بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ابتدا یک مدل نوري براي بررسی اثرهايهغیرخطیکر، جذب دو فوتون و جذب حامل آزاد در نواحی تزویجگر و ریزحلقه آشکارساز نوري مبتنی بر ریزحلقه ارایه شده است، سپس با درنظر گرفتن آثار غیرخطی یاد شده پاسخ حالت پایدار آشکارسازهبه صورت عددي محاسبه شده، و نتایج با حالت خطی مقایسه می شودنهنتایج تحلیل عدديهنشان می دهدهدر توان هاي نوري ورودي بالا، تاُثیر آثار غیرخطی یادشده، موجب کاهش بازده کوانتومی و ظرافت آشکارساز می شود و نمودار پاسخ طیفی به سمت طول موج هاي کوچکتر جابجا شده و FWHMآن افزایش می یاب.
کلید واژه:آشکارساز نوري، جذب دو فوتون،فنور غیرخطی،فریزحلقه
مقدمه
آشکارسازهاي نوري متداول، پاسخ طیفی گسترده و غیرانتخابی دارند و انتخاب کانالهاي نوري با فیلتر نوري صورت می پذیردچفبه منظور طراحی آشکارساز نوري تنظیم پذیر با پاسخ انتخابی می توان یک ریزحلقه را به عنوان تشدیدگر نوري در ساختار آشکارساز نوري تعبیه کرد[1]، تا امکان دستیابی به بازده بهینه، پاسخ نوري سریع، پاسخ طیفی انتخابی و تنظیم پذیر بطور همزمان فراهم شود طرحواره ساختار مبناي آشکارساز حلقوي با مبدل نوري PIN در شکل1فنشان داده شده است.همانطور که در شکل ملاحظه می شود ابتدا میدان نوري ورودي - Ein - فبه موجبر مستقیم وارد می شود.
اگر طول موج میدان با طول موج تشدید حلقه برابر باشد میدان به درون حلقه تزویج شده و در آن شروع به دوران کرده و تشدید می شود، این میدان درون حلقه باقی مانده و توسط نیمه رساناي جاذب پInGaAsPژفجذب می شودچفدر صورت عدم تساوي طول موج میدان و طول موج تشدید ریزحلقه، میدان بدون تزویج به ریزحلقه از موجب مستقیم عبور کرده و از آشکارساز خارج می شودپEoutژچفدر بخش بعد دلایل لزوم در نظر گرفتن آثار غیرخطی بیان می شود، سپس معادلات غیرخطی حاکم بر انتشار میدان در ناحیه فتزویجگر و ناحیه ریزحلقه معرفی شده و روش حل آنها بیان میفشود، و در پایان نتایج حاصل را تحلیل کرده و با نتایج حالت خطی مقایسه می کنیم.
آثار غیرخطی
تشدید و انباشتگی میدان درون ریزحلقه باعث ظهور آثار غیرخطی در ریزحلقه می شود، بدین ترتیب ضریب شکستو ضریب جذب ریزحلقه به شدت میدان نوري فدرون آن وابسته می شوند پ اثر غیرخطیکرژ با افزایش شدت میدان درون ریزحلقه اثر غیرخطی جذب دو فوتون پTPA1ژ روي می دهد و در پی آن حاملهاي آزاد تولید شده توسط این اثر پTPAژ نیز مانند دو اثر قبلی ضرایب جذب و شکست ریزحلقه را تغییر می دهنددر شدت هاي پایین اثر غیرخطیکر و در شدت هاي بالا آثار TPAفو جذب حامل آزاد غالب می باشندبا تغییر ضریب شکست ریزحلقه نقاط تشدید آن جابجا می شوند، و این بدین معنی است که در شدت هاي بالا طول موج میدان گردشی درون ریزحلقه دیگر با طول موج رزونانس برابر نخواهد بود فو میدان به موجبر مستقیم تزویج شده و از آشکارساز خارج می شودچاین امر لزوم در نظر گرفتن آثار غیرخطی فوق را به منظور تحلیل صحیح رفتار آشکارساز نوري مبتنی بر ریزحلقه پهMRPDبیان می کند.
