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

چکیده vi
فصل اول: مقدمه ۱
فصل دوم: تئوری عملکرد لیزر نیمه رسانا و فیزیک ساختار چاه کوانتمی
۲-۱- تاریخچه ۵
۲-۲- ساختارهای غیر همجنس ۶
۲-۳- اصول عملکرد لیزرهای نیمرسانا ۹
۲-۳-۱- فرایندهای باز ترکیب ۱۳
۲-۳-۲- بازترکیبهای غیر تابشی ۱۴
۲-۳-۳- فرایندهای بازترکیب تابشی ۱۵
۲-۳-۳-۱- گسیل خود به خودی ۱۵
۲-۳-۳-۲- گسیل القایی ۱۶
۲-۳-۳-۲- جذب ۱۶
۲-۳-۴- محدودیت میدان نوری و موجبر دی الکتریک ۱۶
۲-۴- شرط گسیل القایی ۱۸
۲-۵- انواع ساختارهای غیر همجنس دوگانه از لحاظ ضخامت لایه فعال ۱۹
۲-۶- چگالی حالات در ساختار چاه کوانتومی ۲۰
۲-۷- ساختار نوار انرژی چاه کوانتومی ۲۳
۲-۸- پیوندهای نیمه رسانا در لیزر با ساختار حجمی و چاه کوانتمی ۲۴
۲-۹- معادلات نرخ ۲۷
ف صــل سوم: مدلسازی مداری لیزر چاه کوانتمیبا ساختار SCH
۳-۱- لیزر چاه کوانتمی با ساختار SCH 32
۳-۲- معادلات نرخ در لیزر چاه کوانتمی با ساختار SCH 33
۳-۳- استخراج مدل مداری لیزر چاه کوانتمی با ساختار SCH 36
۳-۴- مدل نمودن چیرپ در لیزر چاه کوانتمی با ساختار SCH 42
۳-۴-۱- مشخصه چیرپ در لیزر ۴۳
۳-۴-۲- مدلسازی مداری چیرپ در مشخصه خروجی لیزر چاه کوانتمی
با ساختار SCH 44 فصل چهارم: نتایج شبیه سازی لیزر QW با ساختار SCH
۴-۱- پاسخ گذرای لیزر QW 51
۴-۲- مشخصه L-I لیزر QW 53
۴-۳- پاسخ سیگنال کوچک لیزر QW 55
۴-۴- پاسخ سیگنال بزرگ لیزر QW 57
۴-۵- تاخیر زمانی در روشن و خاموش شدن لیزرQW 62
۴-۶- مشخصه چیرپ خروجی لیزر QW 65
فصل پنجم: نتایج و پیشنهادها
۵-۱- نتایج ۷۰
۵-۲- پیشنهادها ۷۲
۳-۱- جدول پارامترهای افزاره برای LSCH =300nm 47
۳-۲- جدول پارامترهای مورد نیاز مدل برای LSCH =300nm 48
۳-۳- جدول پارامترهای افزاره برای LSCH =76nm 49
۳-۳- جدول پارامترهای مورد نیاز مدل برای LSCH =76nm 50

چکیده
در این تحقیق پس از بررسی فیزیک لیزر چاه کوانتمی، ساختار SCH1 لیزر فبری پرو مورد بررسی قرار گرفته است و با توجه به معادلات نرخ حاکم بر لیزر، مدلسازی مداری آن توسط SPICE انجام شده است.
پارامترهای کلیدی لیزر چاه کوانتمی ر پاسخ حالت گذرای آن به ورودی پله، مشخصه L-I، پاسخ سیگنال کوچک و بزرگ لیزر، تاخیر زمانی، پاسخ مدولاسیون و پهنای باند آن، فرکانس نوسان واهلش خاموش و روشن شدن لیزر و همچنین مشخصه چیرپ خروجی مورد بررسی و آنالیز قرار گرفته است. اثر طول ناحیه SCH نیز که یکی از مشخصات مهم این نوع ساختارمی باشد بر روی کلیه پارامترهای فوق لحاظ و تحلیل شده است.

مقدمه
امروزه با مطرح شدن نور بعنوان یک حامل مناسب برای انتقال اطلاعات از طریق فیبر نوری، در سیستمهای مخابرات نوری جایگاه خاصی پیدا کرده اند و قطعات الکترونیک نوری همچون منابع نوری (لیزرها)، آشکار سازها (فوتو دیودها)، تقویت کننده های نوری نیمه رسانا و… بعنوان عناصر اصلی این سیستمها نقش مهمی را ایفا می کنند.
