محمد سروش

در این پژوهش با استفاده از ساختار مبتنی بر بلور فوتونی پایه مربعی، یک نیم‌جمع کننده نوری از میله‌های سیلیکون در بستر هوا و با طول‌ موج۱۵۶۳ نانومتر پیشنهاد شده است. این ساختار، دارای دو درگاه ورودی A و B و دو درگاه خروجی S و C است که با استفاده از اثر غیرخطی کر و بکارگیری دو کاواک تشدیدی طراحی و ارائه ‌شده است. ضریب شکست ماده سیلیکون مورد استفاده در شبیه‌سازی ساختار برابر با ۴۶/۳ است و نسبت شعاع میله‌های سیلیکون به ثابت شبکه برابر ۲۱۱/. و به ازای طول‌ موج ۱۵۶۳ نانومتر، بازه باند ممنوعه از ۱۳۹۵ تا ۲۰۶۶ نانومتر بدست آمد. برای شبیه‌سازی افزاره ارائه‌ شده از نرم¬افزار تجاری آرسافت و روش بسط امواج تخت و تفاضل محدود در حوزه زمان استفاده‌ شده است. شبیه¬سازی نشان داد که ساختار پیشنهادی مبتنی بر کاواک¬های تشدیدی، بدون پرداختن به درگاه¬های منطقی گفته¬شده در مراجع پیشین می¬تواند عملکرد یک نیم¬جمع¬کننده نوری را ارائه دهد. برای این افزاره، بیشینه زمان پاسخ-دهی و سطح استفاده ¬شده به ترتیب ۳ و ۲ پیکوثانیه بدست آمده است.

در این پژوهش برای کاهش پاشندگی، طرح جدیدی برای فیبر نوری مبتنی بر بلور فوتونی پیشنهاد داده شد که پاشندگی نزدیک به صفر را نتیجه داد. با بکارگیری نرم افزار لومریکال، در ابتدا ساختارهای پایه برای فیبرهای بلور فوتونی با چینش دایره ای و شش ضلعی ارائه شد که به دلیل پاشندگی کمتر چینش شش ضلعی، ادامه کار بر این ساختار متمرکز شد. با تغییر شکل حفره ها، تغییر شعاع حفره ها و تغییر ثابت شبکه پاشندگی افزاره به نزدیک صفر کاهش یافت. در این پایان نامه، به منظور کاهش تلفات و پاشندگی فیبرهای نوری مبتنی بر بلورهای فوتونی طرحی ارائه شد که از شش لایه حفره تشکیل شده است. شعاع حفره های هوا از مرکز فیبر به سمت بیرون از 0.21 تا 0.7 میکرومتر تغییر می کند. ضریب شکست 1.41 بدست آمده از شبیه سازی و تابع توزیع مکانی شدت میدان الکتریکی در هسته نشان داد محدودسازی مناسبی در مرکز فیبر رخ داده است و تلفات^7-10×dB/cm 3.34  به ازای طول موج 1550nm این موضوع را تایید کرد. اندازه پاشندگی 0.026ps/nm.km در طول موج گفته شده نشان داد که طرح پیشنهادی در مقایسه با تعدادی از پژوهش های اخیر کارکرد بهتری دارد. اندازه سطح موثر مودی در این حالت 7.93μm² بدست آمده است. بکارگیری حفره های دایره ای شکل هوا و سیلیکون در طرح پیشنهادی به ساده سازی فرآیند ساخت کمک خواهد کرد.

