بلورهای فوتونی ساختارهای دی الکتریک متناوبی هستند که بصورت مصنوعی ساخته شده و قادر به کنترل کامل انتشار نور می باشند. در واقع هدف اصلی در مطالعه بلورهای فوتونی بررسی انتشار امواج الکترومغناطیسی در این بلورها می باشد. بلورهای فوتونی دارای ساختار باندهایی می باشند که از مشخصه های بلور بوده و شامل نوارهای فرکانسی مجاز و ممنوعه است. چنانچه تناوب ضریب دی الکتریک در دو جهت باشد بلور فوتونی دو بعدی است، که از یک سری میله های دی الکتریک که در یک زمینه ی دی الکتریک همگن با ضریب دی الکتریک متفاوت قرار داده شده اند تشکیل شده است. ساختار باند بلورهای فوتونی دو بعدی بسته به نوع تابش امواج الکترومغناطیسی به دو دسته کلی تقسیم می شوند: 1-ساختار باند بلورهای فوتونی که تنها در صفحه تناوب دارای مولفه بردار موج می باشند را ساختار باند داخل صفحه تناوب بلور فوتونی می نامند. 2-ساختار باند بلورهای فوتونی که بردار موج خارج از صفحه تناوب بلور واقع شده و مولفه بردار موج عمود بر صفحه تناوب بلور مخالف صفر می باشد را ساختار باند خارج از صفحه تناوب بلور فوتونی می نامند. بدین ترتیب در این پایان نامه به لحاظ مکانیزم و اهمیت فیبرهای بلور فوتونی، ساختار باند خارج از صفحه تناوب بلورهای فوتونی دو بعدی با استفاده از روش بسط موج تخت، مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش اول محاسبات، ساختار باند خارج از صفحه تناوب بلور فوتونی دو بعدی متشکل از حفره های استوانه ای هوا در زمینه ی سیلیکا محاسبه می گردد و همچنین تغییرات پهنای گاف ممنوعه بر حسب بردار موج عمود بر صفحه تناوب بلور در نموداری رسم شده، که این نوع نمایش به ساختار نوار تصویر شده معروف می باشد. نتایج عددی نشان می دهد برای انتشار امواج در صفحه تناوب نوار ممنوعه فرکانسی کاملی وجود ندارد، در حالیکه در تابش خارج از صفحه تناوب بشرط آنکه مولفه ی عمود بر صفحه تناوب بردار موج به اندازه کافی بزرگ باشد، نوار ممنوعه فرکانسی کامل ایجاد می شود. در بخش دوم محاسبات نیز به لحاظ اهمیت تنظیم پذیری گاف بلورهای فوتونی، ساختار باند خارج از صفحه تناوب بلور فوتونی دو بعدی متشکل از استوانه های بلور مایع در زمینه ی سیلیکا محاسبه شده است و همچنین ساختار نوار تصویر شده نیز گزارش شده است. محاسبات نشان می دهد وجود و موقعیت گاف فوتونی بشدت به زاویه قطبی دایرکتورهای بلور مایع وابسته است و با تغییر در زاویه سمتی دایرکتورهاپهنای گاف تغییرات کوچکی دارد. استفاده از بلور مایع باعث می شود خط نوری بلور فوتونی دو بعدی به فرکانس های پایین تر سوق پیدا کند و همین عامل باعث تغییر مکانیزم انتقال نور در فیبرهای بلور فوتونی مرکز پر از بازتابش کلی به باند گافی می شود و همچنین امکان تنظیم پذیری را در این نوع فیبرها فراهم می گردد.

ساختارهای چاه کوانتومی موا د نیتریدی به خاطر ساختارهای منحصربفرد این مواد یکی از بهترین کاندیداها برای کاربرد ادوات اپتوالکترونیکی از جمله led ها و ld ها جهت کار در طول موجهای µm 350-200 می باشد. اما اثرات قوی قطبش پیزوالکتریکی و خودبخودی این مواد و اثرات محدودشدگی اشتارک تاثیرات زیادی بر روی پارامترهای نوری این ادوات دارند. در این پایاننامه ضمن مدلسازی ناحیه فعال یک لیزر چاه کوانتومی مواد نیتریدی، اثرات تمامی پارامترهای فیزیکی ادوات از جمله عرض چاه ، سد ، عمق چاه ، اثرات قطبش و ... بر روی بهره ی نوری محاسبه و بهینه بدست خواهد آمد.

بلورهای فوتونی، مواد دی الکتریک مصنوعی با تغییرات متناوب در ضریب شکست شان می باشند. انتشار امواج الکترومغناطیسی در این ساختارها، مشخصه های بسیار جالب و عجیبی را از خود نشان می دهد. حالت های کشید? منتشرشونده در کل بلور فوتونی، نوارهای توده ای را تشکیل می دهند، که توسط گاف ها از همدیگر جدا شده اند. وقتی که یک بلور فوتونی بی نهایت ایده آل قطع می گردد، امواج سطحی جایگزیده می تواند در سطح قطع شد? بلور فوتونی نیمه بی نهایت ظاهر گردد. این مدها، میدان های الکترومغناطیسی می باشند که، بردار موج شان مختلط هستند و منجر به این می شود که موج، در جهات عمود بر صفح? جداکنند? محیط همگن و بلور فوتونی و بسمت دورشدن از این صفحه بصورت نمایی میرا گردد. حالت های سطحی ایجاد شده در بلورهای فوتونی، می توانند جایگزینی بر کاربردهای پلاسمون های سطحی، نظیر اپتیک غیرخطی، مدولاتورهای اپتیکی، و حساسگرها، باشند. حالت های سطحی بلورهای فوتونی یک سری مزیت ها دارند. اولا"، این حالت ها، می توانند در هر محدود? فرکانسی نوری که در مدنظر باشد، ایجاد گردند که این مشخصه را از خاصیت مقیاس بندی بلور فوتونی به ارث می برد. دوما"، اتلاف پایین در این ساختارها می تواند منجر به تزویج تشدیدی تیز، مابین نور فرودی و حالت های سطحی، شود. به دلیل کاربردهای فراوان حالت های سطحی، بدست آوردن تنظیم پذیری حالت های سطحی دارای مزایای فراوانی می باشد. در اکثر بلورهای فوتونی، ثابت دی الکتریک اجزای سازنده آن مستقل از تاثیر عوامل خارجی حاکم بر بلور همچون دما، میدان مغناطیسی و یا میدان الکتریکی می باشد و زمانی که یک بلور فوتونی ساخته شد، موقعیت مد های سطحی ایجاد شده آن ثابت بوده و هیچ تغییری در موقعیت مدهای سطحی، تحت تاثیر عوامل نامبرده ایجاد نمی شود. برای دستیابی به تنظیم پذیری در بلورهای فوتونی، نیاز است که حداقل ثابت دی الکتریک یکی از اجزای تشکیل دهنده بلور فوتونی به عوامل خارجی مانند، دما، میدان الکتریکی و یا میدان مغناطیسی وابسته باشد. بلورهای مایع از جمله موادی هستند که ثابت دی الکتریک آنها به وسیله اعمال میدان الکتریکی خارجی تغییر می کند، در نتیجه با استفاده از بلورهای مایع در ساخت بلور فوتونی، به تنظیم پذیری در بلورهای فوتونی دست پیدا می کنیم. در این پایان نامه به منظور تنظیم مدهای سطحی از یک لایه پوششی از جنس بلور مایع استفاده شده است. بلور مایع از بردارهای راهنمایی تشکیل شده است که چگونگی جهت گیری این بردارهای راهنما تحت اعمال میدان های الکتریکی خارجی بر روی لایه بلور مایع، نقش خیلی مهمی در تنظیم موقعیت مدهای سطحی بازی می کنند. پروفایل توزیع جهت گیری بردارهای راهنمای بلور مایع بر حسب مکان به إزای ولتاژهای اعمالی خارجی بر روی بلور مایع، با کمینه کردن انرژی آزاد کل که به معادلات اویلر-لاگرانژ تبدیل می شود، محاسبه شده است. معادلات اویلر-لاگرانژ از روش محاسباتی تفاضل محدود تکراری محاسبه شده است. همچنین معادلات روش بسط موج تخت، به حالتی که سیستم بلور فوتونی شامل مواد ناهمسانگردی چون بلور مایع باشد، تعمیم داده شده است. نتایج محاسبات نشان می دهد که با افزایش میدان الکتریکی اعمالی برروی لایه بلور مایع، موقعیت مدهای سطحی به شکل قابل توجهی به سمت پایین جابجا می شوند. گستره این تنظیم پذیری به نوع بلور مایع مورد استفاده بستگی دارد. در این پژوهش با انتخاب بلور مایع های با ناهمسانگردی بالا، بیشترین تنظیم پذیری را در موقعیت مدهای سطحی بدست آوردیم

