Finite difference method extension for the design and modeling of optical devices using materials with diverse properties

Este trabalho tem por objetivo a extensão de métodos numéricos baseados em diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) e no domínio da freqüência (FD-BPM) para a simulação da propagação de ondas eletromagnéticas em materiais com propriedades ópticas diversas, por exemplo, isotrópicos, anisotrópicos, lineares, não-lineares, bem como a combinação destes em uma mesma estrutura. Inicialmente foram elaborados formalismos bidimensionais (FDTD e FD-BPM), dos quais foram investigados modos com polarização TM (Magnético Transversal) que se propagam em estruturas planares magnetoópticas/não-lineares/lineares. Esta polarização foi escolhida tendo em vista o campo magnetostático dc adotado, o qual possibilitou a observação do fenômeno não-recíproco associado ao não-linear simultaneamente. Por outro lado, é bem sabido que o método FDTD é computacionalmente muito intensivo. Portanto, um grande esforço foi dedicado aos formalismos no domínio da freqüência, os quais foram implementados em duas e três dimensões. Este último foi estendido para um formalismo totalmente vetorial, capaz de simular modos híbridos ou até mesmo a transferência de energia entre modos de polarizações ortogonais. Isto nos permitiu investigar geometrias ainda mais complexas, tais como um isolador óptico baseado em um guia de onda tip rib utilizando material magnetooptico. Adicionalmente, fenômenos de natureza complexa, tais como a dinâmica dos condensados de luz em materiais com não-lineares do tipo Kerr com saturação, também conhecidos como meios não-lineares cúbico-qüínticos, foram investigados pela primeira vez com um formalismo vetorial. Finalmente, métodos numéricos capazes de considerar qualquer combinação de materiais com propriedades ópticas distintas (linear e/ou não-linear e/ou magnetoóptico) são uma ferramenta extraordinária para a comunidade científica para o projeto de novos dispositivos ópticos, bem como a investigação de novos efeitos físicos com vistas à aplicações em computação óptica, que podem resultar em um menor e mais eficiente número de componentes para sistemas de comunicações ópticos.This work introduces three improved formalisms for the analysis of electromagnetic wave propagation through materials with distinct optical properties, i.e., isotropic, anisotropic, linear, nonlinear, or any combination of them. Two finite difference approaches were extensively investigated in this work for this purpose, namely the finite difference in time domain (FDTD), and the finite difference beam propagation method (2D and 3D FD-BPM), these in frequency domain. Initially, a TM (transverse magnetic) mode propagating through a planar magnetooptic/nonlinear/linear waveguide was investigated by way of a two-dimensional formalism (FDTD and FD-BPM). This mode polarization was chosen based on the orientation of the external magnetostatic field adopted, which favored the observation of non-reciprocal and nonlinear effects simultaneously. On the other hand, it is well known that FDTD formalisms are computationally intensives. Therefore, a great effort was dedicated to its frequency domain counterpart (FD-BPM), which was implemented in two and three dimensions. The later was further extended to a fully vectorial formalism, which is capable of simulating hybrid modes or even the energy transfer between orthogonal modes. This enabled us to investigate more complex geometries, such as an optical isolator based on magnetooptic rib waveguide. Additionally, complex phenomena, such as the dynamic of light condensates in bulk nonlinear Kerr media with saturation, also known as cubic-quintic nonlinear media, were investigated for the first time with a 3D vectorial formalism. Finally, numerical methods capable of handling any combination of materials with distinct optical properties (linear and/or nonlinear and/or magnetooptic) are an extraordinary tool for the scientific community for the design of new optical devices, as well as the investigation of new physical effects aimed for optical computing, that may result in fewer and more efficient components for optical communication systems