مدلسازی مداری لیزر با ساختار چاه کوانتمی – برق

مشخصات فایل

مقطع:کارشناسی ارشد
رشته تحصیلی:مهندسی برق
نوع ارائه:پایان نامه
تعداد صفحات:108
قالب بندی:word قابل ویرایش

نحوه خرید

مدلسازی مداری لیزر با ساختار چاه کوانتمی – برق

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

چکیده

فهرست مطالب

چكيده vi
فصل اول: مقدمه 1
فصل دوم: تئوري عملكرد ليزر نيمه رسانا و فيزيك ساختار چاه كوانتمي
2-1- تاريخچه 5
2-2- ساختارهاي غير همجنس 6
2-3- اصول عملكرد ليزرهاي نيمرسانا 9
2-3-1- فرايندهاي باز تركيب 13
2-3-2- بازتركيبهاي غير تابشي 14
2-3-3- فرايندهاي بازتركيب تابشي 15
2-3-3-1- گسيل خود به خودي 15
2-3-3-2- گسيل القايي 16
2-3-3-2- جذب 16
2-3-4- محدوديت ميدان نوري و موجبر دي الكتريك 16
2-4- شرط گسيل القايي 18
2-5- انواع ساختارهاي غير همجنس دوگانه از لحاظ ضخامت لايه فعال 19
2-6- چگالي حالات در ساختار چاه كوانتومي 20
2-7- ساختار نوار انرژي چاه كوانتومي 23
2-8- پيوندهاي نيمه رسانا در ليزر با ساختار حجمي و چاه كوانتمي 24
2-9- معادلات نرخ 27
ف صــل سوم: مدلسازي مداري ليزر چاه كوانتميبا ساختار SCH
3-1- ليزر چاه كوانتمي با ساختار SCH 32
3-2- معادلات نرخ در ليزر چاه كوانتمي با ساختار SCH 33
3-3- استخراج مدل مداري ليزر چاه كوانتمي با ساختار SCH 36
3-4- مدل نمودن چيرپ در ليزر چاه كوانتمي با ساختار SCH 42
3-4-1- مشخصه چيرپ در ليزر 43
3-4-2- مدلسازي مداري چيرپ در مشخصه خروجي ليزر چاه كوانتمي
با ساختار SCH 44 فصل چهارم: نتايج شبيه سازي ليزر QW با ساختار SCH
4-1- پاسخ گذراي ليزر QW 51
4-2- مشخصه L-I ليزر QW 53
4-3- پاسخ سيگنال كوچك ليزر QW 55
4-4- پاسخ سيگنال بزرگ ليزر QW 57
4-5- تاخير زماني در روشن و خاموش شدن ليزرQW 62
4-6- مشخصه چيرپ خروجي ليزر QW 65
فصل پنجم: نتايج و پيشنهادها
5-1- نتايج 70
5-2- پيشنهادها 72
3-1- جدول پارامترهاي افزاره براي LSCH =300nm 47
3-2- جدول پارامترهاي مورد نياز مدل براي LSCH =300nm 48
3-3- جدول پارامترهاي افزاره براي LSCH =76nm 49
3-3- جدول پارامترهاي مورد نياز مدل براي LSCH =76nm 50

چكيده
در اين تحقيق پس از بررسي فيزيك ليزر چاه كوانتمي، ساختار SCH1 ليزر فبري پرو مورد بررسي قرار گرفته است و با توجه به معادلات نرخ حاكم بر ليزر، مدلسازي مداري آن توسط SPICE انجام شده است.
پارامترهاي كليدي ليزر چاه كوانتمي ر پاسخ حالت گذراي آن به ورودي پله، مشخصه L-I، پاسخ سيگنال كوچك و بزرگ ليزر، تاخير زماني، پاسخ مدولاسيون و پهناي باند آن، فركانس نوسان واهلش خاموش و روشن شدن ليزر و همچنين مشخصه چيرپ خروجي مورد بررسي و آناليز قرار گرفته است. اثر طول ناحيه SCH نيز كه يكي از مشخصات مهم اين نوع ساختارمي باشد بر روي كليه پارامترهاي فوق لحاظ و تحليل شده است.