بلورهای فوتونی ساختارهای متناوبی هستند که به منظور کنترل انتشار نور به طور مصنوعی طراحی شده اند. بسته به نوع مواد تشکیل دهنده بلورهای فوتونی به دو دسته تقسیم می شوند: (1) بلورهای فوتونی دی الکتریک (2) بلورهای فوتونی پاشنده مانند بلورهای فوتونی فلزی، نیمه هادی و مغناطیسی. در یک بلور فوتونی اندرکنش نور با ضریب شکست متناوب بلور باعث ایجاد نواحی مجاز و ممنوعه فرکانسی (گاف باند فوتونی) در گستره طول موجهای نوری می شود. این نواحی مجاز و غیر مجاز فرکانسی از طریق ساختار باند نشان داده می شود که ساختار باند خود به هندسه و ترکیب بلور فوتونی مانند اندازه بلور و نیز ضخامت و ضریب شکست عناصر تشکیل دهنده بلور وابسته می باشد. هدف اصلی ما در این پایاننامه مطالعه خواص بلورهای فوتونی پاشنده دو بعدی می باشد. به منظور شناخت خواص بلورهای فوتونی و بکار بردن آنها ضروری است تا ساختار باند بلورهای فوتونی را بشناسیم. برای مثال می توان با ایجاد نقص های نقطه ای یا خطی در شبکه بلورهای فوتونی، باندهای مجاز را در میان گافهای باند فوتونی ایجاد کرد که از آن برای ساخت تشدید کننده های نوری و موجبرهای بلور فوتونی استفاده می شود. از ویژگیهای مهم بلورهای فوتونی پاشنده می توان به در صد جذب بسیار بالا در آنها اشاره کرد. از این خاصیت می توان در پدیده فوتوولتائیک، تابش گرمایی و آشکار سازهای نوری استفاده کرد. بلورهای فوتونی پاشنده کاربردهای مختلف دیگری نیز از قبیل استفاده به عنوان فیلتر و قطبشگر دارند. ساختارهای باند بلورهای فوتونی با ضریب شکست مستقل از فرکانس به طور گسترده برای ساختارهای مختلف با هندسه های گوناگون میله ها مطالعه شده اند. روشهای مختلفی برای محاسبه ساختار باند فوتونی بلورهای فوتونی دی الکتریک دو و سه بعدی به کار برده شده است که می توان به روش موج تخت، روش ماتریس انتقال و روش تفاضل های محدود در حوزه زمان اشاره کرد. روش موج تخت برای محاسبه ساختار باند فوتونی بلورهای فوتونی بسیار مفید و موثر است. در این روش فرض می شود ثابت دی الکتریک ماده مستقل از فرکانس بوده و ویژه فرکانسها توسط یک مسئله ویژه مقداری به ازای بردارهای موج معین در منطقه بریلوئن غیر قابل تقلیل بدست آورده می شوند. برای مواد پاشنده ماتریس مشخصه وابسته به فرکانس بوده و در نتیجه روش موج تخت با مشکلاتی روبرو می شود. چندین روش نظری برای مطالعه ساختارهای باند فوتونی بلورهای فوتونی پاشنده با ثابتهای گذردهی الکتریکی و نفوذ پذیری مغناطیسی وابسته به فرکانس پیشنهاد شده است که می توان روش بسط مدهای هدایت شده تغییر یافته، روش کورینگا-کوهن-روستوکر، روش پراکندگی چندگانه و روش چند قطبی چندگانه را نام برد. اخیراً شکل تغییر یافته روش موج تخت پیشنهاد شده است که قادر است ساختار باند مواد پاشنده دلخواه را محاسبه کند. مشکل عمده این روش، محاسبه ساختار باند در مسیرهایی از منطقه بریلوئن است که باید هر دو مولفه بردار موج بدست آورده شود. در این پایاننامه ما یک راه حل مناسب را برای رفع این مشکل معرفی کرده ایم که نتیجه آن کاهش قابل ملاحظه زمان محاسبات می باشد. مزیتهای عمده این روش در مقایسه با روش موج تخت مرسوم عبارتند از: (1) در این روش می توان از مواد پاشنده دلخواه با هر نوع مدل برای تابع دی الکتریک وابسته به فرکانس استفاده کرد. (2) این روش می تواند برای محاسبه ساختار باند مختلط بلورهای فوتونی محدود و نیمه محدود دو و سه بعدی بکار برده شود. ما از این روش برای محاسبه ساختار باند بلورهای فوتونی پاشنده برای مد tm (میدان الکتریکی موازی با محور میله ها) استفاده کرده ایم زیرا این روش برای مد te (میدان مغناطیسی موازی با محور میله ها) همگرا نمی شود. اخیراً روش نگاشت دیریکله-نویمن پیشنهاد شده است که ابزار قدرتمندی برای محاسبه ساختار باند بلورهای فوتونی پاشنده در هر دو حالت مدهای tm و te می باشد. نگاشت دیریکله-نویمن عملگری است که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را در روی مرزهای سلول واحد به مشتقات قائم آنها تصویر می کند. مزیتهای عمده این روش عبارتند از: (1) مسئله ویژه مقداری شامل ماتریسهایی با اندازه نسبتاً کوچک می باشد. (2) بر خلاف روشهای دیگر که بر پایه بسطهای موج استوانه ای می باشند مانند روش کورینگا-کوهن-روستوکر تکنیک پیچیده جمع شبکه لازم نیست. در این پایاننامه، ما با استفاده از روش موج تخت تغییر یافته ساختار باند بلورهای فوتونی پاشنده فلزی، فلز-دی الکتریک و نیمه هادی را در حالت قطبش e (مد tm) و با استفاده از روش نگاشت دیریکله-نویمن ساختار باند بلورهای فوتونی پاشنده فلزی را در حالت قطبش h (مد te) و بلورهای فوتونی مغناطیسی را در حالت قطبش e مطالعه کرده ایم. شبکه های مختلفی با شکل، اندازه و جهتگیریهای مختلف برای میله ها در نظر گرفته شده و اثر تغییر ثابت دی الکتریک ماده زمینه بر روی ساختارهای باند فوتونی بررسی شده است. همچنین خواص باندهای تخت در بلورهای فوتونی فلزی و مغناطیسی نیز مطالعه شده است. نتایج عمده بدست آمده را می توان به این صورت خلاصه کرد که در بلورهای فوتونی فلزی بیشترین مقدار پارامتر نسبت پهنا به مرکز گاف ( ) مربوط به گاف باند فوتونی tm در ساختار شش گوش از میله های فلزی شش گوش که در زمینه هوا قرار گرفته اند، بدست می آید. به علاوه دوران مراکز پراکندگی غیر دایروی به طور قابل ملاحظه ای باعث افزایش اندازه نسبی گاف باند فوتونی در شبکه مربعی از میله های فلزی مربعی و شبکه مثلثی از میله های فلزی بیضوی می شود. همچنین یک توافق خوب بین قله های تشدید پلاسمونهای سطحی مربوط به مدل میله فلزی واحد و باندهای تخت محاسبه شده از ساختار باند بلور فوتونی فلزی در حالت قطبش h وجود دارد. همچنین توزیع میدان این مدها در سطح مشترک بین میله های فلزی و هوا به شدت جایگزیده می باشد. در بلورهای فوتونی فلز-دی الکتریک با افزایش ثابت دی الکتریک ماده زمینه و نیز اندازه میله ها می توان هم تعداد گافهای باند را افزایش داده و هم پهنای آنها را بیشتر کرد. در بلورهای فوتونی نیمه هادی بر خلاف بلورهای فوتونی فلزی برای قطبش e گاف ممنوعه بزرگ که در زیر اولین باند مجاز قرار می گیرد، وجود ندارد. همچنین در بلورهای فوتونی نیمه هادی یک گاف ممنوعه موسوم به گاف پلاریتونی و باندهای مجاز در اطراف آن ایجاد می شود که در بلورهای فوتونی فلزی دیده نمی شود. ساختار باند فوتونی بلورهای فوتونی مغناطیسی که تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی خارجی استاتیک قرار دارند، دارای دو گروه از باندهای تخت برای قطبش e می باشد. توزیع میدان مدهای مربوط به گروه اول در سطح مشترک میله های فریت و زمینه هوا بسیار جایگزیده بوده و گروه دوم از باندهای تخت دارای مشخصه مدهای کاواک تشدید مربوط به موجبر فلزی دایروی پر شده از ماده فریت می باشند.