در این پایان¬نامه به طراحی و شبیه‌سازی یک حسگر دمای مبتنی بر بلور فوتونی پرداخته می‌شود. برای محاسبه مودهای هدایتی و شدت میدان الکتریکی در افزاره، از حل معادلات ماکسول با استفاده از روش اجزاء محدود بهره گرفته شده و برای این منظور از نسخه a2/5 نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس استفاده شده است. برای افزایش حساسیت حسگر، مایع کریستالی حساس به دما با ضریب ترمواپتیکی /°C 4-10x 65/4- به حفره های لایه دوم پوشش فیبر تزریق می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که در اثر کوپل کامل بین دو سوپر مود فیبر، تلفات تحدید در هسته زیادتر می شود به گونه ای  که افزایش دما باعث جابجایی طول موج بیشینه تلفات تحدید به سمت طول موج¬های کوتاه¬تر می¬گردد. بر اساس نتایج شبیه سازی، حسگر پیشنهادی در بازه دمایی °C80~20، حساسیت میانگین nm/°C 964/1-S= با وابستگی خطی 999917/0= R2، nm 2/7FWHM= و شاخص کیفیت عملکرد /°C 272/0-FOM= دارد. یکسان بودن مشخصه های حسگر برای دو قطبش X و Y، از ویژگی های مهم افزاره پیشنهادی است. شبیه سازی نشان می دهد با تغییر برخی پارامترهای هندسی حسگر می توان برخی مشخصه ای آن مانند FWHMرا بهبود بخشید. نتایج شبیه سازی نشان دهنده عملکرد بهتر حسگر پیشنهادی در برخی از مشخصه ها نسبت به پژوهش‌های پیشین است.

در این پژوهش به طراحی و شبیه‌سازی یک فلیپ‌فلاپ تمام نوری مبتنی بر بلور فوتونی پرداخته شده است. برای محاسبه شدت میدان الکتریکی از حل معادله‌های ماکسول با استفاده از روش تفاضل محدود حوزه زمان بهره گرفته‌شده و برای به دست آوردن گاف باند فوتونی از روش بسط موج سطحی استفاده‌شده است. شبیه‌سازی توسط نرم‌افزار آرسافت نسخه 2/8 انجام پذیرفته است. افزاره پیشنهادی ساختار میله¬ای با ثابت شبکه 575 نانومتر دارد و شعاع میله¬های آن 2/0 ثابت شبکه است. ساختار طرح پیشنهادی از دو ورودی تشکیل شده که در دو کاواک تشدیدی متقاطع هستند. تشدید کاواک¬ها به ازای طول موج¬های 586/1 و 62/1 میکرومتر رخ می¬دهد. تشدید در هر کاواک، اجازه عبور سیگنال نوری دیگر را نمی¬دهد. برای حل مشکل نگه¬داری داده، از دو بایاس استفاده شده است. سطح افزاره پیشنهادی 19 میکرومتر در 19 میکرومتر و زمان برخاست سیگنال خروجی به ازای تحریک ورودی 1/3 پیکوثانیه است. شبیه¬سازی طرح پیشنهادی نشان می¬دهد که به ازای حالت¬های مختلف، افزاره به عنوان یک فلیپ فلاپ پایه عمل می¬کند.

در این پژوهش با کمک بلورهای فوتونی به طراحی و شبیه‌سازی یک دیود نور گسیل GaN پرداخته می‌شود. برای محاسبه شدت میدان الکتریکی و بازده افزاره از حل معادلات ماکسول با استفاده از روش تفاضل محدود حوزه زمان بهره گرفته شد و برای این منظور از نسخه 12/8 نرم افزار تجاری لومریکال استفاده شد. در این پژوهش نشان داده شد که با بکارگیری بلورهای فوتونی مبتنی بر حفره و کاهش بازتاب داخلی کلی، بازده یک دیود نور گسیل GaN را بیش از دو برابر می‌توان افزایش داد. با استفاده از 15 دوره تناوب بلور فوتونی با تناوب شبکه nm680 ، ارتفاع حفره nm210 و نسبت طول حفره به تناوب شبکه 5/0 به ازای طول موج nm400، بازده افزاره تا 1/2 برابر افزایش یافت. برای مقایسه نتایج شبیه‌سازی با پژوهش‌های پیشین طرح پیشنهادی در طول موج nm465 نیز شبیه‌سازی شد و نشان داده شد که به ازای تناوب شبکه nm574، ارتفاع حفره nm210 و نسبت طول حفره به تناوب شبکه 54/0 بازده افزاره تا 95/1 برابر افزایش می‌یابد. شبیه‌سازی و مقایسه نتایج بدست آمده از آن به ازای طول موج‌های 400 و 465 نانومتر با پژوهش‌های دیگر نشان داد که بکارگیری افزاره پیشنهادی، می‌تواند امکان دستیابی به بازده بیشتری را فراهم سازد.