در سالهای اخیر لیزرهای نیمه رسانا، بویژه لیزرهای چاه کوانتمی۱ بطور وسیعی در سیستمهای ارتباط نوری، مدارات مجتمع نوری، پرینترهای لیزری، دیسکهای فشرده، پوینترهای لیزری و نمایشگرهای لیزری استفاده می شوند.
برای توصیف رفتار اینگونه لیزرها روشهای مختلفی وجود دارد که یکی از آنها مدلسازی مداری و تحلیل با بهره گیری از شبیه سازهای مداری است. شبیه سازهای مداری ابزارهایی قدرتمند برای طراحی و تحلیل افزاره های نوری و درایورهای آنها هستند. در شبیه سازی های مداری، تئوریها و مسائل اساسی فیزیک افزاره ها به صورتی تبدیل می گردند که با استفاده از مدارهای الکتریکی قابل بیان باشند.
طراحی و شبیهسازی قطعات و سیستمهای الکترونیکی نوری در ابزارهای کامپیوتری قبل از ساخت، آنها می تواند در بهینه سازی و تعیین پارامترهای قطعه بسیار مفید باشد. امروزه تکنولوژی لازم برای شبیه سازی سیستمهای الکترونیکی کاملاً توسعه پیدا کرده است. این تکنولوژی در زمینه الکترونیک نوری در حال توسعه و تکامل می باشد. لذا می توان با کمک ابزارهایی مانند SPICE و مشابه آن رفتار و عملکرد قطعات الکترونیکی نوری را از لحاظ الکترونیکی و نوری بطور همزمان بررسی و مدلسازی نمود.
در شبیهسازی لیزر نیمه رسانا، مدلسازی باید در سطحی باشد که بتوان مکانیزمهای فیزیکی داخل قطعه را با جزئیات کامل مدل نمود. بسیاری از مدلها مشتمل بر آنالیزهای چندبعدی، نظیر بررسی رفتار الکتریکی در کنار بررسی مشخصات نوری قطعه می باشد. حجم بالای محاسبات که در ذات برنامه های شبیه سازی عددی می باشد، استفاده از شبیه سازهای مداری را در مقایسه با دیگر ابزارهای طراحی سیستمهای الکترونیکی نوری تقویت می کند.
همانطور که گفته شد مدلسازی قطعات نوری مشتمل بر بررسی رفتار الکترونیکی و نوری آنهاست، لذا شبیه سازی باید به دفعات تکرار شود تا بتوان با توجه به مشخصات تعیین شده به مقدار بهینه برای برخی پارامترهای مهم دست یافت. بنابراین نیاز به مدلهایی با حجم محاسباتی کمتر بسیار مورد توجه است اگرچه لازم به یادآوری است که نباید دقت این ابزارها و مدلها از مقدار مشخصی کمتر باشند.
در طی بیست و پنج سال اخیر مدلسازی لیزر با کمک المانهای مداری مثل ترانزیستورها، مقاومتها و خازنها رشد چشم گیری داشته است. مدلهای لیزر در سطح المانهای مداری، طراحی مدارات مجتمع الکترونیکی نوری یا مدارات ترکیبی نوری- الکترونیکی را امکانپذیر می سازند. در این شبیه سازیها مشخصات دقیق ترمینالهای لیزر در محیط استاندارد شبیه سازی مانند SPICE تعیین میشود.
در تعدادی از موارد مهم و قابل توجه که در اینجا به طور خلاصه عنوان می شود، از معادلات نرخ به منظور توصیف رفتار لیزر استفاده شده است و با استفاده از شبیهسازهای مداری عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است. کاتز۱ [۱] یکی از افرادی است که از یک مدار RLC به منظور پیادهسازی سیگنال کوچک معادلات نرخ برای حاملها و چگالی فوتونها بهرهگرفته است. مدل سیگنال بزرگ توسط تاکر [۲] ارائه شده که در آن از معادلات نرخ تک مدی استفاده شده است. مقالات اخیر مشتمل بر پیشرفتهای قابل توجهی در بیان رفتار لیزر با جزئیات بسیار، نظیر مدلسازی لیزرهای QW هستند. کان [۳] مدل مداری سیگنال کوچک لیزرهای QW برپایه معادلات نرخ را ارائه دادند و در آن حمل و نقل حاملها بین چاه کوانتومی و لایه های تحدید نوری بررسی شده است. این در حالیست که لیو۱ [۴] و تسو [۵] آثار سیگنال بزرگ لیزر چاه کوانتومی را مدل کردهاند. بیوترا [۶] نیز مدارمعادل لیزر را با لحاظ کردن اثر حرارتی ارائه نموده است. صالحی [۷] اثر چگالی نقصها در ناحیه فعال را با اضافه کردن معادله تغییرات این حاملها به معادلات نرخ مدل نموده است.