پس از انقلابی که نیمرساناها در تکنولوژی ایجاد کردند و موجب گذر بشر از عصر مکانیکی به عصر الکتریکی شدند بلورهای فوتونی دومین انقلاب دنیای تکنولوژی به حساب می آیند. انقلابی که تمام هدفش به اسارت درآوردن ذراتی بنام فوتون است. انتظار می رود در آینده ای نه چندان دور بلورهای فوتونی جایگزین قطعات الکتریکی شده و شاهد تحولی شگرف در صنعت فناوری اطلاعات و مخابرات باشیم. بیشتر کاربردهای بلور فوتونی با ایجاد نقص نقطه ای در ساختار متناوب آن همراه است. نقص های نقطه ای باعث ایجاد یک سری فرکانس های مجاز در محدوده ی گاف فرکانسی بلور می شوند که نور تابشی به بلور به ازای این فرکانس ها در حجم کوچکی از فضای اطراف نقص محبوس می شود. آنچه که در این پایان نامه بررسی شده است مطالعه ی نقص در بلورهای فوتونی دو بعدی پاشنده می باشد. در ساختمان این نوع بلورها از موادی استفاده شده است که ضریب شکستی با تابعیت فرکانسی دارند. با توجه به تابعیت فرکانسی ضریب شکست مواد موجود در بلور، نمی توان از هر روشی برای بررسی نقص در آن ها استفاده کرد. لذا انتخاب روشی مناسب که با کمترین هزینه ی محاسباتی و زمانی نتایج مورد نیاز را در اختیار بگزارد، از اهمیت خاصی برخوردار است. روشی که در این طرح بکارگرفته شده است روش ماتریس پراکندگی است که اطلاعات مورد نیاز را با بررسی میدان پراکنده شده از بلور مشخص می کند. روند کلی این روش بر پایه ی حل معادله ی هلمهولتز برای کل فضای بلور می باشد. با شروع از این معادله، ابتدا میدان پراکنده شده از یک میله ی بلور دو بعدی مشخص می شود و پس از آن اندرکنش میدان پراکنده شده از تمام میله های بلور بررسی می شود. این محاسبات در نهایت به یک معادله ی ماتریسی برای کل شبکه ختم می شوند که ماتریس مربعی موجود در آن معرف ماتریس پراکندگی بلور مورد نظر است. پس از حل معادله ی مذکور ضرایب میدان پراکنده شده از میله ها مشخص می شود و نمودار سطح مقطع پراکندگی بلور که ضرایب بدست آمده از معادله ی ماتریسی نقش اساسی در آن دارند، رسم می شود. با مقایسه ی این نمودار در دو حالت نقص دار و بدون نقص، فرکانس های نقص شناسایی می شود و سپس می توان توضیع فضایی میدان نظیر این مدها را نشان داد. دو بلور پاشنده در این طرح بررسی شده اند. اولین مورد متشکل از میله های فلزی است که در زمینه ی هوا با یک شبکه ی مربعی آرایش یافته اند، و مورد دوم از میله هایی با جنس مواد فریتی می باشد که با یک شبکه ی مثلثی در زمینه ی هوا قرار دارند. نور تابشی در مود بلور اول دارای قطبش te و در دومی دارای قطبش tm می باشد. نتایج نشان می دهند که مد های نقص در بلورهای پاشنده به ازای فرکانس هایی که ثابت دی الکتریک مواد فلزی و یا ضریب تراوایی نسبی مواد فریتی دارای مقادیر منفی هستند، رفتاری متفاوت با مدهای نقص بلورهای فوتونی دی الکتریک دارند. اولین تفاوت به رفتار مد-های نقص با تغییر شعاع میله ی نقص مربوط می شود که با افزایش شعاع، مدهای نقص به سمت فرکانس های بالا میل می کنند در حالی که در بلورهای دی الکتریک رفتار کاملاً عکس آن است. همچنین توزیع میدان به ازای فرکانس های نقصی که ثابت دی الکتریک یا ضریب تراوایی میله ی نقص منفی باشد درسطح میله ی نقص دارای شدت بیشتری است و شدیداً با نفوذ به داخل میله میرا می شود، در حالی که چنین ویژگی در بلورهای فوتونی دی الکتریک مشاهده نمی شود

در دهه های اخیر بلورهای فوتونی مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفته اند و نوید بخش تحولات عظیم مخصوصاً در زمینه صنعت مخابرات و ارتباطات می باشند و انتظار می رود که در آینده ای نه چندان دور شاهد تحولات شگرف (مشابه تحولات بوجود آمده در زمان کشف نیمرساناها) در زمینه قطعات اپتوالکتریک باشیم. فصل مشترک موجود در بلورهای فوتونی نامتجانس که ازاتصال دو بلور فوتونی با پارامترهای فیزیکی و تقارن هندسی متفاوت تشکیل شده اند (مانسته اپتیکی نیمرساناهای نامتجانس) دارای ویژگی های جالب توجهی می باشند، به عنوان مثال این بلورها می توانند در صورت دارا بودن برخی شرایط امواج الکترومغناطیسی را در فصل مشترکشان جایگزیده نمایند. منظور از حالت های جایگزیده آن حالت هایی هستند که در منطقه ممنوعه فرکانسی مشترک دو بلور قرار دارند و به این ترتیب امواج در هیچکدام از این دو بلور نمی توانند منتشر شوند و درنتیجه در راستای عمود بر فصل مشترک دو بلور فوتونی میرا می شوند و با توجه به اینکه بردار موج آنها مولفه ای در راستای فصل مشترک دو محیط دارد در این راستا منتشر می شوند (مد جایگزیده)، و به همین خاطر فصل مشترک موجود در بلورهای فوتونی نامتجانس می تواند به عنوان یک موجبر عمل نماید. در این پایاننامه به لحاظ اهمیت حالت های جایگزیده در بلورهای فوتونی ابتدا به بررسی این حالت ها در فصل مشترک موجود در یک بلور فوتونی نامتجانس یک بعدی و سپس در بلورهای فوتونی نامتجانس دوبعدی شامل شبکه های مربعی- مربعی، مربعی- مثلثی و مثلثی- لانه زنبوری پرداخته شده است. به منظور محاسبه حالت های جایگزیده در بلورهای فوتونی نامتجانس از روش ابرسلول بر پایه بسط موج تخت استفاده می شود. روند کلی کار به این شرح است که ابتدا با بدست آوردن ساختار باند مصور هر یک از دو بلور فوتونی تشکیل دهنده بلور فوتونی نامتجانس، از وجود منطقه ممنوعه فرکانسی در آنها اطمینان حاصل کرده و سپس با استفاده از روش ابرسلول ساختار باند اتصال نامتجانس نیز محاسبه شده و از طریق مقایسه آن با ساختارهای باند مشترک، موقعیت فرکانسی حالت های بین سطحی که در منطقه ممنوعه فرکانسی مشترک دو بلور قرار دارند بدست آمده است. مطالعه توزیع فضایی میدان نظیر مدهای حالت های بین سطحی نشان می دهد که اتصال دو بلور فوتونی می تواند به عنوان موجبر عمل نماید یکی از ساختارهای مورد بررسی در این پایاننامه بلور فوتونی نامتجانس دوبعدی متشکل از آرایه مثلثی از میله های دی الکتریک و آرایه لانه زنبوری از حفره های هوا می باشد، نتایج محاسبات انجام شده نشان می دهد که برخلاف نتایج گزارش شده توسط چان یانگ جان و همکاران مبنی بر اینکه برای قطبش در فصل مشترک موجود در این بلور سه حالت جایگزیده وجود دارد، در فصل مشترک این بلور تنها یک حالت جایگزیده بین سطحی به صورت تک مد و با پاشندگی کم وجود دارد. بلور فوتونی نامتجانس دوبعدی متشکل از اتصال دو بلور فوتونی با تقارن هندسی مربعی که به ترتیب شامل میله های دی الکتریک و حفره های مربعی چرخیده می باشند نیز مورد بررسی قرار گرفته است، نتایج نشان می دهد که در فصل مشترک این دو بلور دو حالت جایگزیده بین سطحی با پاشندگی نسبتا کم وجود دارد، همچنین نتایج محاسبات عددی نشان می دهد که میزان چرخش حفره های مربعی در تعیین حدود منطقه ممنوعه فرکانسی مشترک دو بلور تاثیر گذار می باشند.