در این پایان‌نامه، با بکار‌گیری ساختار مبتنی بر بلور‌های فوتونی یک بعدی فیلتری برای سامانه‌های ارتباطی تمام نوری پیشنهاد شد. این افزاره در پنجره مخابراتی 1550 نانومتر قابل تنظیم است. برای شبیه‌سازی افزاره از روش ماتریس انتقال و نرم‌افزار متلب استفاده شده است. اثر تغییر ضریب شکست، تعداد و ضخامت لایه‌ها و زاویه تابش فرودی بر طیف خروجی فیلتر بررسی و ساختار فیلتری با باند گذر کم و بازده زیاد معرفی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان داد که می‌توان در طول موج 1550 نانومتر به پهنای باند 2/0 نانومتر، ضریب کیفیت 7750 و بازده گذر نزدیک به 100 درصد دست یافت که با توجه به سادگی ساخت بلور‌های فوتونی یک بعدی و نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی، کاربرد این افزاره در سامانه مالتی پلکس تقسیم طول موج امکان‌پذیر است.

در این پایان¬نامه یک طرح جدید برای فیلتر نوری کاواک تشدیدی مبتنی بر بلورهای فوتونی برای پنجره 1310 نانومتر ارائه شده است. این فیلتر با ساختار مربعی و میله¬های سیلیکنی در زمینه هوا پیاده سازی شده است که برای قطبش TM بکار می¬رود. برای شبیه¬سازی افزاره پیشنهادی از نرم افزار تجاری آرسافت استفاده شده است. نتایج شبیه¬سازی نشان می¬دهد که می¬توان در طول موج 1313 نانومتر به پهنای باند 37/0 نانومتر و ضریب کیفیت 3549 دست یافت. بازده گذر این افزاره 98 درصد است که نشان دهنده تلفات بسیار ناچیز آن است. سطح مقطع طرح پیشنهادی 118/4 میکرومتر مربع است که برای مجتمع سازی افزاره¬های نوری پیشنهاد می¬شود.

در این پژوهش با استفاده از ساختارهای مبتنی بر بلورهای فوتونی پایه مربعی و شش ضلعی، دو تقسیم کننده نوری در طول موج 1550 نانومتر که به ترتیب در مد TM و TM/TE کار می کنند، پیشنهاد شده است. ساختار پایه مربعی تقسیم کننده نوری شامل استوانه های گالیوم آرسناید در هوا است و سه خروجی قابل تنظیم و افت ناچیز 31/0 درصد در حالت TM دارد. در این ساختار برای محدود سازی و هدایت نور از سه ناراستی در موجبرها استفاده شده است. همچنین ساختار ارائه شده مبتنی بر پایه شش ضلعی حفره های هوایی درون سیلیکن است که دو خروجی با کمینه افت کمتر از 8/6 درصد در مد TE و 8/2 درصد در مد TM دارد. سطح مقطع ساختارهای پیشنهادی کمتر از 55 میکرومتر مربع است و برای مجتمع سازی نوری مناسب است. برای شبیه¬سازی افزاره های ارائه شده از نرم افزار تجاری آرسافت و روش بسط امواج تخت و تفاضل محدود در حوزه زمان استفاده شده است.

 در این پژوهش، یک مدل عددی بر پایه رانش و پراکندگی ارائه شده است که می‌تواند بهره و نویز اضافی آشکارساز نوری بهمنی را با خطای کمتر از 5/7 % محاسبه کند. در این مدل، سازوکار رانش و پراکندگی به وسیله تزریق یک الکترون در ابتدای ناحیه تکثیر با میدان الکتریکی معلوم آغاز می‌شود. هر الکترون پس از طی فاصله مرده می‌تواند یونیزاسیون برخوردی انجام دهد. پس از یونیزاسیون برخوردی یک زوج الکترون- حفره تولید می‌شود. مشابه حامل اولیه هریک از حامل‌های تولید شده فاصله مرده را بدون یونیزاسیون برخوردی می‌پیمایند و پس از طی فاصله مرده ممکن است یونیزاسیون برخوردی نیز انجام دهند. این فرآیند در طول ناحیه تکثیر تا زمانی که همه الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده به لبه ناحیه تکثیر برسند ادامه می‌یابد. سپس با توجه به نتایج بدست آمده، تعداد یونیزاسیون برخوردی و بهره آشکارساز نوری بهمنی شبیه سازی می‌شود. پس از شبیه سازی بهره و با بکارگیری روابط رایج نویز اضافی محاسبه می‌شود. شبیه سازی در محیط برنامه نویسی MATLABَ انجام شده و نتایج با داده‌های معتبر علمی مقایسه شده است. با توجه به خطای کمتر از 5/7 %در محاسبه نویز اضافی می‌توان گفت که مدل رانش- پراکندگی می‌تواند بدون پرداختن به پیچیدگی سایر مدل ها، بهره و نویز اضافی آشکارساز نوری بهمنی را شبیه سازی کند.

