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.

در این پایان نامه ما مشخصه های سیگنال کوچک و دینامیکی لیزرهای نقطه کوانتومی خود سامانی را شبیه سازی می کنیم، فرض اولیه ما بر این است که درون نقطه کوانتومی فقط یک تک تراز پایه الکترون و حفره وجود دارد. با در نظر گرفتن پهن شدگی غیر همگن بهره اپتیکی، معادلات آهنگ لیزر نقطه کوانتومی را با استفاده از روش رانگ- کوتاه مرتبه چهار حل می کنیم. ما افزایش در پهنای باند مدولاسیون و فرکانس نوسانی واهلش با کاهش پهن شدگی غیر همگن را نشان دادیم. پدیده لیزردهی دو حالته در لیزرهای نقطه کوانتومی خود سامانی به راحتی مشاهده شده است. اثر آهنگ واهلش درون ترازی و طول کاواک بر عملکرد لیزردهی دو حالته لیزر نقطه کوانتومی بر مبنای مدل معادلات آهنگ پایه بررسی شده است. نتایج محاسبات نشان می دهد که برای طول کاواک بهینه، جریان آستانه لیزردهی تراز پایه افزایش تقریبا خطی با طول عمر واهلش درون ترازی دارد. یک روش ممکن نسبی برای تخمین طول عمر زمان واهلش درون ترازی که در آن اندازه گیری مستقیم مشکل است، تهیه شده است. بعلاوه واهلش درون ترازی سریعتر برای لیزردهی تک مد حالت پایه مناسب است و منجر به احتمال اشغال حامل لایه ترکننده کمتر و کارایی گیراندازی حالت پایه نقطه کوانتومی بزرگتر می شود. در مقابل، اثر لیزردهی دو حالته وابستگی محکمی به طول کاواک دارد. ما یک آنالیز کامل برای تاثیر واهلش درون ترازی و طول کاواک بر پاسخ مدولاسیون لیزر نقطه کوانتومی ingaas/gaas با استفاده از مدل معادلات آهنگ را نمایش داده ایم. همچنین، دینامیک بهره اپتیکی در نقاط کوانتومی نیمه رسانا در نظر گرفته شده است. عبارات تحلیلی ساده ای بدست آمده است، که مستقیما در ارتباط با پاسخ دینامیکی لیزر برای آهنگ های واهلش درون ترازی و گیراندازی هستند. اثر وجود و حرکت حفره در تراز ظرفیت و از بین رفتن حفره طیفی در مجموعه نقطه کوانتومی بطور کمی مدنظر قرار گرفته شده است. آنالیز ها نشان می دهد که واهلش درون ترازی محدودیت اساسی در دینامیک ایجاد می کند و امتیاز هایی در روش های دستیابی به مشخصه های مدولاسیون بهبود یافته لیزر نقطه کوانتومی تحمیل می کند. استفاده از لیزر های نقطه کوانتومی حالت برانگیخته برای مدولاسیون مستقیم سرعت بالا نشان داده شده است. مقایسه مستقیم لیزرها با استفاده از حالت پایه و برانگیخته مواد لیزری یکسان، افزایش دو برابری در پهنای باند محدود شده با فاکتور k را نشان می دهد. این مربوط به افزایش در بهره اشباع و کاهش زمان پراکنندگی حامل تراز برانگیخته در مقایسه با تراز پایه است.

لیزرهای (دیود) نیمه رسانا با پایداری دمایی، برای سیستمهای مخابرات فیبر نوری بسیار مورد نیاز هستند. پایداری دمایی زیاد در عملکرد جزو مزایای پیش بینی شده لیزرهای qd است. در این تحقیق عوامل کاهش پایداری دمایی مشخصه های لیزر را مطالعه می کنیم. با بررسی تغییرات دمای مشخصه (t0) و چگالی جریان آستانه (jth ) بر حسب سطح مقطع موثر برای فرایندهای اتلاف جذب داخلی(int?) به مطالع? اثر این تغییرات بر وابستگی دمایی لیزر نقطه کوانتومی می پردازیم. با مشاهد? نتایج شبیه سازی لیزر نقطه کوانتومی gainasp/inp می بینیم که با افزایش int?، احتمال اشغال تراز انرژی qd و زمان واهلش الکترون از ocl به qd تحت تأثیر قرار گرفته و انباشت حامل های آزاد در ocl موجب افزایش بازترکیب های غیرتابشی شده که منجر به افزایش jth و کاهش t0ocl و t0qd به طور نامطلوب شده و درنهایت باعث افزایش وابستگی دمایی لیزر نیمه رسانای نقطه کوانتومی می شود. در نظر گرفتن int? هم چنین باعث ایجاد حد بالایی برای دمای عملکرد لیزر qd و محدود کردن گستره دمایی لیزر دهی می شود.