در این پایان نامه با استفاده از روش تفاضلات محدود در حوزه زمان fdtd انتشار امواج الکترومغناطیسی در درون موجبرهای بلور فوتونی مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین میزان عبور امواج الکترومغناطیسی از این موجبرها با استفاده از این روش محاسبه شده است. سپس از روش ابر سلول بر پایه بسط موج تخت ساختار نوار برای بلورهای فوتونی دو بعدی شامل نقص خطی محاسبه شده است. تغییرات مد موجبری و میزان عبور امواج الکترومغناطیسی برای یک بلور فوتونی دو بعدی، با شبکه مربعی و مثلثی، مورد بررسی قرار گرفته است. در هر دو شبکه مربعی و مثلثی میله ها هندسه دایروی یا مربعی داشته، و در این ساختارها خط نقص با تغییرات اندازه میله ها ایجاد شده است. نتایج نشان می دهد که میزان عبور امواج الکترومغناطیسی و پهنای مد موجبری به نوع شبکه، هندسه میله ها و مشخصات نقص بستگی دارد. یکی دیگر از ساختارهایی که میزان عبور امواج الکترومغناطیسی در آن مورد بررسی قرار گرفته است، موجبر بلور فوتونی خمیده 60 درجه با آرایه مثلثی از حفره های هوا در یک زمینه سیلیکون است. نتایج نشان می دهد که با ایجاد تغییراتی در قسمت تیزی خمیدگی می توان پهنا و میزان عبور امواج الکترومغناطیسی را بهبود داد. برای بیان کاربردی دیگر از موجبرهای بلور فوتونی که از یک شبکه مربعی با میله های سیلیکون در زمینه هوا ساخته شده است، اندازه شعاع یک ردیف از میله ها به طور متناوب بزرگ و کوچک شده است. محاسبات نشان می دهد که در این حالت بازه خاصی از فرکانس های مد موجبری فیلتر شده است.

بلورهای فوتونی ساختارهای دی الکتریک متناوبی هستند که بصورت مصنوعی ساخته شده و قادر به کنترل کامل انتشار نور می باشند. بلورهای فوتونی دارای ساختار باندهایی می باشند که از مشخصه های بلور بوده و شامل نوارهای فرکانسی مجاز و ممنوعه است. چنانچه تناوب ضریب دی الکتریک در دو جهت باشد بلور فوتونی دو بعدی است، که از یک سری میله های دی الکتریک که در یک زمینه ی دی الکتریک همگن با ضریب دی الکتریک متفاوت قرار داده شده اند تشکیل شده است. انتشار امواج الکترومغناطیسی در این ساختارها، مشخصه های بسیار جالب و عجیبی را از خود نشان می دهد. حالت های منتشر شونده در کل بلور فوتونی، نوارهای توده ای را تشکیل می دهند، که توسط گاف ها از همدیگر جدا شده اند. وقتی که یک بلور فوتونی بی نهایت ایده ال قطع می گردد، امواج سطحی جایگزیده می تواند در سطح قطع شده بلور فوتونی نیمه بینهایت ظاهر گردد. این مدها، میدان های الکترومغناطیسی هستند که، بردار موج شان مختلط هستند که، منجر به این می شود که موج، در جهات عمود بر صفحه جداکننده محیط همگن و بلور فوتونی و بسمت دور شدن از این صفحه بصورت نمائی میرا گردد. در این پایاننامه ابتدا تزویج مدهای سطحی بین بلورهای فوتونی دو بعدی مشابه با شبکه های مربعی-مربعی و مثلثی-مثلثی و سپس تزویج مدهای سطحی بین بلورهای فوتونی دو بعدی مثلثی-مربعی و دو نوع شبکه ی مربعی متفاوت با پیکربندیهای متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است. روند کلی کار به این شرح است که ابتدا مدهای سطحی بلورهای فوتونی را بدست آورده ایم و سپس با کم کردن فاصله ی بین بلورها، تزویج مدهای سطحی بین بلورهای فوتونی دو بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. که در مورد تزویج مدهای سطحی بین بلورهای فوتونی متفاوت، بلورهای فوتونی اولیه باید با انتخاب پارامترهای فیزیکی بلور به گونه ای انتخاب شوند که منطقه ممنوعه فرکانسی مشترک داشته باشند و به تنهایی حالت های سطحی در این منطقه داشته باشند. به منظور بررسی تزویج مدهای سطحی بین بلورهای فوتونی دوبعدی از روش ابر سلول بر مبنای روش بسط موج تخت استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که موقعیت فرکانسی مد های سطحی در اثر تزویج به فرکانس های بالاتر و پایین تر از وضعیت قبل از تزویج جابه جا می شود که میزان جابه-جایی مدهای سطحی به فاصله ی دو بلور اولیه بستگی دارد. همچنین نتایج نشان می دهد که شدت میدان در راستای صفحه قطع شدگی بصورت گسترده بوده یعنی امواج سطحی در این راستا انتشار می یابند در حالیکه در راستای عمود بر صفحه ی قطع شدگی به شدت جایگزیده هستند.

گرافینها ساختارهای دوبعدی کربنی هستند که در آنها اتمهای کربن در یک تقارن هگزاگونال به شکل لانه زنبوری مرتب شده اند و به خاطر سهولت ساخت مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند. این ساختارها با توجه به شرایط فیزیکی اعمالی می توانند خاصیت فلزی و نیمرسانایی از خود نشان دهند. گرافینها می توانند تک لایه، دولایه یا چندلایه باشند که ما در این پایاننامه گرافینهای تک لایه و دولایه را مورد بررسی قرار داده ایم که در آن ابتدا به بررسی شرایط لازم برای ایجاد گاف در این دو ساختار پرداختیم. سپس به بررسی طیف جذب، و در نهایت انرژی بستگی حالت پایه اکسیتونی را در گرافین تک لایه برای عرضها و ضخامتهای مختلف لایه گرافینی و در دولایه برای میدانهای الکتریکی خارجی متفاوت و همچنین برای ضخامت های مختلف لایه گرافینی بررسی کردیم. اثرات لبه ای همچون انرژی جهشی نزدیکترین همسایه دوم داخل صفحه ای، انرژی جهشی نزدیکترین همسایه دوم بین لایه ای، و انرژی محلی، نیز در گرافین دولایه تحت بایاس در نظر گرفته شد. به منظور محاسبه انرژی بستگی از معادله بته- سالپیتر و روش وردشی استفاده کردیم. نتایج بدست آمده نشان می دهد که مقدار گاف انرژی در نانونوارهای آرمچیر بطور معکوس متناسب با عرض آنهاست و در دولایه مقدار آن با افزایش میدان الکتریکی قائم اعمالی افزایش می یابد. نتایج نشان می دهد که با افزایش عرض نانونوارها، انرژی بستگی اکسیتونی کاهش می یابد، و در دولایه با افزایش میدان الکتریکی، انرژی بستگی اکسیتونی بواسطه افزایش گاف انرژی افزایش می یابد و در هر دو نوع گرافین تک لایه و دولایه، انرژی بستگی وابستگی چندانی به ضخامت لایه گرافینی ندارد و بطور جزئی افزایش می یابد.

بره ها، بلورهای فوتونی دو بعدی هستند که ضخامت آن ها در جهت عمود بر صفحه تناوب محدود شده است و به دلیل داشتن گاف فرکانسی شبه سه بعدی و امکان ساخت آن ها با فن-آوری های موجود، مورد توجه قرار گرفته اند. با برهم زدن تناوب شبکه ی بلور فوتونی، می توان یک کاواک به وجود آورد. این کار را می توان با تغییر جنس یا اندازه ی یکی از حفره های شبکه انجام داد. ایجاد نقص نقطه ای در بره ها، موجب به وجود آمدن مدهای نقص درون باند ممنوعه ی فرکانسی می شود و میدان های الکترومغناطیسی جایگزیده حول موقعیت نقص را به وجود می-آورد. دو پارامتر مهم در بررسی میکروکاواک های بلور فوتونی ضریب کیفیت و حجم مد نقص است. ضریب کیفیت معیاری از محبوس شدگی نور درون کاواک، و حجم مد کمیتی برای اندازه-گیری میزان جایگزیدگی میدان های الکترومغناطیسی است. برای محاسبه ی فرکانس مدها، پروفایل میدان های الکترومغناطیسی، ضریب کیفیت و حجم مد از بسته ی نرم افزای gme بر پایه ی بسط مدهای هدایت شده استفاده شده است. این محاسبات برای میکروکاواک هایی با ساختارها و هندسه های مختلف انجام شده است. نتایج محاسبات نشان می دهد که با ایجاد تغییر در حفره های اطراف نقص نقطه ای می توان ضریب کیفیت میکروکاواک را به طور قابل ملاحظه ای افزایش داد. از میان ساختارهایی که در این پایان نامه مورد بررسی قرار گرفته اند، چند مورد افزایش ضریب کیفیت قابل توجهی را نشان می دهند. یکی از این موارد نقص l1 با جابجایی حلقه ی اول از حفره ها و دیگری نقص l3 با جابجایی دو حفره نزدیک به نقص است، که با افزایش ضریب کیفیت به ترتیب در حدود 33 و 25 برابر، قابل توجه است. هر چند در بررسی سایر ساختارها افزایش ضریب کیفیت به نسبت کمتری را شاهد هستیم ولی به همین میزان افزایش در ضریب کیفیت از نقطه نظر کاربردی از اهمیت بالایی برخوردار است.

