بهینه سازی ساختار لیزرهای نیمه رسانای گسیل سطحی کاواک قائم برای ارتباطات فیبر نوری

با ورود به قرن 21، ارتباطات دور برد به جزء لاینفک کار، اقتصاد و تحقیقات در زندگی روزمره تبدیل شده است. سیستم های مدرن ارتباطی امروزی نه تنها اجازه انتقال صدا را می دهند، بلکه امکان تغییر داده های عددی، تصاویر، ویدئوها و هر آنچه را که بتوان به صورت سیگنالهای دیجیتالی کدبندی کرد، فراهم می آورند. از طرف دیگر با گسترش تکنولوژیهای جدید نظیر اینترنت پهن باند، تلویزیونهای کابلی دیجیتالی و نسل سوم از سیستمهای موبایل، نقش ارتباطات نوری در ایجاد امنیت، سرعت و انتقال داده ها در حجم بالا در مواجه با تقاضاهای موجود و آتی ارتباطات، بسیار مهم می شود. رشد فعلی ارتباطات نوری توسط پیشرفتهای قابل ملاحظه در تکنولوژیهای لیزری و فیبرهای نوری ایجاد شده است. در حالیکه ایده استفاده از شیشه بعنوان محیط انتقال دهنده نور از زمان الکساندر گراهام بل کشف شده است، به کار گیری نور بعنوان عامل انتقال دهنده اطلاعات از زمان اختراع لیزر در دهه 1960 میلادی مورد توجه قرار گرفته است [1]. همزمان با این اختراع، در سال 1966 میلادی چارلز کاو و همکارش مقاله ای انتشار دادند که در آن دلیل اصلی تضعیف نور در فیبرهای آن زمان، ناخالصی های موجود ناشی از ذات شیشه بیان شد [2]. آنها پیشنهاد کردند که اگر بتوان تضعیف فیبر را پایین تر از 20 دسی بل بر کیلومتر نگاه داشت، آنگاه فیبرهای نوری می توانند بعنوان ابزار کاربردی در ارتباطات دور برد مورد استفاده قرار گیرند. دومین گام اساسی در سال 1973 میلادی بر داشته شد، زمانیکه رابرت ماورر و همکارانش در شرکت شیشه کرونینگ توانستند فیبرهای شیشه ای با تضعیف پایین تر از 20 دسی بل بر کیلومتر تهیه کنند. از آن زمان تا کنون، سیستم های فیبر نوری به گونه ای گسترش یافته اند که سیستم های ارتباطاتی کارآمدتری در قیاس با سیستم های ارتباطاتی الکتریکی مرسوم ایجاد می کنند. هر چند، برای اینکه یک سیستم ارتباط نوری بتواند قابل استفاده مداوم باشد، باید به صورت اقتصادی از قیمت مناسبی جهت ساخت، نگهداری و عملکرد برخوردار باشد. مهم تر از همه، این سیستم باید قادر باشد تا افزایش تقاضاها را برای انتقال داده ها، بدون نیاز به تغییر در شالوده سیستم پاسخگو باشد. با توجه به چنین معیارهایی، بخش اعظمی از تحقیقات در این زمینه بر روی تکنولوژی هایی متمرکز می شوند که حجم انتقال داده ها توسط فیبرهای نوری را بدون نیاز به افزایش قیمت، گسترش می دهند. در این بین منابع نوری ارزان قیمت بسیار موررد توجه هستند. در سالهای اخیر نسل جدیدی از لیزرهای نیمه رسانا با عنوان لیزرهای کاواک قائم گسیل سطحی با مشخصه های منحصر به فردی نظیر توان مصرفی کم، جریان آستانه پایین، سرعت مدولاسیون بالا، امکان ساخت و بسته بندی در آرایه های دو بعدی، حجم کوچک، عملکرد به صورت تک مد و از همه مهم تر خروجی دایروی شکل جهت جفت شدگی به فیبرهای نوری بعنوان منابع نوری استاندارد بسیار مورد توجه قرار دارند [3]. ساخت این نوع از لیزرها در قیاس با سایر منابع نوری از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است، به نحوی که امروزه لیزرهای کاواک قائم گسیل سطحی به کاندید اول در ارتباطات فیبر