در این پژوهش یک نوع آشکارساز نوری بهمنی با ساختار تاندم ارائه شده است که می‌تواند تاثیر چشم‌گیری بر کاهش پارامتر نویز اضافی در آشکارساز داشته باشد. ایده اصلی این آشکارساز قرارگیری نواحی تکثیر، به صورت پی در پی است. چیدمان پی در پی لایه‌های مختلف ناحیه تکثیر و میزان چگالی آن‌ها باعث ایجاد سد پتانسیل می‌شود که این سد تفاوت ضرایب یونیزاسیون حامل‌ها را می‌افزاید. شبیه‌سازی آشکارساز در دو بخش ارائه شده است: در بخش اول یک آشکارساز InAlAs-InGaAs بدون در نظر گرفتن ناحیه تکثیر چندگانه شبیه‌سازی شده و نویز اضافی ناشی از آن مورد ارزیابی قرارگرفته است. در بخش بعد آشکارساز با توالی نواحی تکثیر به صورت سری و در سه نوبت تکرار، شبیه‌سازی شده است. شبیه‌سازی ساختار در نرم‌افزار سیلواکو انجام شده و با بهره‌گیری از نتایج حاصل از نرم‌افزار پارامترهای بهره و نویز اضافی آشکارساز گزارش‌شده‌اند. در هر مرحله، نتایج حاصل از شبیه‌سازی با داده‌های معتبر علمی مقایسه شده‌اند تا درستی شبیه‌سازی بررسی شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با بهره‌گیری از ساختار تاندم می توان به ازای بهره های بالاتر از 10، حدود 65% نویز اضافی را کاهش داد.

در این پژوهش، با بکارگیری دو ساختار پایه مربعی و شش‏ضلعی برای ساختار پایه بلورهای فوتونی، فیلترهایی برای سامانه¬های ارتباطی تمام نوری پیشنهاد شد که به ترتیب در مد TM و TE قابل استفاده است. این افزاره¬ها در پنجره مخابراتی 1550 نانومتر قابل تنظیم هستند. نتایج شبیه¬سازی نشان داد که با استفاده از ساختار پایه می¬توان بازده گذر 93% و پهنای باند 9/0 نانومتر را بدست آورد. همچنین با بهره¬گیری از ساختار شش‏ضلعی می¬توان بازده گذر را تا 97% و پهنای باند را تا 3/0 نانومتر بهبود داد. این اندازه¬ها با توجه به استاندارد IEEE 802.3 در سامانه‏های ارتباطی نوری قابل استفاده¬اند. افزاره‏های پیشنهادی با توجه به سطح مقطع کمتر از 120 میکرومترمربع برای مجتمع‏سازی نوری مناسبند.