الکترودینامیک کوانتمی نظریه بررسی برهم کنش یک سیستم کوانتمی چند ترازه با میدان الکترومغناطیسی کوانتیده است. به صورت مرسوم سیستم دو یا چند ترازه را، یک اتم یا یک نقطه ی کوانتمی که بطور موثر دو یا چند تراز انرژی دارد، انتخاب کرده و بر هم کنش را درون یک کاواک با ضریب کیفیت بالا مورد بررسی قرار می دهند که به این مورد الکترودینامیک کوانتمی کاواک گویند. در سال 1980 آزمایشات جالبی بر روی اتم های قرار گرفته در میکروکاواک ها و کاواکهای اپتیکی صورت گرفت و نشان داده شد که فرایندهای اپتیکی همچون گسیل خود به خودی می توانند به شدت تحت تاثیر چگالی حالت های محیط، تغییر یابند. به همین دلیل الکترودینامیک کوانتمی کاواک از سال 1990 موضوع اساسی تحقیق در زمینه ی الکترودینامیک نوری بوده است. پیشرفتهای حاصل در فناوری استفاده از نقاط کوانتمی به عنوان گسیلندهای اتم مانند با مجموعه ای گسسته از حالتها، تحقق آزمایشات الکترودینامیک کوانتمی کاواک را در سیستمهای حالت جامد ممکن ساخته است. پایه ی هر پردازش اطلاعات کوانتومی، توانائی آن سیستم در تزویج همدوس با حالات کوانتومی متفاوت، بوسیله ی متوقف کردن هر اندرکنشی با محیط است. همدوسی یا تزویج قوی حالات کوانتومی به معنی تبادل انرژی بین دو حالت کوانتومی است، بدون اینکه رابطه ی فازی بین دو تابع موج مربوطه از بین رود. روش های اپتیکی به طور گسترده ای برای توصیف حالات الکترونیکی در اتمهای آنسامبل و جامدات مورد استفاده قرار می گیرند. برای افزایش اندرکنش نور – ماده کاواک های تشدیدی با ضریب کیفیت بالا در سیستمهای مختلفی پیشرفت داشته اند، که اجازه ی اندرکنش نور- ماده در حالت تک ذره ای را می دهند، این مسئله به رژیم الکترودینامیک کوانتومی کاواک مشهور است.

بره ها، بلورهای فوتونی دو بعدی هستند که ضخامت آن ها در جهت عمود بر صفحه تناوب محدود شده است و به دلیل مشاهده گاف فوتونی در این دسته از بلورها و امکان ساخت آن ها با فن-آوری های موجود، مورد توجه قرار گرفته اند. با ایجاد تغییر در ویژگی های ساختاری میله های دی الکتریک موجود در یک بره بلور فوتونی نقص های مختلفی حاصل می شوند. یک گونه از این نقص ها نقص خطی است که از جابجایی و تغییردر ویژگی های ساختاری یک ردیف از میله های دی الکتریک بدست می آید. یکی از متداول ترین و پر اهمیت ترین کاربرد های این نقص های خطی استفاده از آنها به عنوان موجبر های بره بلور فوتونی می باشد. با ایجاد یک نقص خطی مُدی درون نوار ممنوعه ی فوتونی ظاهر می شود که به نام مد موجبری مشهور است و نشان دهنده ی امکان هدایت موج الکترومغناطیسی با فرکانس متناسب با این مد در بره بلور فوتونی می باشد. یکی از ویژگی های منحصر به فرد نور سرعت بالای آن می باشد. اما در این میان، کاهش سرعت نور نیز به طور جداگانه مزایایی دارد که بسیاری از محققین را بر آن داشته که به بررسی آن بپردازند. نور کند را می توان در مواردی از قبیل ایجاد سوئیچ های نوری، ذخیره سازی اپتیکی و تأخیر زمان اپتیکی به کار برد. در این پایان نامه ابتدا ویژگی های موجبرهای بره بلور فوتونی را مورد مطالعه قرار داده ایم. برای محاسبه ی فرکانس مد موجبری و توزیع میدان های الکتریکی ومغناطیسی مربوط به هر مد از بسته ی نرم افزاری gme استفاده شده است. این نرم افزار در محاسبات از روش بسط مدهای هدایت شده استفاده می کند. آنگاه با محاسبه ی شیب منحنی مد موجبری موجود در نوار ممنوعه فرکانسی، سرعت گروه را بدست آورده ایم. سپس با ایجاد تغییرات گوناگون در قسمت های مختلف شبکه های مورد مطالعه قرار گرفته، منحنی مد موجبری را بهینه کرده ایم و در نهایت نور ;کم سرعت در پهنای نوار فرکانسی وسیع بدست آمد. به عنوان مثال برای مد te در یک بره بلور فوتونی با تقارن شبکه مثلثی که از حفره های هوا در زمینه ی سیلیکون تشکیل شده است، با تغییر شعاع حفره های همسایه اول نقص خطی، سرعت گروه های و را بدست آورده ایم. سپس در همان ساختار با جابجا کردن حفره های همسایه دوم توانسته ایم سرعت گروه های را به بدست آوریم که نور خیلی کم سرعت محسوب می شود.

در ادامه رفتار مد نقص نسبت به دما مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد که با افزایش دما، ارتفاع مد نقص کاهش پیدا می کند. و موقعیت آن به سمت فرکانس های بالاتر جابجا می شود. اثر اتلاف در ساختار نامتقارن برجسته تر می باشد. در واقع اندازه ی پیک مد نقص در طیف تراگسیلی، نسبت به ساختار متقارن بسیار کمتر می باشد. در صورت افزایش دما میزان کاهش ارتفاع مد نقص در بلور فوتونی دارای نقص pb1-xsnxte بسیار بیشتر از دو مورد دیگر است. همچنین با افزایش دما در بلور فوتونی دارای نقص pb1-xsnxte و pbse موقعیت مد نقص جابجا می شود در حالی که در بلور فوتونی دارای نقص hg1-xcdxte اثری از این جابجایی نیست. سرانجام نمودار تغییرات گذردهی الکتریکی نسبت به فرکانس و دما برای هر سه ماده رسم شده است. که تنها قسمت حقیقی گذردهی الکتریکی pb1-xsnxte با تغییر فرکانس، ثابت می ماند. همچنین در همه موارد با افزایش دما، دامنه ی بخش حقیقی گذردهی الکتریکی ، کاهش و دامنه ی بخش موهومی افزایش می-یابد

گرافین از اتم های کربنی تشکیل شده است که به صورت هگزاگونال در یک صفحه قرار گرفته اند که به خاطر سهولت ساخت و خواص منحصربفرد مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. گرافین در انواع مختلف تک لایه، دولایه و چندلایه وجود دارد ساختار باندی گرافین تک لایه فاقد گاف انرژی است. نانونوارهای گرافینی صفحات گرافینی با عرض محدود هستند و به دو نوع زیگزاگی و آرمچیر تقسیم می شوند. ما در این پایان نامه به بررسی خواص غیرخطی نوری در نانونوار های گرافینی می پردازیم. این ساختار ها با توجه به شرایط فیزیکی اعمالی خواص فلزی و نیم رسانایی از خود نشان می دهند. در ابتدا با تبدیل صفحه ی گرافینی به نانونوار گرافینی گاف انرژی در این سیستم ایجاد کرده ایم سپس پاسخ نوری صفحه ی گرافینی و نانونوار گرافینی را تحت میدان خارجی اعمالی مورد بررسی قرار داده ایم و در نهایت پاسخ نوری غیرخطی نانونوار گرافینی با لبه ی آرمچیر را مورد بررسی قرار داده ایم. به منظور بررسی اثرات غیرخطی نوری، پذیرفتاری غیرخطی نوری مرتبه سوم را با در نظر گرفتن تقریب دو باندی حساب کرده ایم نتایج نشان می دهد که نانونوار های آرمچیر پذیرفتاری غیرخطی مرتبه سوم بسیار بالایی برای طول موج های مادون قرمز نزدیک از خود نشان می دهند (از مرتبه ی ?10?^(-7) (esu) ) که ?10?^8 بار بزرگتر از پذیرفتاری غیرخطی مرتبه سوم مواد عایق است این تفاوت فاحش بین پاسخ غیرخطی نانونوار های گرافینی با لبه ی (a-gnr ) و مواد عایق به گذار بین باندی در a-gnr و تشدید در گاف های انرژی برمی گردد. همچنین پذیرفتاری مرتبه سوم بین باندی با افزایش عرض نانونوار(کاهش گاف نواری) افزایش می یابد.