جیان جون [۸] نیز اثر ترازهای بالای چاه را در نظر گرفته است و فرمول تجربی بهره برحسب چگالی حاملها که در معادلات کاربرد دارد را بیان نموده است. زوتسچر [۹] تغییرات فرکانس (چیرپ ) یک لیزر چاه کوانتمی InGaAS −GaAS ساخته شده را اندازه گیری نموده و با نتایج شبیه سازی عددی آن مقایسه نموده است.
با توجه به اهمیت فوق العاده لیزرهای چاه کوانتومی با ساختار غیر همجنس تحدید جداگانه و کاربردوسیع آنها، این نوع لیزر در این پایاننامه بررسی و مدلسازی مداری این نوع ساختار انجام شـده اسـت.
با استفاده از مدل مداری می توان به پاسخهای سیگنال کوچک و سیگنال بـزرگ لیـزر چـاه کـوانتمیدست یافت. همچنین پارامترهای مهمی از قبیل تاخیر زمانی روشـن شـدن لیـزر، فرکـانس واهلـش ، عرض باند مدولاسیون و میزان حساسیت پارامترهای فوق به تغییر جریان بایاس را مشاهده نمود.
از آنجا که ساختار لیزرQW بکار رفته در این تحقیق SCH میباشد، مواردی از قبیل تاثیر تغییر طول SCH را که از جمله پارامترهای مهم در طراحی لیزر SCH-QW است، بر تاخیر زمانی روشن شدن لیزر، فرکانس واهلش و عرض باند مدولاسیون بررسی می شود.
در این تحقیق سعی بر آن شد که مشخصه چیرپ نیز بررسی و توسط مدلسازی مداری شبیه سازی شود. پدیده چیرپ لیزر در مشخصه سیستم های انتقال اهمیت مییابد، چیرپ فرکانس برای ارتباطات مخابراتی بسیار مضر می باشد زیرا منجر به تعریض قابل ملاحظه پالسهای نوری در هنگام انتشار وتفرق غیر همسان در فیبرهای نوری می گردد.

نتایج
لیزرهایQW به سبب بهره دیفرانسیلی بالاتر، حجم کوچکتر، چگالی جریان آستانه کمتر، عرض بانـدمدولاسیون وسیعتر و بالاخره عرض طیف خروجی باریکتر نسبت به لیزرهای حجمی بطور وسـیعی در سیستمهای اپتوالکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند[۳۹].
با استفاده از شبیه سازهای مداری می توان مکانیزمهای فیزیکی داخل قطعه را با جزئیات کامل مدل نمود و در عین حال با استفاده از این شبیه سازها می توان حجم محاسبات را کاهش و دقت را تا میزان قابل قبولی بالا برد. مدلسازی مداری برای طراحی راه اندازهای لیزر QW نیز ضروری می باشد.
در مدلسازی مداری لیزر از معادلات نرخ استفاده می شود. با انتخاب دوپینگ مناسب برای ناحیه SCH میتوان زمان انتقال حاملها را کاهش داد[۲۴]. با فرض خنثایی بار در ناحیه SCH و چاه کوانتمی نیاز به داشتن معادلات جداگانه برای الکترون و حفره وجود ندارد و محاسبات کاهش مییابد[۲۱].
اساسیترین مشخصه لیزر نیمه رسانا مشخصه توان خروجی بر حسب جریان تزریقی می باشد. در جریان های کوچک شدت نور خروجی ناشی از انتشار خودبخودی می باشد. هنگامیکه چگالی جریان به مقدار آستانه برسد، یعنی بهره نوری برابر تلفات می گردد، انتشار لیزر آغاز می شود. جریان آستانه به ابعاد ناحیه فعال بستگی دارد، بنابراین در لیزر QW که حجم ناحیه فعال کوچکتر میباشد به طور محسوسی کاهش مییابد[۳۲]. افزایش بهره دیفرانسیلی در لیزر QW به سبب کوانتیزه شدن ترازها سبب افزایش عرض باند لیزر QW نسبت به لیزر نیمه رسانای حجمی میشود[۴۰].