 در این پژوهش با استفاده از روش ماتریس انتقالی به شبیه¬سازی حسگرهای دما و کرنش مبتنی بر توری براگ فیبر پرداخته شده است. توری به بخش¬های کوچک تقسیم می¬شود و برای هر بخش بر اساس میدان¬های ورودی و خروجی یک ماتریس 2×2 تعریف می¬شود. با حاصل¬ضرب این ماتریس¬ها در هم یک ماتریس کلی 2×2 به دست می¬آید و می¬تواند طیف بازتابی و انتقالی توری را نشان دهد. بر اساس تغییر دوره تناوب و ضریب شکست توری ناشی از تغییر دما و کرنش شبیه¬سازی حسگرهای دما و کرنش مبتنی بر توری براگ یکنواخت و اپودایز شده گوسی ارائه شده است. شبیه¬سازی نشان داد که به کارگیری توری¬های یکنواخت با توجه به سادگی پروسه ساخت باعث توان بازتابی مناسبی می¬شود اما توان بازتابی طول¬موج¬های کناری براگ حدود 30 درصد توان بازتابی قله¬ی طول موج مرکزی هستند. برای حل این موضوع باید مصالحه¬ای بین توان بازتابی و دامنه¬ی طول-موج¬های کناری براگ برقرار کرد که این موضوع با شبیه¬سازی توری اپودایز شده¬ی گوسی نشان داده شده است. نتایج به دست آمده نشان می¬دهد که به ازای کاهش حدود 40 درصد توان بازتابی می¬توان حدود 30 درصد توان طول موج کناری را کاهش داد.

 در این پژوهش، از یک مدل دو بعدی مونت کارلو برای شبیه سازی مولفه های الکترون و حفره جریان نوری خروجی و محاسبه پاسخ زمانی آشکارساز نوری فلز- نیم رسانا- فلز GaAs به ازای تابش پالس نوری استفاده شده است. برای این منظور از یک مدل دو دره ای برای الکترون ها و همچنین مدل دو باندی برای حفره ها استفاده شده است. در مدل ارائه شده، پراکندگی های ناخالصی و فونونی درنظر گرفته شده اند. باندهای انرژی غیرسهموی فرض شده اند و سازوکارهای تونل زنی و گسیل گرمایونی مولفه های جریانی هستند. با اضافه کردن یک لایه نازک با ضخامت 150 نانومتر و چگالی ناخالصی 6e16 cm-3 هم نوع با نیم رسانا نشان داده شده است که شکل گیری یک میدان الکتریکی مخالف با جهت حرکت الکترون در انتهای لایه جذب باعث کاهش چند درصدی زمان پاسخ نوری می شود. با تغییر مکان و چگالی غلظت ناخالصی این لایه نازک از 1/5 تا 4/5 میکرومتر و 4e16 cm-3 تا 1e17 cm-3 پیک جریان گذرنده از قطعهاز 170 تا 300 میکرو آمپر و زمان افت دنباله پاسخ از 18 تا 26 پیکو ثانیه تغییر می کند همچنین دنباله جریان از 27 تا 48 میکرو آمپر کاهش می یابد. مقایسه نتایج بدست آمده از شبیه سازی با داده های معتبر علمی، درستی کارکرد مدل ارائه شده را تایید می کند.

در این پژوهش، آشکارساز فلز- نیم¬رسانا- فلز بر مبنای AlGaN با استفاده از مدل مونت¬کارلو سه ¬دره¬ای شبیه¬سازی شده است. در مدل ارائه شده باندهای انرژی غیر سهموی فرض شده¬اند و سازوکارهای پراکندگی ناخالصی، فونون نوری قطبی، پیزوالکتریک، پتانسیل ناهنجاری، پراکندگی بین دره¬ای و پراکندگی آلیاژی در نظر گرفته شده است. با استفاده از این روش پاسخ گذرای افزاره به ازای پالس تابشی و نمودار پاسخ¬دهی طیفی افزاره محاسبه شده است. شبیه¬سازی در دو بعد و در محیط برنامه¬نویسی MATLAB انجام شده است. به منظور سنجش میزان درستی شبیه¬سازی انجام شده، نمودار پاسخ¬دهی افزاره با نتایج آزمایشگاهی دیگران مقایسه شده است. هدف اصلی پژوهش، شبیه¬سازی عوامل موثر بر پاسخ¬دهی و پاسخ گذرای افزاره است. به همین دلیل اثر ابعاد هندسی افزاره، تابش از پایین افزاره و بکارگیری اتصال¬های تو رفته بررسی شده است. در پایان، با استفاده از نتایج بدست آمده از شبیه¬سازی، ساختاری برای بهبود پاسخ¬دهی ارائه شده است. این ساختار بر مبنای استفاده همزمان از تابش از پایین افزاره و اتصال¬های تو رفته است.