در این تحقیق، ساختار لیزرهای نقطه کوانتومی، مشخصه ها، نواقص، و همچنین فاکتور های محدود کننده سرعت مدولاسیون بالا و تکنولوژی های کلیدی برای بهبود عملکرد آن بیان می شوند. با بررسی اثر پهن شدگی گرمایی حفره ها که ناشی از جرم موثر سنگین ، حفره ها در نوار ظرفیت لیزر های نقطه کوانتومی است ، نشان می دهیم که یکی از عوامل مهم در محدود کردن سرعت مدولاسیون لیزرهای نقطه کوانتومی ، نزدیکی بیش از اندازه تراز های حفره ها در نوار ظرفیت لیزر می باشد، که سبب تهی سازی این تراز از حفره در زمان بازترکیب حامل ها می گردد. این امر با استفاده از روش p-doping که به مفهوم تزریق حفره ی اضافی به نوار ظرفیت لیزر است، با استفاده از دو روش تزریق مدولاسیونی و تزریق مستقیم جبران می گردد. همچنین پارامتر های کلیدی ، در عملکرد سرعت بالای لیزر p-doping ingaas-inas از قبیل پهنای باند مدولاسیون ، فاکتور ارتقا پهنای خط ، ضریب فشردگی بهره ، و... شبیه سازی شده اند. همچنین نشان می دهیم که در کنار تمام مزیت های روش p-doping به عنوان یک نقص ، با افزایش آلاییدگی حفره ، اتلاف درونی لیزر نیز افزایش می یابد که در نهایت با انتخاب طول کاواک مناسب و همچنین میزان تزریق حفره ی بهینه ، می توان این اثر را نیز جبران نمود. و در نهایت یک پهنای باند مدولاسیونی در حدود 11ghz را برای طول کاواک در حدود 200µm را برای لیزر p-doping ingaas-inas بدست می آوریم. ملاحظه می کنیم که اثر p-doping برضریب فشردگی بهره، لیزر نقطه کوانتومی باعث کاهش فاکتور ارتفا پهنای خط لیزر (?) و حرکت به سمت سرعت مدولاسیون بالاتر در این لیزر ها می گردد.

در این تحقیق، دینامیک لیزرهای نقطه کوانتومی خود سامانی را ارائه می نماییم. به این منظور، مدل های گوناگونی را برای لیزرهای نقطه کوانتومی در حالت هایی با یک تراز لیزر دهنده و دو تراز لیزر دهنده ارائه نموده و معادلات آهنگ را بر اساس مدل های ارائه شده می نویسیم. معادلات آهنگ لیزر را با استفاده از دستور رانگ-کوتای مرتبه چهار در نرم افزار متلب شبیه سازی می نماییم. با حل معادلات آهنگ در لیزر نقطه کوانتومی با یک تراز لیزر دهنده، تابش لیزر نقطه کوانتومی ingaas/inas را بررسی می نماییم. به این منظور چندین زیر گروه نقطه کوانتومی، در تولید چندین مد تابشی در لیزر نقطه کوانتومی دخالت دارند. معادلات آهنگ را با مدهای تابشی مختلف ارائه می نماییم. همچنین در معادلات آهنگ، فاکتورهای مختلفی از جمله پهن شدگی همگن، پهن شدگی ناهمگن و بازده تزریق تاثیر گذار می باشند که تمام این فاکتور ها در لیزر دهی از یک تراز لیزر دهنده جهت مطالعه طیف لیزر دهی مورد استفاده قرار می گیرند. تاثیر عوامل گوناگونی مانند بهره غیر خطی و فرار گرمایی را بر توان خروجی و تاخیر زمان روشن شدن این لیزر مطالعه می نمائیم. لیزر دهی از دو تراز، در لیزرهای نقطه کوانتومی اهمیت فراوانی دارد. به این منظور، پدیده لیزر دهی دو حالتی را برای لیزر نقطه کوانتومی inas/inp ارائه نموده و با حل معادلات آهنگ، نمودار توان خروجی این لیزر را با در نظر گرفتن شرایط متفاوت بررسی می نماییم. در این مدل، تابش از دو تراز لیزر دهنده حالت پایه و تراز حالت برانگیخته را به طور جداگانه بررسی می نماییم و تاثیر عوامل مختلف مانند طول کاواک و دمای لیزر را بر جریان آستانه لیزر و سایر مشخصات توان خروجی لیزر نقطه کوانتومی مطالعه می نمائیم.

