
  3. G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
    [CrossRef]
  4. M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 211 (2004).
    [CrossRef]
  5. J. B. Abad, A. Rodriguez, P. Bermel, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 15, 16161 (2007).
    [CrossRef]
  6. A. Rodriguez, M. Soljacic, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Opt. Express 15, 7303 (2007).
    [CrossRef]
  7. Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
    [CrossRef]
  8. B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
    [CrossRef]
  9. M. Galli, D. Gerace, K. Welna, T. F. Krauss, L. O’Faolain, G. Guizzetti, and L. C. Andreani, Opt. Express 18, 26613 (2010).
    [CrossRef]
  10. M. W. McCutcheon, J. F. Young, and G. W. Rieger, Phys. Rev. B 76, 245104 (2007).
    [CrossRef]
  11. K. Rivoire, S. Buckley, and J. Vučković, Opt. Express 19, 22198 (2011).
    [CrossRef]
  12. Y. Ota, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, Opt. Express 21, 19778 (2013).
    [CrossRef]
  13. K. Rivoire, Z. Lin, F. Hatami, W. Ted Masselink, and J. Vučković, Opt. Express 17, 22609 (2009).
    [CrossRef]
  14. G. Shambat, K. Rivoire, J. Lu, F. Hatami, and J. Vučković, Opt. Express 18, 12176 (2010).
    [CrossRef]
  15. S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).
  16. B. S. Song, S. Yamada, T. Asano, and S. Noda, Opt. Express 19, 11084 (2011).
    [CrossRef]
  17. S. Yamada, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda, Appl. Phys. Lett. 99, 201102 (2011).
    [CrossRef]
  18. S. Yamada, B. S. Song, J. Upham, T. Asano, Y. Tanaka, and S. Noda, Opt. Express 20, 14789 (2012).
    [CrossRef]
  19. N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
    [CrossRef]
  20. Z.-F. Bi, A. W. Rodriguez, H. Hashemi, D. Duchesne, M. Lončar, K.-M. Wang, and S. G. Johnson, Opt. Express 20, 7526 (2012).
    [CrossRef]
  21. R. Boyd, Nonlinear Optics (Academic, 1992).
  22. Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
    [CrossRef]

2013

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Y. Ota, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, Opt. Express 21, 19778 (2013).
[CrossRef]

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

2012

2011

B. S. Song, S. Yamada, T. Asano, and S. Noda, Opt. Express 19, 11084 (2011).
[CrossRef]

S. Yamada, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda, Appl. Phys. Lett. 99, 201102 (2011).
[CrossRef]

K. Rivoire, S. Buckley, and J. Vučković, Opt. Express 19, 22198 (2011).
[CrossRef]

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

2010

2009

K. Rivoire, Z. Lin, F. Hatami, W. Ted Masselink, and J. Vučković, Opt. Express 17, 22609 (2009).
[CrossRef]

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

2007

2006

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

2004

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 211 (2004).
[CrossRef]

2002

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

1998

N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
[CrossRef]

Abad, J. B.

Andreani, L. C.

Arakawa, Y.

Asano, T.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

S. Yamada, B. S. Song, J. Upham, T. Asano, Y. Tanaka, and S. Noda, Opt. Express 20, 14789 (2012).
[CrossRef]

B. S. Song, S. Yamada, T. Asano, and S. Noda, Opt. Express 19, 11084 (2011).
[CrossRef]

S. Yamada, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda, Appl. Phys. Lett. 99, 201102 (2011).
[CrossRef]

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

Benjamin, S.

N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
[CrossRef]

Bermel, P.

Bi, Z.-F.

Boyd, R.

R. Boyd, Nonlinear Optics (Academic, 1992).

Buckley, S.

Chang, D. E.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Chihara, M.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Corcoran, B.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Diziain, S.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Duchesne, D.

Eggleton, B. J.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Galli, M.

Geiss, R.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Gerace, D.

Gosztola, D. J.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Grillet, C.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Guizzetti, G.

Hashemi, H.

Hatami, F.

Hendren, W.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Inui, Y.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Iwamoto, S.

Joannopoulos, J. D.

Johnson, J. C.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Johnson, S. G.

Kimble, H. J.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Kley, E. B.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Krauss, T. F.

M. Galli, D. Gerace, K. Welna, T. F. Krauss, L. O’Faolain, G. Guizzetti, and L. C. Andreani, Opt. Express 18, 26613 (2010).
[CrossRef]

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Lin, Z.

Loncar, M.

Lu, J.

McCutcheon, M. W.