مقدمه
امروزه با مطرح شدن نور بعنوان يك حامل مناسب براي انتقال اطلاعات از طريق فيبر نوري، در سيستمهاي مخابرات نوري جايگاه خاصي پيدا كرده اند و قطعات الكترونيك نوري همچون منابع نوري (ليزرها)، آشكار سازها (فوتو ديودها)، تقويت كننده هاي نوري نيمه رسانا و… بعنوان عناصر اصلي اين سيستمها نقش مهمي را ايفا مي كنند.
در سالهاي اخير ليزرهاي نيمه رسانا، بويژه ليزرهاي چاه كوانتمي1 بطور وسيعي در سيستمهاي ارتباط نوري، مدارات مجتمع نوري، پرينترهاي ليزري، ديسكهاي فشرده، پوينترهاي ليزري و نمايشگرهاي ليزري استفاده مي شوند.
براي توصيف رفتار اينگونه ليزرها روشهاي مختلفي وجود دارد كه يكي از آنها مدلسازي مداري و تحليل با بهره گيري از شبيه سازهاي مداري است. شبيه سازهاي مداري ابزارهايي قدرتمند براي طراحي و تحليل افزاره هاي نوري و درايورهاي آنها هستند. در شبيه سازي هاي مداري، تئوريها و مسائل اساسي فيزيك افزاره ها به صورتي تبديل مي گردند كه با استفاده از مدارهاي الكتريكي قابل بيان باشند.
طراحي و شبيهسازي قطعات و سيستمهاي الكترونيكي نوري در ابزارهاي كامپيوتري قبل از ساخت، آنها مي تواند در بهينه سازي و تعيين پارامترهاي قطعه بسيار مفيد باشد. امروزه تكنولوژي لازم براي شبيه سازي سيستمهاي الكترونيكي كاملاً توسعه پيدا كرده است. اين تكنولوژي در زمينه الكترونيك نوري در حال توسعه و تكامل مي باشد. لذا مي توان با كمك ابزارهايي مانند SPICE و مشابه آن رفتار و عملكرد قطعات الكترونيكي نوري را از لحاظ الكترونيكي و نوري بطور همزمان بررسي و مدلسازي نمود.
در شبيهسازي ليزر نيمه رسانا، مدلسازي بايد در سطحي باشد كه بتوان مكانيزمهاي فيزيكي داخل قطعه را با جزئيات كامل مدل نمود. بسياري از مدلها مشتمل بر آناليزهاي چندبعدي، نظير بررسي رفتار الكتريكي در كنار بررسي مشخصات نوري قطعه مي باشد. حجم بالاي محاسبات كه در ذات برنامه هاي شبيه سازي عددي مي باشد، استفاده از شبيه سازهاي مداري را در مقايسه با ديگر ابزارهاي طراحي سيستمهاي الكترونيكي نوري تقويت مي كند.
همانطور كه گفته شد مدلسازي قطعات نوري مشتمل بر بررسي رفتار الكترونيكي و نوري آنهاست، لذا شبيه سازي بايد به دفعات تكرار شود تا بتوان با توجه به مشخصات تعيين شده به مقدار بهينه براي برخي پارامترهاي مهم دست يافت. بنابراين نياز به مدلهايي با حجم محاسباتي كمتر بسيار مورد توجه است اگرچه لازم به يادآوري است كه نبايد دقت اين ابزارها و مدلها از مقدار مشخصي كمتر باشند.
در طي بيست و پنج سال اخير مدلسازي ليزر با كمك المانهاي مداري مثل ترانزيستورها، مقاومتها و خازنها رشد چشم گيري داشته است. مدلهاي ليزر در سطح المانهاي مداري، طراحي مدارات مجتمع الكترونيكي نوري يا مدارات تركيبي نوري- الكترونيكي را امكانپذير مي سازند. در اين شبيه سازيها مشخصات دقيق ترمينالهاي ليزر در محيط استاندارد شبيه سازي مانند SPICE تعيين ميشود.
