در این پایان نامه ما تصمیم داریم با استفاده از الکترونیک نوری سنسورگازی طراحی کنیم که بتواند گاز موجود در یک محیط را شناسایی کند. برای این کار از شبکه بلورفوتونی استفاده می کنیم. اساس کار بلورهای فوتونی بر مبنای انعکاس و انتقال نور می باشد. یکی از پارمترهای موثر بر انعکاس و انتقال نور در بلورهای فوتونی ضریب شکست می باشد. از طرفی دیگر، گازها دارای ضریب شکست های متفاوتی می باشند. پس می توان از بلورهای فوتونی برای طراحی سنسورگازی بهره گرفت. امروزه بیشتر شبکه های بلورفوتونی از جنس سیلکون می باشند. چون استفاده از سیلیکون دارای این عیب می باشد که نمی توان فرستنده و گیرنده را با آنها مجتمع سازی کرد. لذا برای حرکت به سوی آزمایشگاه های در جیب و فشرده سازی، نیازمند تغییر جنس این سنسورها از سیلیکون به inp هستیم. زیرا فرستنده و گیرنده را می توان با مواد inp ساخت. در این پایان نامه تلاش شده است که چندین سنسورگازی جدید طراحی نماییم و برای شبیه سازی از نرم افزار rsoft استفاده کرده ایم. این شبیه سازی ها را به صورت دو و سه بعدی تحلیل نموده ایم. تغییرات فشار و دما نیز بر ضریب شکست مواد تاثیر می گذارد. با توجه به نکته گفته شده درمی یابیم که از بلورهای فوتونی می توانیم برای اندازه گیری فشار و دمای یک ماده استفاده کنیم. همچنین علاوه بر طراحی سنسورگازی، سنسورهایی هم برای اندازه گیری فشار و دمای نیز طراحی نموده ایم.

در این پایان نامه با استفاده از بلورهای فوتونی به طراحی و شبیه سازی یک بیوسنسور نوری پرداخته¬ایم، که این بیوسنسور به سبب استفاده از ساختار سه لایه inp/ ingaasp/inp قابلیت مجتمع سازی با منبع نور و آشکار ساز در یک تراشه را دارا می¬باشد. این شبکه بر اساس ساختار حفره¬ای مثلثی بوده و در طول موج ?m55/1 طراحی شده است. در این پایان نامه، سعی در طراحی بیوسنسور بلور فوتونی براساس تداخل سنج ماخ زندر داریم. به همین منظور در فصول اولیه به معرفی بلورهای فوتونی و عوامل موثر در آنها پرداخته و سپس مروری اجمالی بر اساس کار در این بیوسنسورها صورت گرفته است. برای طراحی ابتدا یک ساختار ساده با دو میکرو حفره بررسی شده و به حساسیتی درحدود 10nm/riu ¬(با پر شدن تنها دو میکروحفره) رسیده¬ایم. در ادامه یک طرح ساده براساس ماخ زندر را در نظر گرفتیم که به سبب افت بسیار شدید در بازده انتقال، به هنگام ورود آنالیت، برای تشخیص آنالیت مناسب نبود، اما در پایان برای رسیدن به بیوسنسور بلور فوتونیmzi_ با بازده انتقال مناسب وحساسیت بالا، دو اتصال y در ورودی و خروجی سنسور به کمک تغییرات اعمالی، بهینه شده و نیز تلفات انتقال در خم¬های ورودی و خروجی از بازوها را با تغییر مکانی در چهار حفره کاهش داده¬ایم.بدین ترتیب، بیوسنسوری با بازده انتقال 91% و حساسیت 40nm/riu برای آشکارسازی آنالیت با ضریب شکست 57/1 (پروتئین) طراحی شده است.