از مقایسه پاسخ سیگنال کوچک برای دو ساختارLSCH = 76nm وLSCH = 300nm اینطور اسـتنتاج میشود که زمان انتقال در طول ناحیهτcap ) SCH ) باید مینیمم شود. تاخیر انتقال حاملها در ناحیـهبدون دوپینگSCH منجر به خمیدگی در فرکانسهای پائین میشود کـه عـرض بانـد مدولاسـیون رامحدود میکند، بنابراین ناحیه کوچکتر مطلوب می باشد. اما کوچکتر شدن این ناحیه تلفات کـاواک راافزایش د اده و ضریب تحدید نوری را کاهش می دهد. اثرات مذکور سـبب افـزایش چگـالی حاملهـا درشرایط آستانه و در نتیجه کاهش بهره دیفرانسیلی و اشباع سریع بهـره در لیـزر QW مـی گـردد [۲۱]. محدودیت عرض باند مدولاسیون در لیزر QWبه سبب اشباع سریع بهره در اثر افزایش چگالی حاملها تابع تلفات کاواک میباشد، بنابرای ن میتوان طول بهینه برای ماکزیمم عرض باند مدولاسـیون در نظـرگرفت[۲۱].
فرایند نقل و انتقال حاملها بر روی بازده جریان تزریقی نیز موثر میباشد، بطوریکه بـا جابجـایی محـلچاه کوانتمی در داخل ناحیهSCH و نزدیک کردن آن به طرف نوع P پیوند، راندمان جریان تزریقـیافزای ش مییابد[۴۱]. این مطلب به مقدار کوچک موبیلیتی حفره نسبت به الکترون باز می گردد[۴۱].
پاسخ سیگنال بزرگ لیزرهای نیمه هادی برای سیستمهای انتقال دیتای موازی سـرعت بـالا از اهمیـتویژه ای برخوردار است. عملکرد مطلوب لیزر داشتن دامنه ثابت میباشد. اما به محض روشن شدن لیزرو در لبه بالارونده دامنه لیزر تغییر می کند و پس از مدتی پایدار و ثابت می گـردد. چنـین فراینـدی درلبه پایینرونده و در هنگام خاموش شدن لیزر تکرار میشود. با افزایش چگالی حاملها در ناحیـه فعـالدامنه نوسانات افرایش مییابد[۴]. یعنی در افزارهLSCH = 76nm نسبت بـهLSCH = 300nm دامنـهنوسان بزرگتری داریم.
کاهش تاخیر زمانی لیزر با افزایش جریان بایاس ممکن می باشد. علاوه بر آن تاخیر زمانی تقریبا به طور خطی با τcap متناسب است یعنی با تغییر τcap (تغییر LSCH) می توان تاخیر زمانی را کنترل نمود[۳۸].
چیرپ فرکانس برای ارتباطات مخابراتی بسیار مضر می باشد زیرا منجر به تعریض قابل ملاحظه پلاسهای نوری در هنگام انتشار و تفرق غیرهمسان در فیبرهای نوری می گردد. اساس فیزیکی چیرپ به دامنه فاز کوپل شده با لیزر که بعنوان ضریب αH بیان می شود باز می گردد. از این رو مقدار کوچک αH برای سیستمهای موحبر نوری مناسب می باشد که با توجه به کاهش این ضریب در لیزرهایQW چیرپ در این گونه لیزرها کاهش می یابد [۱۲].
همانگونه که بیان شد نسبت زمان گرفتار شدن حاملهـا بـه زمـان انتـشار از چـاه کـوانتمی بـر پاسـخفرکانسی و نرخ میرائی تاثیر می گذارد. در چاه کوانتمی عمیق تر و با عرض بیشتر این نـسبت کـوچکترخواهد بود . اما چاه کوانتمی عریض تر بهره دیفرانـسیلی را کـاهش مـیدهـد و عمیـق تـر شـدن چـاهکوانتمی سبب افزایش دمای ناحیه فعال میشود (حاملها برا ی رسیدن به اولین زیرنوار انرژی و شرکتدر انتشار لیزری انرژی بیشتری از دست می دهند) و نیز فراینـدهای انتقـال درون نـواری نیـز افـزایشمییابد[۴۳]. بنابراین در انتخاب عمق و عرض چاه با توجه به موارد مذکور یک مقـدار بهینـه انتخـابمی 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

آخرین مطالب

مطالب مرتبط