در تعدادي از موارد مهم و قابل توجه كه در اينجا به طور خلاصه عنوان مي شود، از معادلات نرخ به منظور توصيف رفتار ليزر استفاده شده است و با استفاده از شبيهسازهاي مداري عملكرد آنها مورد بررسي قرار گرفته است. كاتز1 [1] يكي از افرادي است كه از يك مدار RLC به منظور پيادهسازي سيگنال كوچك معادلات نرخ براي حاملها و چگالي فوتونها بهرهگرفته است. مدل سيگنال بزرگ توسط تاكر [2] ارائه شده كه در آن از معادلات نرخ تك مدي استفاده شده است. مقالات اخير مشتمل بر پيشرفتهاي قابل توجهي در بيان رفتار ليزر با جزئيات بسيار، نظير مدلسازي ليزرهاي QW هستند. كان [3] مدل مداري سيگنال كوچك ليزرهاي QW برپاية معادلات نرخ را ارائه دادند و در آن حمل و نقل حاملها بين چاه كوانتومي و لايه هاي تحديد نوري بررسي شده است. اين در حاليست كه ليو1 [4] و تسو [5] آثار سيگنال بزرگ ليزر چاه كوانتومي را مدل كردهاند. بيوترا [6] نيز مدارمعادل ليزر را با لحاظ كردن اثر حرارتي ارائه نموده است. صالحي [7] اثر چگالي نقصها در ناحيه فعال را با اضافه كردن معادله تغييرات اين حاملها به معادلات نرخ مدل نموده است.
جيان جون [8] نيز اثر ترازهاي بالاي چاه را در نظر گرفته است و فرمول تجربي بهره برحسب چگالي حاملها كه در معادلات كاربرد دارد را بيان نموده است. زوتسچر [9] تغييرات فركانس (چيرپ ) يك ليزر چاه كوانتمي InGaAS −GaAS ساخته شده را اندازه گيري نموده و با نتايج شبيه سازي عددي آن مقايسه نموده است.
با توجه به اهميت فوق العادة ليزرهاي چاه كوانتومي با ساختار غير همجنس تحديد جداگانه و كاربردوسيع آنها، اين نوع ليزر در اين پاياننامه بررسي و مدلسازي مداري اين نوع ساختار انجام شـده اسـت.
با استفاده از مدل مداري مي توان به پاسخهاي سيگنال كوچك و سيگنال بـزرگ ليـزر چـاه كـوانتميدست يافت. همچنين پارامترهاي مهمي از قبيل تاخير زماني روشـن شـدن ليـزر، فركـانس واهلـش ، عرض باند مدولاسيون و ميزان حساسيت پارامترهاي فوق به تغيير جريان باياس را مشاهده نمود.
از آنجا كه ساختار ليزرQW بكار رفته در اين تحقيق SCH ميباشد، مواردي از قبيل تاثير تغيير طول SCH را كه از جمله پارامترهاي مهم در طراحي ليزر SCH-QW است، بر تاخير زماني روشن شدن ليزر، فركانس واهلش و عرض باند مدولاسيون بررسي مي شود.
در اين تحقيق سعي بر آن شد كه مشخصه چيرپ نيز بررسي و توسط مدلسازي مداري شبيه سازي شود. پديده چيرپ ليزر در مشخصه سيستم هاي انتقال اهميت مييابد، چيرپ فركانس براي ارتباطات مخابراتي بسيار مضر مي باشد زيرا منجر به تعريض قابل ملاحظه پالسهاي نوري در هنگام انتشار وتفرق غير همسان در فيبرهاي نوري مي گردد.