در این پایان نامه در ابتدا ساختار لایه و ناخالصی یک لیزر مبتنی بر مواد inp/ingaasp و ساختار بالک را بررسی و تحلیل نموده ایم. در این ساختار لایه ingaasp به عنوان لایه فعال و لایه های inp با ناخالصی تدریجی به عنوان لایه های تحدید استفاده شدند. این لیزر درطول موج µm 55/1 تشعشع خواهد داشت. سپس بجای لایه فعال ingaasp از سه جفت لایه inp/ingaas چاه کوانتومی استفاده گردید. ساختار جدید نشان می دهد که مشخصه های توان – جریان، توان – طول موج، جریان – ولتاژ بهبود خواهند یافت. ضمناً تاثیر پنجره نوری و دما بر روی مشخصه های لیزر بررسی گردیدند و نشان داده ایم که برای عرض دهانه µm 2 دمای 300 درجه کلوین چگالی طیفی توان در طول موج mµ55/1 به حدود w/cm ev 045/0 رسیده است که نسبت به ساختار بالک 68/6 برابر شده است. همچنین منحنی ولتاژ جریان نشان میدهد که در ولتاژ v3 جریان در ساختار جدید a 005/0 می باشد که نسبت به ساختار قبل5/2 برابر گردیده است. همچنین بررسی منحنی توان تشعشی نشان می دهد که در ولتاژ v3 و دمای 300 درجه کلوین وعرض دهانه توان نوری حدود w/cm003/0 می باشد که تقریباً 3 برابر ساختار قبل است.

در سیستم های فیبر نوری با نرخ تبادل داده بالا، کنترل پلاریزاسیون از اهمیت بالایی برخوردار است. با توجه به وجود نقص در فیبرهای نوری و موجبرها، نور با پلاریزاسیون مختلف با سرعت گروه های مختلف در موجبر منتشر می شود. برخی از دستگاه های بر روی یک تراشه فوتونی می تواند حساس به حالت پلاریزاسیون باشد. بنابراین یک راه ساده برای کنترل پلاریزاسیون استفاده از یک مبدل پلاریزاسیون می باشد. ابزارهای کنترل پلاریزاسیون مبدل ها و جدا کننده ها می باشند که می-توان آنها را به صورت ادوات فعال و ادوات غیر فعال طراحی و پیاده سازی کرد. تا کنون، انواع مختلفی از مبدلهای پلاریزاسیون با مواد linbo3، inp، سیلیکون بر روی عایق (soi)، و فن آوری لایه نشانی inp بر روی سیلیکون(imos) گزارش شده است. مبدل های پلاریزاسیون غیرفعال به صورت پیکربندی نامتقارن دوره ای، موجبر زاویه دار، موجبر خم، موجبر مستقیم با شیار h، و موجبر شیار دار گزارش شده اند اما طول کلی آنها بسیار بزرگ است (به عنوان مثال در حد چند صد مایکرومتر). کوچکترین مبدل پلاریزاسیون مبتنی بر تکنولوژی soi با طول بسیار کوتاه 2µm و ساختار هندسی مثلثی گزارش شده است. با افزایش اختلاف ضریب شکست لایه های هسته و پوشش می توان طول مبدل را کاهش داد در این پایان نامه چند نوع مبدل پلاریزاسیون جدید مبتنی بر ساختار اریب ارائه گردیده اند. این ساختارها با استفاده از روش المان محدود (fem) و روش انتشار پرتو (bpm) به صورت دو و سه بعدی تحلیل شده اند. در این ساختار مواد لایه هسته و پوشش به ترتیب ingaasp (یا si) و sio2 می باشند. مواد inp در صفحه <001> دارای زاویه خوردگی 35 درجه و برای صفحه نوع <111> دارای زاویه خوردگی 54.26 درجه و برای ماده si به ترتیب دارای زاویه خوردگی 34.6 و 52 دزجه می باشد. نتایج شبیه سازی برای شبیه سازیهای دو و سه بعدی نشان می دهد که طول مبدل پلاریزاسیون در طول موج 1.55um به کمتر از 1um با بازدهی بالای 95% می رسد که در نوع خود بهترین گزارش تاکنون می باشد.