در سال های اخیر بلورهای فوتونی به خاطر خواص جالبشان در کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد توجه زیادی قرارگرفته اند. به طوری که از آنها در ساخت قطعات فوتونی خصوصا در مدارهای مجتمع فوتونی استفاده های زیادی شده است. بلورهای فوتونی، ساختارهای دی الکتریک متناوب هستند که بطور مصنوعی ساخته می شوند و در تشابه با نیمه هادی ها دارای یک ناحیه ممنوعه فرکانسی می باشند که نوار گاف فوتونی نامیده می شوند. خواص جالب بلورهای فوتونی ناشی از وجود همین ناحیه ممنوعه فرکانسی است. هر گاه تناوب ضریب دی الکتریک در دو جهت باشد، بلور فوتونی دو بعدی است. با ایجاد نقص در بلور فوتونی می توان مدهای منتشر شونده ای را در گاف فرکانسی ایجاد کرد. وقتی که یک بلور فوتونی بی نهایت ایده آل قطع می گردد، امواج سطحی جایگزیده می تواند در سطح قطع شده بلور فوتونی نمیه بی نهایت ظاهر گردد. این مدها، میدان های الکترومغناطیسی هستند که، بردار موج شان مختلط هستند که، منجر به این می شود که موج، در جهات عمود بر صفحه جداکننده محیط همگن و بلور فوتونی و به سمت دور شدن از این صفحه بصورت نمایی میرا گردد. در این پایان نامه مدهای سطحی بلورهای فوتونی دو بعدی با ساختارهای مربعی، مثلثی و لانه زنبوری(بلور فوتونی گرافینی) مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بررسی مدهای سطحی از روش ابرسلول بر مبنای روش بسط موج تخت استفاده شده است. علاوه بر این توزیع فضایی میدان برای مدهای سطحی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که موقعیت مدهای سطحی به پارامترهای فیزیکی نقص بستگی دارد و همین طور این مدها خواص موجبری دارند. همچنین نتایج نشان می دهد بدلیل پیکربندی مختلف بلورهای گرافینی، مدهای سطحی متنوعی بدست می آید. بررسی پاشندگی مدهای سطحی در لبه ی زیگزاگی بلورفوتونی گرافینی، نشان می دهد که می توان مدهای سطحی با سرعت گروه کم را بدست آورد.

الکترودینامیک کوانتومی کاواک چارچوب مناسبی را برای درک اندرکنش نور-ماده در سطح کوانتومی فراهم می کند. در این میان، سیستم های نقطه کوانتومی-کاواک مهمترین دستاوردها را در تحقق آزمایش های الکترودینامیک کاواک مهیا کرده اند. ماهیت چنین سیستم های جفت شده در دو تزویج ضعیف و قوی بروز می کند که کاربردهای فراوانی در لیزرهای با آستانه نشر پایین، منابع تک فوتون و پردازش اطلاعات کوانتومی دارند. منابع نوری غیرکلاسیکی به دلیل نقش محوری خود در پردازش اطلاعات کوانتومی مورد توجه زیادی هستند. ترجیحاً، منابع نوری کوانتومی باید در هر پالس تک فوتون یا زوج درهم تنیده فوتونی گسیل کنند. یک منبع تک فوتون ایده آل در هر پالس فقط یک فوتون گسیل می کند. گسیل تک فوتون از منابعی چون نقاط کوانتومی، مراکز نقص در الماس، اتم های در تله افتاده در کاواک و مولکول های آلی امکان پذیر است. در این میان، نقاط کوانتومی به دلیل ترازهای انرژی گسسته که از اندرکنش محیط با حامل ها جلوگیری می کند حائز اهمیت است. نقاط کوانتومی دارای پایداری زیاد، قدرت نوسانگر بالا و پهنای خط طیفی باریک هستند. اشکال مهم این است که این سیستم ها بازده پایین داشته و نیز نرخ گسیل فوتون در آنها کم است. تمام این کمبودها با جاسازی نقطه کوانتومی در کاواک بهبود می یابد. برای این منظور، میکروکاواک های مختلفی پیشنهاد می شوند که از میان آنها میکروکاواک های بلور فوتونی به دلیل فاکتور کیفیت بالا و حجم مد بسیار پایین اهمیت فوق العاده ای دارند. مشخصه های مهم منبع تک فوتون بازده بالا و احتمال گسیل چندفوتونی پایین است که این احتمال با تابع همبستگی مرتبه دوم در زمان تأخیر صفر بیان می شود. در میان پارامترهای موثر مربوطه، بهینه سازی نرخ پمپاژ نقطه کوانتومی و کاواک و نیز نرخ واهلش کاواک برای بهبود عملکرد این سیستم ها مهم است. بنابراین، بررسی دقیق مشخصات کاواک و نقطه کوانتومی به منظور تجزیه و تحلیل خواص انتشار منابع تک فوتون ضروری است. در این رساله، سیستم میکروکاواک بلور فوتونی که در آن نقطه کوانتومی جاسازی شده است مورد بررسی قرار گرفته است. انرژی حالت پایه اکسیتون به روش وردشی و مد نقص میکروکاواک به روش بسط مد هدایت شده و توسط توسعه نرم افزار gme محاسبه می شوند. تأثیر مشخصات کاواک و نقطه کوانتومی در تزویج بطور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. در مدل خطی، که اکسیتون به عنوان بوزون در نظر گرفته می شود، دینامیک سیستم با استفاده از تابع همبستگی مرتبه اول و دوم مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شده است که تابع همبستگی مرتبه اول در تزویج قوی و ضعیف رفتار متفاوتی دارد و نیز تحت پمپاژ پیوسته ناهمدوس، محاسبات مربوط به تابع همبستگی مرتبه دوم نشان می دهد که امکان گسیل تک فوتون درمدل خطی وجود ندارد. در مدل غیرخطی، که اکسیتون به عنوان فرمیون در نظر گرفته می شود، اثرات نرخ های پمپاژ و نرخ واهلش در تغییرات جمعیت ها و تابع همبستگی مرتبه دوم در زمان تأخیر صفر بطور جامع مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین نتایج ما نشاندهنده نقش اساسی اختلاف انرژی بین مد کاواک و اکسیتون در احتمال گسیل تک فوتون می باشد که در توافق معقولی با نتایج تجربی است.

بلورهای فوتونی به دلیل توانایی بی نظیر در کنترل خواص نوری، توجه زیادی را در هر دو حوزه مفاهیم فیزیکی و کاربردهای عملی به خود معطوف کرده اند. کاواک ها و موجبرها که از اجزای اصلی مدارهای نوری ساخته شده بر پایه بلورهای فوتونی هستند، حاصل اعمال نقص های کنترل شده در بلورهای فوتونی می باشند. یک کاواک بلور فوتونی با اعمال نقص نقطه ای و یک موجبر نوری بلور فوتونی با اعمال نقص خطی در ساختار شبکه بلور حاصل می شوند. علاوه بر این در سال 1999 موجبر جدیدی به نام موجبر کاواک های تزویج شده معرفی گردید؛ مکانیسم موجبری در این دسته از موجبرها بر تزویج ضعیف بین کاواک های با فاکتور کیفیت بالا، که بطور متناوب در ساختار بلور فوتونی ایجاد شده اند، استوار بود. سیستم های نوری مبتنی بر ترکیب موجبرها و کاواک ها از شاخه های مهم تحقیقاتی در بلورهای فوتونی محسوب می شوند. هر چند ساختارهای کاواک-موجبر کاربردهای زیادی در مدارهای نوری دارند، اما ممکن است عملکرد این مدارها توسط بازده تزویج بین کاواک و موجبر محدود شود. در این پژوهش تزویج نوری بین کاواک و موجبر، با هدف بهبود بازده تزویج مورد بررسی قرار گرفت. تمامی محاسبات مربوط به ساختار باند بلورهای فوتونی، توسط بسته نرم افزاری mpb و شبیه سازی های مربوط به محاسبه توزیع میدان، فاکتور کیفیت و در نتیجه بازده تزویج توسط بسته نرم افزاری meep انجام گرفته است. در این پایان نامه تزویج نوری دو نوع ساختار کاواک-موجبر بلورهای فوتونی دو بعدی با تقارن شبکه مربعی، به صورت تئوری مورد مطالعه قرار گرفت. ابتدا تزویج نوری بین یک کاواک مشدد و یک موجبر نقص خطی بررسی شد. در این مورد با تغییرات جزئی در ساختار موجبر بلور فوتونی بازده تزویجی بالاتر از 95% حاصل شد. هر چند این بازده از نظر تئوری بسیار ایده ال بود اما چون تطابق فرکانسی بین مد کاواک و منحنی پاشندگی موجبر در لبه های نوار بریلوئن حاصل می شد، این نتیجه از نظر کاربردی مطلوب نبود. بررسی موجبر کاواک های تزویج شده نشان داد که این موجبرها سرعت گروه کمتر و در ناحیه بردار موجی وسیع تر را نسبت به موجبر نقص خطی بدست می دهند و در نتیجه می توانند انتخابی مناسب جهت تزویج با کاواک های مشدد باشند. پس به عنوان دومین ساختار کاواک-موجبر، تزویج نوری بین یک کاواک مشدد و یک موجبر کاواک های تزویج شده مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه سازی های عددی نشان داد که اگر کاواک مشدد و کاواک های سازنده موجبر مانند هم باشند، بازده تزویج بهینه خواهد شد؛ زیرا تطابق فرکانسی مناسب و در ناحیه بردار موجی وسیع بین مد کاواک و منحنی پاشندگی موجبر اتفاق خواهد افتاد. این نتیجه از نظر تحقیقات کاربردی حائز اهمیت است.