نتايج
ليزرهايQW به سبب بهره ديفرانسيلي بالاتر، حجم كوچكتر، چگالي جريان آستانه كمتر، عرض بانـدمدولاسيون وسيعتر و بالاخره عرض طيف خروجي باريكتر نسبت به ليزرهاي حجمي بطور وسـيعي در سيستمهاي اپتوالكترونيكي مورد استفاده قرار ميگيرند[39].
با استفاده از شبيه سازهاي مداري مي توان مكانيزمهاي فيزيكي داخل قطعه را با جزئيات كامل مدل نمود و در عين حال با استفاده از اين شبيه سازها مي توان حجم محاسبات را كاهش و دقت را تا ميزان قابل قبولي بالا برد. مدلسازي مداري براي طراحي راه اندازهاي ليزر QW نيز ضروري مي باشد.
در مدلسازي مداري ليزر از معادلات نرخ استفاده مي شود. با انتخاب دوپينگ مناسب براي ناحيه SCH ميتوان زمان انتقال حاملها را كاهش داد[24]. با فرض خنثايي بار در ناحيه SCH و چاه كوانتمي نياز به داشتن معادلات جداگانه براي الكترون و حفره وجود ندارد و محاسبات كاهش مييابد[21].
اساسيترين مشخصه ليزر نيمه رسانا مشخصه توان خروجي بر حسب جريان تزريقي مي باشد. در جريان هاي كوچك شدت نور خروجي ناشي از انتشار خودبخودي مي باشد. هنگاميكه چگالي جريان به مقدار آستانه برسد، يعني بهره نوري برابر تلفات مي گردد، انتشار ليزر آغاز مي شود. جريان آستانه به ابعاد ناحيه فعال بستگي دارد، بنابراين در ليزر QW كه حجم ناحيه فعال كوچكتر ميباشد به طور محسوسي كاهش مييابد[32]. افزايش بهره ديفرانسيلي در ليزر QW به سبب كوانتيزه شدن ترازها سبب افزايش عرض باند ليزر QW نسبت به ليزر نيمه رساناي حجمي ميشود[40].
از مقايسه پاسخ سيگنال كوچك براي دو ساختارLSCH = 76nm وLSCH = 300nm اينطور اسـتنتاج ميشود كه زمان انتقال در طول ناحيهτcap ) SCH ) بايد مينيمم شود. تاخير انتقال حاملها در ناحيـهبدون دوپينگSCH منجر به خميدگي در فركانسهاي پائين ميشود كـه عـرض بانـد مدولاسـيون رامحدود ميكند، بنابراين ناحيه كوچكتر مطلوب مي باشد. اما كوچكتر شدن اين ناحيه تلفات كـاواك راافزايش د اده و ضريب تحديد نوري را كاهش مي دهد. اثرات مذكور سـبب افـزايش چگـالي حاملهـا درشرايط آستانه و در نتيجه كاهش بهره ديفرانسيلي و اشباع سريع بهـره در ليـزر QW مـي گـردد [21]. محدوديت عرض باند مدولاسيون در ليزر QWبه سبب اشباع سريع بهره در اثر افزايش چگالي حاملها تابع تلفات كاواك ميباشد، بنابراي ن ميتوان طول بهينه براي ماكزيمم عرض باند مدولاسـيون در نظـرگرفت[21].
فرايند نقل و انتقال حاملها بر روي بازده جريان تزريقي نيز موثر ميباشد، بطوريكه بـا جابجـايي محـلچاه كوانتمي در داخل ناحيهSCH و نزديك كردن آن به طرف نوع P پيوند، راندمان جريان تزريقـيافزاي ش مييابد[41]. اين مطلب به مقدار كوچك موبيليتي حفره نسبت به الكترون باز مي گردد[41].
پاسخ سيگنال بزرگ ليزرهاي نيمه هادي براي سيستمهاي انتقال ديتاي موازي سـرعت بـالا از اهميـتويژه اي برخوردار است. عملكرد مطلوب ليزر داشتن دامنه ثابت ميباشد. اما به محض روشن شدن ليزرو در لبه بالارونده دامنه ليزر تغيير مي كند و پس از مدتي پايدار و ثابت مي گـردد. چنـين فراينـدي درلبه پايينرونده و در هنگام خاموش شدن ليزر تكرار ميشود. با افزايش چگالي حاملها در ناحيـه فعـالدامنه نوسانات افرايش مييابد[4]. يعني در افزارهLSCH = 76nm نسبت بـهLSCH = 300nm دامنـهنوسان بزرگتري داريم.
كاهش تاخير زماني ليزر با افزايش جريان باياس ممكن مي باشد. علاوه بر آن تاخير زماني تقريبا به طور خطي با τcap متناسب است يعني با تغيير τcap (تغيير LSCH) مي توان تاخير زماني را كنترل نمود[38].
چيرپ فركانس براي ارتباطات مخابراتي بسيار مضر مي باشد زيرا منجر به تعريض قابل ملاحظه پلاسهاي نوري در هنگام انتشار و تفرق غيرهمسان در فيبرهاي نوري مي گردد. اساس فيزيكي چيرپ به دامنه فاز كوپل شده با ليزر كه بعنوان ضريب αH بيان مي شود باز مي گردد. از اين رو مقدار كوچك αH براي سيستمهاي موحبر نوري مناسب مي باشد كه با توجه به كاهش اين ضريب در ليزرهايQW چيرپ در اين گونه ليزرها كاهش مي يابد [12].
همانگونه كه بيان شد نسبت زمان گرفتار شدن حاملهـا بـه زمـان انتـشار از چـاه كـوانتمي بـر پاسـخفركانسي و نرخ ميرائي تاثير مي گذارد. در چاه كوانتمي عميق تر و با عرض بيشتر اين نـسبت كـوچكترخواهد بود . اما چاه كوانتمي عريض تر بهره ديفرانـسيلي را كـاهش مـيدهـد و عميـق تـر شـدن چـاهكوانتمي سبب افزايش دماي ناحيه فعال ميشود (حاملها برا ي رسيدن به اولين زيرنوار انرژي و شركتدر انتشار ليزري انرژي بيشتري از دست مي دهند) و نيز فراينـدهاي انتقـال درون نـواري نيـز افـزايشمييابد[43]. بنابراين در انتخاب عمق و عرض چاه با توجه به موارد مذكور يك مقـدار بهينـه انتخـابمي گردد.

نحوه خرید

دانلود رایگان فایل
شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

برای دسترسی به این فایل ابتدا باید اشتراک خریداری کنید. برای خرید اشتراک بر روی لینک زیر کلیک کنید.

ارتقاء عضویت

در صورت بروز هر گونه مشکل در روند خرید اینترنتی، بخش پشتیبانی کاربران آماده پاسخگویی به مشکلات و سوالات شما می باشد

راهنمای سایت

برخلاف سایت های دیگر که فایل ها را به صورت تکی می فروشند روال سایت ما این است که شما با عضویت در سایت ما میتوانید از تمام فایل های موجود استفاده کنید.

تمام مطالب سایت فقط برای اعضای سایت رایگان است.

نحوه عضویت در سایت