طر احی led مبتنی بر ساختار مواد gan پرداخته شده است که در ابتدا به ساختار کلی led و فرایندهای ساخت آن ذکر شده است. از جمله فرایندهای که در ساخت ادوات نیمه هادی انجام می گیرد شامل اکسیداسیون , افزودن ناخالصی (که هم به صورت نفوذ و کاشت یونی می توان انجام گیرد) لایه نشانی , رونشینی فاز بخار (که به صورت گسترده ای در ساخت led به کار می روند دارای اهمیت است.) رسوب خلاء , عمل کند وپاش , فتولیتوگرافی (فتورزیست مثبت و منفی که در فتورزیست مثبت مناطقی که نور ماورای بنفش تابیده شده باشد در حلال برداشته می شود و فقط نواحی که نور ندیده است باقی می ماند ) و انجام آنالینگ حرارتی می باشد.برای led لایه های مشخص شده که هر لایه پارامترهای اعم از ناخالصی و نوع شکاف باند . ثابت شبکه و ضریب شکست خاص برای هر دوایس تعیین می شود. نوع ترکیب های led برای ترویج نوری ,کارایی کوانتومی داخلی و خارجی led و مشخصات مختص led آورده شده است.در ساختار led زمانی نور ساطع می شود که الکترون ها وحفره ها که به عنوان حامل های اکثریت شارش می کنند. به طرف دیگر پیوندگاه تزریق و در پیوندگاه یا نزدیک به آن بازترکیب می شوند. این سبب وقوع باز ترکیب تابشی می شود. قطعه led ساختارهای مختلفی دارد با این حال متداول ترین ساختار یک led کوچک شامل قالب بندی به اضافه تراشه نیمه رسانا می باشد. از انجا که نور از کناره ها و نیز جلوی تراشه گسیل میشود از یک کاسه بازتابنده استفاده می شود تا نور به طور مستقیم و از میان یک عدسی پلیمری اپوکسی قالب گیری شده انتشار یابد دستیابی به ماده gan با عملکرد بالا موضوع بررسی های زیادی بوده است.بهینه سازی ledهای سفید گسیل حوزهای است که در آن تلاش مداومی در حال صورت گرفتن است. تعدادزیادی از مواد فسفری وجود دارد که دارای طیفهای گسیل خاص هستند. همچنین میتوان از دو تراشه led یا بیشتر که در طول موج متمایز یا بیشتر گسیل می کنند برای ایجاد طیف سفید استفاده کرد. اشتیاق به گسیل سفید ledها سبب توسع ledهایی شده است که نور آبی را به نور سفید تبدیل می کنند. از آن جا که ledهای ingan آبی گسیل بسیار پر بازده هستند.چندین بررسی درled هاو لیزرهابراساسingan وجود دارد. بررسی های گروه متعدد در دانشگاه ها وصنعت امکان ساخته شدن دیوایس led ازingan فراهم اورد. led های آبی از ساختاری دو گانهganp- gan /n-ingan/n تشکیل شده است. روشنایی بالا ingan led های آبی،سبز و زرد با ساختار چاه کوانتومی بر اساس نیتریدها iii-v بر روی بسترهای یاقوت کبود رشد داده شدند. در کسر مولی رنج 0.2-0.7 قابل تغییر در اوج طول موج ingansqwled ها از آبی به زرد شده بود. روشنایی فوق العاده بالاسبز ingan ساختارتک کوانتومی ، p-algan / ingan / n-gan، همراه با چگالی لومینس 12 کاندلا ساخته شده که در آن in gan لایه فعال دوپ نشده بود.روشنایی بالا inganled های آبی،سبز و زرد با ساختار چاه کوانتومی بر اساس نیتریدها iii-v بر روی بسترهای یاقوت کبود رشد داده شدند. led های سفید را می تواند ساخته با مواد درخشانهای خارجی به کار رفته ledهای آبی باانرژی تحریک بالا شوند. فسفرهای (ماده درخشان) تحریک شده توسط این نور ولومینسانس زردساطع می کند.مخلوطی از نور آبی ازingan و نور زرد از فسفرنور سفید می دهد. به مشخصاتی که در ساختار led مبتنی بر ingan/in در اینجا می توا ن اشاره کرد منحنی ولتاژ –جریان , چگالی توان طیفی شدت توان نوری براساس تغییرات آند که باعث بهبود یافتن آن شده است و همچنین به منحنی غلظت الکترون و حفره بر مبنا غمق نیمه رسانا به نحوه باز ترکیب الکترون ها و حفره ها درون چاه های کوانتومی که قابل دسترس است.