M. W. McCutcheon, J. F. Young, and G. W. Rieger, Phys. Rev. B 76, 245104 (2007).
[CrossRef]

Monat, C.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Moss, D. J.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Noda, S.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

S. Yamada, B. S. Song, J. Upham, T. Asano, Y. Tanaka, and S. Noda, Opt. Express 20, 14789 (2012).
[CrossRef]

S. Yamada, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda, Appl. Phys. Lett. 99, 201102 (2011).
[CrossRef]

B. S. Song, S. Yamada, T. Asano, and S. Noda, Opt. Express 19, 11084 (2011).
[CrossRef]

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

O’Faolain, L.

M. Galli, D. Gerace, K. Welna, T. F. Krauss, L. O’Faolain, G. Guizzetti, and L. C. Andreani, Opt. Express 18, 26613 (2010).
[CrossRef]

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Ota, Y.

Painter, O.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Papp, S. B.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Pertsch, T.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Petersen, P. B.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Podolskiy, V. A.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Pollard, R.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Regal, C. A.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Rieger, G. W.

M. W. McCutcheon, J. F. Young, and G. W. Rieger, Phys. Rev. B 76, 245104 (2007).
[CrossRef]

Rivoire, K.

Rodriguez, A.

Rodriguez, A. W.

Saykally, R. J. Y.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Schaller, R. D.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Schrempel, F.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Sergey, N. R.

N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
[CrossRef]

Shambat, G.

Soljacic, M.

Song, B. S.

Takahashi, Y.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Tanaka, Y.

S. Yamada, B. S. Song, J. Upham, T. Asano, Y. Tanaka, and S. Noda, Opt. Express 20, 14789 (2012).
[CrossRef]

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

Ted Masselink, W.

Terawaki, R.

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Tunnermann, A.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Tymczenko, M.

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

Upham, J.

Vuckovic, J.

Walter, R. L. L.

N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
[CrossRef]

Wang, K.-M.

Watanabe, K.

Welna, K.

White, T. P.

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Wiederrecht, G. P.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Wilson, D. J.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Wurtz, G. A.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Yamada, S.

Yan, H. Q.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Yang, P. D.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Ye, J.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Young, J. F.

M. W. McCutcheon, J. F. Young, and G. W. Rieger, Phys. Rev. B 76, 245104 (2007).
[CrossRef]

Zayats, A. V.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Zilk, M.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

Zoller, P.

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

S. Diziain, R. Geiss, M. Zilk, F. Schrempel, E. B. Kley, A. Tunnermann, and T. Pertsch, Appl. Phys. Lett. 103, 05117 (2013).

S. Yamada, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda, Appl. Phys. Lett. 99, 201102 (2011).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys.

Y. Tanaka, M. Tymczenko, T. Asano, and S. Noda, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 6096 (2006).
[CrossRef]

Nano Lett.

J. C. Johnson, H. Q. Yan, R. D. Schaller, P. B. Petersen, P. D. Yang, and R. J. Y. Saykally, Nano Lett. 2, 279 (2002).
[CrossRef]

Nat. Mater.

M. Soljacic and J. D. Joannopoulos, Nat. Mater. 3, 211 (2004).
[CrossRef]

Nat. Nanotechnol.

G. A. Wurtz, R. Pollard, W. Hendren, G. P. Wiederrecht, D. J. Gosztola, V. A. Podolskiy, and A. V. Zayats, Nat. Nanotechnol. 6, 107 (2011).
[CrossRef]

Nat. Photonics

B. Corcoran, C. Monat, C. Grillet, D. J. Moss, B. J. Eggleton, T. P. White, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Nat. Photonics 3, 206 (2009).
[CrossRef]

Nature

Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda, Nature 498, 470 (2013).
[CrossRef]

Opt. Express

Phys. Rev. B

N. R. Sergey, R. L. L. Walter, and S. Benjamin, Phys. Rev. B 57, 9705 (1998).
[CrossRef]

M. W. McCutcheon, J. F. Young, and G. W. Rieger, Phys. Rev. B 76, 245104 (2007).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, and P. Zoller, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1005 (2010).
[CrossRef]

Other

R. Boyd, Nonlinear Optics (Academic, 1992).

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.

Schematic of the optical setup for measuring SHG light from a SiC nanocavity. The inset shows an SEM image of the fabricated SiC photonic crystal nanocavity.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Measured SHG spectrum (λ=780nm). The inset shows the fundamental spectrum of the cavity (λ=1560nm). (b) SHG output power as a function of input power coupled to the input waveguide.

Fig. 3.
Fig. 3.

Measured (a) near-field pattern and (b) polarization of the SHG light radiated from the cavity.

Fig. 4.
Fig. 4.

Calculated (a) electric field distributions of the SHG mode, (b) near-field pattern, and (c) polarization of the SHG light radiated from the cavity.

Equations (2)

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

P(2ω)=12ε0χ(2)(E(ω))2,
Pz(2ω)=12ε0[χzxx(2)Ex(ω)Ex(ω)+χzyy(2)Ey(ω)Ey(ω)].

Metrics