مدل سازی و تحلیل فرایند غیرخطی پارامتریک نوری در تشدیدکننده های ریزحلقه

ریزحلقه ساختاری است که به دلیل خاصیت تشدید کنندگی و ابعاد کوچکش کاربرد فراوانی در الکترونیک نوری پیدا کرده است. به دلیل افزایش چگالی توان در اثر تشدید در یک ریزحلقه برخی از رفتارهای غیرخطی نوری را می توان تقویت کرد. در صورت استفاده از مواد غیرخطی مناسب می توان در فاصله ای به مراتب کوتاه تر از ساختار مبتنی بر فیبر نوری یا موج بر مستقیم به رفتار غیرخطی مورد نظر رسید. در این پژوهش تلاش خواهیم کرد تا رفتار غیرخطی پارامتریک نوری را در تشدیدکننده های ریزحلقه بررسی و مدل سازی کنیم. رفتار غیرخطی پارامتریک نوری، دسته ای خاص از رفتارهای غیرخطی نوری است که در آن برقرار شدن شرط تطبیق فاز ضروری است. اگرچه در این رساله، از میان انواع پدیده های غیرخطی پارامتریک تاکید بیشتر بر پدیده ی تولید هارمونی دوم است، اما مدل استفاده شده برای تحلیل رفتارهای پارامتریک دیگر قابل تعمیم خواهد بود. پس از بررسی مسایل و روش های تولید هارمونی دوم در موج برهای مستقیم و ریزحلقه ها، موج بری با ساختار چندلایه و ضخامت نانومتری برای بهبود کارکرد تولید هارمونی دوم در ریزحلقه ها پیشنهاد می شود. با مدل سازی این ساختار، راندمان تبدیل انرژی با در نظر گرفتن تلفات، شعاع موج بر و توان ورودی برای ساختار تک حلقه ای بررسی می شود. تلفات، راندمان تولید هارمونی دوم را به طور نمایی کاهش می دهد و افزایش شعاع ریزحلقه باعث افزایش تأثیر تلفات خواهد شد. هم چنین ساختاری دوحلقه ای پیشنهاد می شود و با مدل سازی اثر ریزحلقه ی دوم نشان داده می شود که در تلفات اندک، این ساختار باعث بهبود راندمان تولید هارمونی دوم می شود. اما در شرایط با تلفات زیاد این ساختار کارایی خوبی ندارد. مدلی برای تحلیل پهنای باند تولید هارمونی دوم در ریزحلقه ها پیشنهاد و نشان داده می شود که ریزحلقه ها امکان تولید هارمونی دوم را در پهنای باند بسیار کمتری نسبت به موج برهای معمولی دارند. این پهنای باند با افزایش شعاع ریزحلقه کاهش خواهد یافت. هم چنین به کمک این مدل دیده می شود که ناتنظیمی فاز بین میدان های هارمونی پایه و دوم باعث تفکیک طول موج تشدید آن ها شده و راندمان تبدیل انرژی را کاهش می دهد. با افزودن تحلیل حرارتی به مدل سازی انجام شده مشاهده می شود که این قطعه وابستگی زیادی به دمای محیط دارد. با در نظر گرفتن این وابستگی، پیشنهاد امکان استفاده از تنظیم دما برای رفع خطاهای ساخت و کوک قطعه مورد بررسی و تأیید قرار می گیرد. علاوه بر آن، نشان داده می شود که از این قطعه می توان برای مدولاسیون حرارتی، سودهی حرارتی و انتخاب طول موج هارمونی دوم خروجی با تغییر حرارت استفاده کرد. در انجام محاسبات، از روش های عددی متنوعی استفاده شده است. در تحلیل انتشار میدان ها روشی انتگرالی برای حل معادله های شرودینگر غیرخطی تزویج شده پیشنهاد و با روش تفاضل محدود مقایسه می شود. روش انتگرالی رفتار حالت پایدار و گذرای قطعه را با سرعت بهتری نسبت به روش تفاضل محدود محاسبه می کند. دقت این روش در تحلیل حالت پایدار با روش تفاضل محدود یکسان است و در تحلیل حالت گذرا نتایج قابل قبولی دارد. برای تحلیل موج بر و محاسبه ی مدهای عرضی و انتخاب بین آن ها از روش شبه سه بعدی المان محدود با تقارن محوری استفاده شده است. بر اساس این روش ابزاری تدوین شده است که برای مد کمانی داده شده، نمایه میدان مدهای عرضی و فرکانس تشدید آن ها را محاسبه می کند. سپس پارامترهایی مانند نوع قطبش هر مد، ضریب شکست موثر مربوط به آن و انتگرال های برهم نهی لازم را محاسبه می کند.