در دنیای امروز گسترش دستگاه های ارتباط جمعی و نیاز روز افزون جامعه ی بشری به برقراری ارتباطی متنوع، سریع و کم هزینه، از یکسو و سرعت و پهنای باند گسترده ی ادوات نوری از سویی دیگر، سبب توسعه ی سیستم های مخابرات نوری شده است. لذا طراحی، شبیه سازی و ساخت ادوات نوری بیش از پیش مورد توجه محققان در این عرصه قرار گرفته است. مدولاتورهای نوری هم به عنوان جز لاینفک سیستم های مخابرات نوری وظیفه مدوله سازی سیگنال پیام بر روی سیگنال نوری را بر عهده دارد. تا کنون انواع مختلفی از مدولاتورهای نوری طراحی و ساخته شده اند. مدولاتورهای میکروحلقه که از موادی نظیر سیلیکون، پلیمر و مواد iii-v ساخته می شوند دارای ولتاژ کلیدزنی پایین ابعاد میکرومتری و نسب جدایی (er ) بالا می باشند، اما پهنای باند زیادی را برای ما تامین نمی کنند، ولی در عوض مدولاتورهای مبتنی بر تداخل سنج ماخ-زندر (mzi ) که از موادی نظیر سیلیکون، پلیمر، لیتیوم نایوبیت، گالیم آرسناید و اینیدیم فسفاید ساخته می شوند، پهنای باند وسیع و تلفات اندکی دارند ولی ولتاژ کلیدزنی بالا و ابعاد میلیمتری آنها، استفاده از این نوع مدولاتورها را در مدارات مجتمع نوری با محدودیت مواجه کرده است. در این پایان نامه سه نوع مدولاتور الکترواپتیکی مبتنی بر mzi، مشدد حلقوی و بلور فوتونی بر روی زیر لایه ی inp طراحی و شبیه سازی شده است. در این روش با توجه به محدودیت های سخت افزاری که در تحلیل سه بعدی مدولاتور وجود دارد سعی شده ابتدا در سطح مقطع عرضی با حل معادلات پواسن و پیوستگی، تغییرات غلظت حامل ها و میدان الکتریکی استخراج گردد و ضریب شکست موثر محاسبه شود. سپس تغییرات ضریب شکست موثر به سطح مقطع طولی برای حل معادلات ماکسول و محاسبه ی پارامترهایی نظیر انتشار نور، انتقال و پهنای باند مورد استفاده واقع شود. مدولاتور mzi طراحی شده دارای طولی معادل با 2 mm و ولتاژ کلیدزنی-4.5 v می باشد. در ساختار ارائه شده برای مدولاتور مبتنی بر مشدد حلقوی که دارای ابعادی در حدود 20*17 um2 می باشد با ولتاژی معادل با -7 v به نسبت تفکیک 50 db و پهنای باندی برابر با 115 ghz در پنجره ی 1.55 um می توان دست یافت. نتایج شبیه سازی مدولاتور مشدد حلقوی مبتنی بر بلور فوتونی حاکی از آن است که مدولاتور مذکور با ابعادی معادل با 10.25*10 um^2 و ولتاژ -7 v توانسته نسبت تفکیک 48 db و پهنای باندی بیش از 1 thz را ارائه دهد.