یکی از جالبترین ویژگیهای نانوذرات فلزی، خواص نوری آنها بوده که متناسب با شکل، اندازه و جنس نانوذرات و محیط پیرامون نانوذره تغییر میکند. فلزات با ساختار نانو، خواص نوری بسیار جالب و پیچیدهای نشان میدهند که ناشی از ایجادیا تحریک پلاسمونهای سطحی در آنها میباشد. تحریک پلاسمونهای سطحی در نانوذرات فلزی به خواص نوریای منجر می شود که در دیگر مواد اپتیکی به سختی قابل دستیابی هستند و در نتیجه منجر به یک گسترهی وسیعی از کاربردها در زمینههای مختلف میشود. تشدید پلاسمون سطحی برجستهترین ویژگی نوری نانوساختارهای فلزی است. در فیزیک، پلاسمونهاکوانتای نوساناتپلاسما هستند، همان طور که فوتونهاکوانتای نوسانات الکترومغناطیسیو فونونهاکوانتای نوسانات مکانیکیهستند.به پلاسمون های تشکیل شده در سطح مشترک یک فلز و دی الکتریک، پلاسمون های سطحی می گویندو به تحریک تشدیدی نوسان دستهجمعی الکترونهای نوار رسانشدر نانوساختارهای فلزی تحت تاثیر موج الکترومغناطیسی فرودی، پلاسمونهای سطحی جایگزیده میگویند.به عبارتی پلاسمونهای سطحی نوسانات دستهجمعی الکترونهای رسانش توسطسیگنال اپتیکی در روی سطح فلز هستند. با توجه به اهمیت پلاسمونها در نانوذرات فلزی، در این پروژه چگونگی ایجاد پلاسمونهای سطحی در نانوذرات فلزی و ویژگیهای نوری پلاسمونهای سطحی در نانو ذرات فلزی که آنها را منحصر به فرد میکند مورد بررسی قرار خواهند گرفت. در این پایاننامه، ضمن معرفی شبه ذره ی پلاسمون و مکانیزم تحریک آن در حالتهای حجمی، فصل مشترک بین فلز و دیالکتریک و نیز در نانوذرات، با بهرهگیری از تئوری می، تاثیر پارامترهای اندازه و جنس نانوذره ی فلزی و نیز ضریب شکست یا ثابت دی الکتریک محیط اطراف نانوذره بر فرکانس تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده بهصورت تحلیلی و عددی مورد بررسی واقع شده است. نتایج بهدست آمده نشان میدهد که با افزایش اندازه ی نانوذرات، فرکانس تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده به سمت انرژیهای کمتر میل می کند. هم چنین بَا افزایش ثابت دی الکتریک محیط اطراف نانوذرات، فرکانس تشدید پلاسمون سطحی به سمت طول موجهای بزرگ یا فرکانسهای کم جابه جا می شود. از سوی دیگر با تغییر جنس نانوذره (نوع فلز)، فرکانس تشدید پلاسمون سطحی آن نیز جابه جامی شود. چرا که اثر الکترونهای مغزه، گذارهای بین نواری و داخل نواری روی خواص الکترونیکی فلز، برجسته می باشد و از فلزی به فلز دیگر تغییر میکند.

پیشرفت¬های روز افزون در تکنولوژی ساخت مواد نیم¬رسانای کم¬بعد و نیز ویژگی¬های منحصر¬به¬فرد این ساختار¬ها باعث ظهور نسل جدیدی از ابزارهای اپتوالکترونیکی با سرعت¬های بالا از جمله لیزر¬های مادون قرمز، تقویت¬کننده¬ها و آشکارساز¬های فوتونی شده¬است. در این میان ساختار¬های نقطه¬کوانتومی به دلیل محبوسیت سه بعدی حاملین بار و سطوح الکترونیکی کاملاً گسسته کاندیدای اصلی برای مطالعات بنیادین می¬باشند، علاوه بر این حضور حالت¬های ناخالصی هیدروژن¬گونه¬ی محبوس شده در ابزار¬های نیم¬رسانا ویژگی¬های فیزیکی این ساختار¬ها را به طور چشم¬گیری تغییر می¬دهد. در این پایان¬نامه ویژگی¬های فیزیکی ناخالصی در نقطه¬کوانتومی قرص شکل در حضور میدان مغناطیسی با استفاده از روش قطری¬سازی ماتریس هامیلتونی در تقریب جرم موثر مورد بررسی واقع شده¬است. اثر میدان مغناطیسی روی تراز¬های انرژی ناخالصی، انرژی بستگی و انرژی جذب شده¬مورد بررسی قرار گرفت، در ضمن اثر توأم میدان الکتریکی و مغناطیسی بر انرژی¬های حالت¬های ناخالصی و انرژی بستگی آن مورد توجه قرار¬گرفت. اعمال میدان مغناطیسی معادل با اضافه شدن محبوسیت اضافی بر نقطه¬کوانتومی می¬باشد که خواص نوری و ترابردی حاملین بار را تحت تأثیر قرار می¬دهد. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که انرژی حالت پایه¬ی ناخالصی با افزایش میدان مغناطیسی افزایش می¬یابد ولی انرژی حالت¬های برانگیخته¬ی اول و دوم در حضور میدان مغناطیسی رفتار متفاوت نشان می¬دهند در نتیجه انرژی جذب شده¬ در گذار از حالت پایه به اولین حالت برانگیخته با افزایش میدان مغناطیسی کاهش یافته در حالیکه انرژی جذب شده در گذار از حالت پایه به دومین حالت برانگیخته با افزایش میدان مغناطیسی روند افزایشی داشته¬است. همچنین با توجه به نتایج بدست آمده میزان تغییرات انرژی بستگی نیز با افزایش میدان مغناطیسی افزایش یافته¬است.

سلول های خورشیدی گرافنی به علت هزینه ساخت پایین و خواص منحصر به فرد گرافن مانند شفافیت نوری، تحرک پذیری بالای حامل ها، مقاومت کم، پایداری شیمیایی و مکانیکی، انعطاف پذیری و مساحت سطحی ویژه بزرگ اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است. در سالهای اخیر چند گروه تحقیقاتی مطالعاتی در زمینه سلول خورشیدی سد شاتکی گرافن-سیلیکون انجام داده اند اما بهره تبدیل (بازدهی) آنها هنوز برای کاربردهای تجاری کم است و نیاز به پژوهش های زیادی در این زمینه حس می شود. ما در این پایان نامه ابتدا ساختار سلول خورشیدی سد شاتکی گرافن-سیلیکون را شبیه سازی کرده ایم. برای شبیه سازی، خواص الکتریکی و نوری گرافن که در سلولهای خورشیدی استفاده می شوند را به دست آورده ایم. همچنین نحوه عمل هر یک از بازترکیب ها از جمله تشعشعی، شاکلی-رید-هال، اوژه و... را نیزمحاسبه کرده ایم و بعد از محاسبه جریان نوری، ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه و بهره تبدیل توان (بازدهی)، اثر عوامل مختلف از جمله نوع گرافن به کار رفته، ، چگالی اتم های ناخالصی و دما و ... را روی این پارامترها بررسی نموده ایم. سپس راهکارهایی برای بالا بردن بازدهی سلول خورشیدی سدشاتکی گرافنی ارائه داده ایم. برای بالا بردن بازدهی باید ضریب جذب ماده افزایش یابد. به عنوان مثال با توجه به اینکه ضریب جذب نانوسیم سیلیکونی با ضریب پر شدگی متوسط بیشتر از سیلیکون است و سطح برخورد برای گیراندازی نور در آنها افزایش می یابد و ترابرد الکترون نیز بهتر صورت می گیرد انتظار داریم با استفاده از نانوسیم سیلیکونی به جای سیلیکون در سلول خورشیدی گرافنی، بازدهی افزایش یابد. از طرف دیگر، کیفیت سیلیکون تحت تابش با گذشت زمان تنزل پیدا می کند و با توجه به پهنای گاف نواری آن، حدود 32 درصد طیف خورشیدی را جذب می کند، بنابراین استفاده از ماده ای با گاف نواری پهن به جای سیلیکون، که بتواند قسمت عمده طیف خورشیدی را جذب کند بازدهی سلول خورشیدی گرافنی را افزایش خواهد داد. پیشنهاد ما در این زمینه استفاده از ترکیبات inxga1-xn به دلیل پهنای باند وسیع، ضریب جذب بالا، تحرک پذیری زیاد حاملها و آسیب پذیری بسیار کم آن ها در برابر تابش نور خورشید است.