نوری در سراسر دنیا تبدیل شده اند. ایده ابتدایی ساخت این ادوات در سال 1977 میلادی مطرح شد، اما به دلیل مشکلات ناشی از تکنولوژیهای ساخت، آنها از اواخر دهه 90 میلادی وارد بازارهای جهانی شدند. لیزرهای گسیل سطحی کاواک قائم که در محدوده طول موج 1360-1260 نانومتر فعالیت می کنند با به کارگیری مزیتهایی نظیر اتلاف و پراکندگی ذاتی کم در درون فیبرهای نوری مورد استفاده در این محدوده طول موجی، به عنوان منابع نوری استاندارد در کانالهای اینترنتی و فیبری، ارتباطات نوری موازی، درون اتصالات و شبکه های محوطه ای محلی و شهری بسیار مورد توجه قرار دارند. با گسترش روز افزون شبکه هایpon ،fttp و اینترنت 10 گیگا بیت، استفاده از لیزرهای گسیل سطحی کاواک قائم با طول موج خروجی 1300 نانومتر به طور چشمگیری افزایش یافته است. علی رغم تمام پیشرفتهایی که در زمینه ساخت این قطعات صورت گرفته است، تنها آن دسته از از تکنولوژیهای ساختی که قادر به تولید لیزرهای گسیل سطحی کاواک قائم با یک تکنیک رشد برآراستی هستند، در صنعت مورد توجه قرار دارند. در سالهای اخیر به کارگیری ترکیبات سه تایی و چهارتایی شامل آنتیموان به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آنها در ساختار این قطعات گسترش چشمگیری داشته است. استفاده از شبیه سازی کامپیوتری برای ساخت ادوات اپتوالکترونی از سال 1970 میلادی در صنعت آغاز شد. زمانیکه نخستین شبیه ساز قطعات سیلیکونی وارد بازارهای جهانی شدند، از آن زمان تا کنون شبیه سازی به جزء مهم برای ساخت و بهینه سازی ادوات اپتوالکترونیکی تبدیل شده است. با استفاده از شبیه سازی قادر خواهیم بود که عملکرد یک قطعه را قبل ساخت پیش بینی کنیم. از اینرو به روشهای آزمون و خطای مرسوم آزمایشگاهی برای ساخت نیاز نخواهد بود.که این منجر به کاهش قیمت و صرفه جویی در زمان ساخت خواهد شد. هر دو عامل ذکر شده، از پارامترهای بسیر مهم جهت ماندگاری ادوات اپتوالکترونیکی در بازارهای جهانی هستند [4]. در این پایان نامه رفتار لیزر گسیل سطحی کاواک قائم گسیل سطحی با آیینه های براگ شامل ترکیبات آنتیموان با طول موج خروجی 1305 نانومتر با استفاده از شبیه ساز سه بعدی pics3d مطالعه، عیب یابی و بهینه سازی شده است. براساس آنالیزهای تفاضل محدود سه بعدی، این نرم افزار معادلات موج نوری، ترابرد حاملها و شارش گرمایی را به صورت همزمان حل می کند تا یک توصیف صحیح از مشخصه های قطعه ایجاد کند. زمانیکه پارامترهای مادی و کالیبراسیون آنها در این نرم افزار صورت گیرد، می توان از آن به عنوان یک ابزار کامپیوتری برای بهینه سازی ساختارهای موجود یا ایجاد طرح های جدید استفاده نمود. اساس و ساختار، انواع، کاربردها و معادلات آهنگ حاکم بر رفتار لیزرهای نیمه رسانا در فصل دوم معرفی شده است. لیزرهای گسیل سطحی کاواک قائم، کاربردهایشان، مشکلات مطرح در زمینه ساخت لیزرهای گسیل سطحی کاواک قائم طول موج بلند و پیشرفت هایی که در این زمینه صورت گرفته است و تاریخچه قطعه شبیه سازی شده در این پایان نامه در فصل سوم مورد بحث قرار گرفته اند. روابط مورد استفاده در نرم افزار به کار برده شده در این پایان نامه در فصل چهارم مطرح شده اند. نتایج شبیه سازی و بهینه سازی در فصل پنجم ارائه شده اند.