3 پاسخ حالت پایدار
به منظور تحلیل صحیح پاسخ حالت پایدار، علاوه بر ناحیه ریزحلقه، ناحیه تزویجگر را نیز غیرخطی در نظر می گیریمچ براي سادگی فرض می کنیم که موجبرها تنها یک تک مد عرضی را از خود عبور می دهند و قطبش نور نیز خطی است.در تزویج بین فریزحلقه و موجبر فمستقیم، فاصله بین دو موجبر در راستاي انتشار میدان به تدریج تغییر می کندچف بنابراین براي تحلیل تزویج میدان نوري بین ریزحلقه و موجبر مستقیم، و همچنین اعمال آثار غیر خطی در این ناحیه، تزویجگر را به قسمت هایی مجزا تقسیم می کنیم[2]چف هر یک از این قسمت ها یک تزویجگر مستقیم است که فاصله بین دو موجبر آن ثابت فرض می شودچ فمعادلات حاکم بر انتشار میدان در هریک از این تزویجگرهاي مستقیم، معادلات دیفرانسیلی تزویج شده غیرخطی شرودینگر است[3]Ia شدت میدان نوري در هر نقطه درون ریزحلقه است، n2ف ضریب شکست غیرخطی، Aeffفسطح مقطع مؤثر مد، λفطول موج میدان ورودي و فσrفحجم شکست می باشد.
4نتیجه محاسبات
در معادلات پژ فو پژ فثوابت را به صورت زیر در نظر می گیریمaو bدامنه مختلط میدان هاي ورودي به موجبرهاي هریک شکل2فنمودار بازده کوانتومی آشکارساز را بر حسب طول از تزویجگرهاي مستقیم تقسیم بندي شده هستند، Γضریب تحدید وضرایب α0 فو α2 به ترتیب ضریب جذب موج میدان ورودي و براي توانهاي ورودي مختلف نشان می دهد.خطی و ضریب جذب دو فوتون، σfc سطح مقطع جذب حامل آزاد، τcطول عمرحامل آزاد، ω0فرکانس میدان وروديفو ضرایب Q1فوفQ2 فبه ترتیب ضرایب تزویج خودبه خودي و تزویج عرضی می باشند[4]لازم به ذکر است که ضریب Q2فتابعی از فاصله دو موجبر می باشد؛ عبارات شامل Q3 وQ5 فبه ترتیب مدولاسیون خود به خودي فاز و اثر حاملهاي آزاد فدر تغییر غیرخطی فاز را لحاظ می کنند، وعبارات شامل Q4فو Q6فنیز بر هم کنش غیرخطی یک مد بامد موجبر جانبی را نشان می دهند.
آخرین عبارت سمت راست معادلات فوق جذب حامل آزاد و عبارت قبل از آن اثرTPAرا نمایش می دهندچفحل تحلیلی معادلات فوق بسیار WAVELENGTH - m - پیچیده است در اینجا با استفاده از روش انتشار پرتو با گام ورودي مجزاي فوریه[5]، معادلات غیرخطی تزویج شده فوق به همانطور که درشکل2ملاحظه می شود در توانهاي پایین صورت عددي حل شده اند.با در نظر گرفتن آثار غیرخطی کر، TPAفو جذب حامل آزادورودي بازده کوانتومی حدود1 می باشد، البته در طول موجهاي بزرگتر بازده کوانتومی کمتر است که این امر ناشی در ناحیه ریزحلقه، انتشارمیدان نوري دردرون ریزحلقه از اثر غیر خطیکر است با افزایش توان ورودي نمودار دچار بوسیله معادله غیرخطی شرودینگرتعمیم یافته توصیف تغییراتی می شودففاول اینکه نمودار به سمت طول موجهاي می شودکمتر جابجا می شودپblueshift ژ، دلیل آن نیز تغییر ضریب شکست ریز حلقه ناشی از افزایش شدت میدان در درون ریزحلقه آثارکر و TPAفژمی باشد؛ ثانیاً بازده کوانتومی کاهش می یابد، که نتیجه آثار TPA، جذب حامل آزاد و کاهش تزویج میدان به ریزحلقه ناشی از جابجایی نقطه2 تشدید ریزحلقهمی باشد؛ سومین مورد پهن شدگی نمودار در توانهاي ورودي بالا است، که به نظر می رسد علت آن اثرجذب حامل آزاد باشد.