طی سالهای اخیر گرافن به یکی از جالب توجه ترین سوژه های دنیای فناوری تبدیل شده است. خواص عجیب و منحصر به فرد گرافن نسبت به نیم رساناهای استاندارد باعث شده است محققان به سختی بتوانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند. با توجه به ساختار باند گرافن و فاقد گاف بودن آن نمی توان از گرافن در کاربردهایی همچون ساخت ادوات الکترونیکی و اپتیکی استفاده کرد. یکی از راههای ایجاد گاف در گرافن ساخت نقاط کوانتومی است. علاقه مندی به چنین نانو ساختارهایی بیشتر ناشی از کاربردهای فراوان آنها در قطعات اپتو الکترونیکی نانو مقیاس مانند آشکارسازهای نوری , لیزرهای کوانتومی , دیودهای نور گسیل و ... می باشد. در این پایان نامه ضمن بررسی حالتهای الکترونی در نقاط کوانتومی گرافنی دایره ای با استفاده از حل تحلیلی معادله دیراک ـ ویل، گذارهای نوری بین ترازهای انرژی نقاط کوانتومی گرافنی مورد بررسی قرار داده شده است.

خواص ساختاری منحصر به فرد iii- نیتریدها این مواد را به گزینه مناسبی برای ساخت ادوات اپتوالکترونیک، به ویژهledها و سلول های خورشیدی تبدیل کرده است. ingan به دلیل دارا بودن گاف باندی مستقیم و تنظیم پذیر برای تمامی محدوده مفید طیف خورشیدی، ماده ایده آلی برای استفاده در ادوات فوتوولتائیک به شمار می رود. از طرفی به دلیل محدودیت ضخامت در لایه های شامل ایندیوم، نمی توان این لایه ها را در ابعاد کپه ای ساخت، از این رو ساختار های چاه کوانتومی چندگانه یا همان لایه های جاذب ابر شبکه ingan/gan برای ساخت سلول های خورشیدی نیتریدی به کار گرفته می شوند. برای بیشینه نمودن بازدهی لایه جاذب، تکنیک های رشد متعدد از جمله رشد دو مرحله ای ماده سد استفاده می شود و کسری از ماده سد را در شرایط متفاوتی رشد می دهند به نحوی که میزان ناخالصی های ناخواسته، ناکاملی ها و ترازهای تله ای در این بخش به حداقل برسد. این بخش از ماده لایه پوش نام دارد. در این پایان نامه دو ساختار سلول خورشیدی چاه کوانتومی یکی بدون لایه پوش و دیگری با لایه پوش بررسی شده اند. در گام نخست با در نظر گرفتن سه ضخامت مختلف برای لایه سد، اثر ضخامت این لایه را بررسی کرده ایم. با انتخاب بهینه مقدار ضخامت(8nm) از مرحله اول، در گام بعدی کسری از این سد بهینه را به پوش اختصاص داده ایم. این بار نیز سه نمونه متفاوت در ضخامت پوش را بررسی کرده و با انتخاب بهینه پارامتر های نهایی، بازده تبدیل ?=42% حاصل می شود که نسبت به حالت پایه 3% افزایش داشته است.

پیشرفت های روز افزون در تکنولوژی ساخت مواد نیم رسانای کم بعد و نیز ویژگی های منحصربه فرد این ساختارها باعث ظهور نسل جدیدی از ابزارهای اپتوالکترونیکی با سرعت های بالا از جمله لیزرهای مادون قرمز، تقویت کننده ها و آشکارسازهای فوتونی شده است. در این میان ساختار های نقطه کوانتومی به دلیل محبوسیت سه بعدی حاملین بار و سطوح الکترونیکی کاملاً گسسته کاندیدای اصلی برای مطالعات بنیادین می باشند، علاوه بر این حضور حالت های ناخالصی هیدروژن گونه ی محبوس شده در ابزار های نیم رسانا ویژگی های فیزیکی این ساختارها را به طور چشم گیری تغییر می دهد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

دراین پایان نامه ، علم مخابرات کوانتومی را مورد بررسی قرار می دهد . تعریف ها و کمیتهای مورد نیاز را تعریف کرده و خواص آنها را بررسی می کند. با اینکه بعضی از تعریف های اولیه در تشابه با علم مخابرات کلاسیکی صورت گرفته است ولی دراینجا با مسائلی سرو کار خواهیم داشت که ماهیتی کاملا کوانتومی دارند و برای آنها معادلی در دنیای کلاسیکی نمی توان پیدا کرد. از جمله این خواص ، عدم تشخیص پذیری کامل حالتها از هم و پدیده درهم تنیدگی است. بطور کلی بحث مخابرات کوانتومی را به سه قسمت کلی می توان تقسیم کرد: 1-فشرده سازی اطلاعات کوانتومی ، به معنی نمایش خروجی های یک منبع کوانتومی با کمک منابع کمتر با استفاده از مفهوم زیر فضاهای نوعی. 2-ارسال اطلاعات کلاسیکی با کمک کانال کوانتومی . دراین نوع مخابرات عدم تشخیص پذیری حالتهای کوانتومی از یکدیگر باعث کاهش ظرفیت کانال می شو د. برای اینکه از حداکثر ظرفیت کانال بتوان استفاده کرد از کدگذاری بلوکی استفاده می شود و در قسمت دکدکننده از مشاهده گری استفاده می شود که بطور همزمان (مشاهده گر درهم تنیده ) بر روی بلوک داده ها اندازه گیری انجام می گردد. با کمک درهم تنیدگی به نوع دیگری از کدگذاری به نام کدگذاری فوق فشرده خواهیم رسید. 3-ارسال اطلاعات کوانتومی بر روی کانال کوانتومی نویز دار. در این نوع مخابرات ، هدف ارسال یک سری حالت کوانتومی با کمترین میزان اعوجاج است. در اینجا برای اینکه به حداکثر ظرفیت کانال برسیم باید از فضاهای هیلبرت گسترش یافته استفاده کرد و نباید حالتهای کوانتومی کدکننده را محدود به حالتهای ضربی نمود.

در این کار پژوهشی تحرک پذیری گاز الکترونی دو بعدی (‏‎2deg‎‏) در ساختارهای نامتجانس ‏‎algan/gan‎‏ در حضور اثرات قطبشی خودبخود و پیزوالکتریکی محاسبه شده است. محاسبات با استفاده از حل تحلیلی معادلات شرودینگر و پواسون صورت گرفته است. نتایج نشان می دهد علی رغم اینکه میدانهای قطبشی بطور قابل توجهی تراکم بار ورقه دو بعدی را افزایش می دهند. تحرک پذیری کاهش می یابد. با افزایش خمیدگی باندی و به دنبال آن جذب الکترونها ب نزدیکی مرز مشترک پراکندگی ناهمواری در سطح افزایش و تحرک پذیری کاهش می یابد. برای محاسبه تحرک پذیری اکثر مکانیزمهای پراکندگی استاندارد به انضمام پراکندگی ناشی از فونونهای اپتیکی و اکوستیکی و ناهمواری مرز مشترک ، پراکندگی آلیاژی و دهنده های یونیده و ...نیز در نظر گرفته شده است. کاهش تحرک پذیری الکترونی نسبت به افزایش درصد مولی ‏‎al‎‏ و نیز تغییرات چگالی بار ورقه و انرژی فرمی نسبت به افزایش درصد مولی ‏‎al‎‏ بررسی شده است. همچنین تغییرات تحرک پذیری به ازای ضخامت های گوناگونی از سد و نیز به ازای مقادیر مختلف در صد ‏‎al‎‏ در سد و در دماهای خاص نیز مورد بحث قرار گرفته است.

‏‎hg1-x-cdxte‎‏ یک نیمرسانای آلیاژی دارای کوچکترین گاف انرژی در مقایسه با نیمرساناهای دیگر است. این ترکیب بطور گسترده برای آشکارسازی تابش مادون قرمز در ناحیه طول موجی 1-30 میکرومتر مورد استفاده قرار می گیرد. مشکل اساسی در کاربرد این ماده ‏‎hg1-xcdte‎‏ در آشکارسازهای مادون قرمز ، نیاز به خنک سازی برای حصول کارایی بالا می باشد. برای اجتناب از لزوم خنک سازی ، روشهای مختلفی از جمله روش بهینه سازی پیشنهاد شده است. با استفاده از این روش ، پارامترهای اساسی یک آشکارساز را می توان بصورت تابعی از ترکیب آلیاژی، ضخامت و آلایش بهینه سازی کرد.

هدف از این پایان نامه مطالعه همبستگی کوانتومی سیستمهای مرکب در حالتهای ‏‎pure‎‏ و ‏‎mixed‎‏ است.