در این تحقیق، وابستگی دمای مشخصه، ماکزیمم دمای عملکرد و عمق کمینه چاه پتانسیل به پارامترهای ساختار در لیزر نقطه کوانتومی gainasp/inp در حضور اتلاف درونی وابسته به چگالی حامل بررسی شده است. اتلاف درونی در یک لیزر نیمه رسانای نقطه کوانتومی، احتمال اشغال تراز حامل محدود شده را در qdها، با چگالی حامل آزاد در موجبر جفت می کند به خاطر این جفت شدگی که توسط شرایط آستانه کنترل می شود، چگالی حامل آزاد افزایش یافته و حساسیت دمایی بیشتر می شود و هم چنین احتمال اشغال تراز حامل محدود شده، وابسته به دما می شود بنابراین دمای مشخصه یک لیزر به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. نتایج شبیه سازی لیزر نقطه کوانتومی gainasp/inp نشان می دهد که با افزایش دما اثر اتلاف درونی وابسته به چگالی حامل شدیداً آشکار می شود و در نتیجه دمای مشخصه در qd وocl کاهش می یابند. هم چنین مشاهده شده که در ماکزیمم دمای عملکرد یا وقتی که پارامترهای ساختار با مقادیر قابل قبول بحرانی شان برابرند، دمای مشخصه به صفر میل می کند. در نظر گرفتن اتلاف داخلی وابسته به چگالی حامل که باعث محدود شدن گستره دمایی لیزردهی می شود، ما می توانیم با شناخت پارامترهایی که در لیزر ایجاد وابستگی دمایی می کنند به ساختار بهینه ای برای لیزر نقطه کوانتومی gainasp/inp برسیم.

در این تحقیق، مشخصه های دینامیکی و مدولاسیون سیگنال کوچک لیزر نقطه کوانتومی inas-gaas را ارائه می نماییم. به این منظور، یک مدل دو ترازی لیزر دهنده را ارائه نموده ایم و بر اساس آن معادلات آهنگ لیزر را با استفاده از دستور رانگ-کوتای مرتبه چهار در نرم افزار متلب شبیه سازی می نماییم. این مدل دو ترازی شامل تراز حالت پایه و تراز حالت برانگیخته است. در معادلات آهنگ این لیزر، فاکتورهای مختلفی از جمله طول کاواک، زمان واهلش بین ترازی، دما، چگالی سطحی نقاط، چگالی جریان تزریقی وجود دارد که تمام این فاکتور ها در لیزردهی از هر دو تراز حالت پایه و تراز برانگیخته مورد استفاده قرار می گیرند. ما تاثیر این فاکتورها را بر توان خروجی، تاخیر زمان روشن شدن و مدولاسیون سیگنال کوچک این لیزر در هر دو تراز مطالعه می نمائیم.

در این تحقیق، مشخصه های دینامیکی لیزر نقطه کوانتومی inas/inp با واهلش آبشاری و واهلش مستقیم و همچنین مشخصه های دینامیکی و مدولاسیون سیگنال کوچک لیزر نقطه کوانتومی inas/gaas را ارائه نموده ایم. به این منظور، مدل های گوناگونی را برای لیزرهای نقطه کوانتومی در حالت هایی با یک تراز لیزر دهنده و دو تراز لیزر دهنده ارائه نموده و معادلات آهنگ را بر اساس مدل های ارائه شده نوشته و با استفاده از دستور رانگ-کوتای مرتبه چهارم در نرم افزار متلب شبیه سازی کرده ایم. لیزر دهی از دو تراز، در لیزرهای نقطه کوانتومی اهمیت فراوانی دارد. به این منظور، پدیده لیزر دهی دو حالتی را برای لیزر نقطه کوانتومی inas/inp ارائه نموده و با حل معادلات آهنگ، نمودار توان خروجی این لیزر را با در نظر گرفتن شرایط متفاوت بررسی می نماییم. در این مدل، تابش از دو تراز لیزر دهنده، تراز حالت پایه و تراز حالت برانگیخته را به طور جداگانه بررسی می نماییم و تاثیر عوامل مختلف مانند زمان واهلش حامل، فرار گرمایی حامل و دمای لیزر را بر جریان آستانه لیزر و سایر مشخصات توان خروجی لیزر نقطه کوانتومی مطالعه نموده ایم. مدل مربوط به لیزر نقطه کوانتومی inas/gaas نیز شامل تراز حالت پایه و تراز حالت برانگیخته است. در معادلات آهنگ این لیزر، فاکتورهای مختلفی از جمله طول کاواک، زمان واهلش حامل، دما، فرار گرمایی حامل و چگالی جریان تزریقی وجود دارد که تمام این فاکتور ها در لیزردهی از تراز حالت پایه مورد استفاده قرار می گیرند. تاثیر این فاکتورها بر توان خروجی، تاخیر زمان روشن شدن و مدولاسیون سیگنال کوچک این لیزر در تراز حالت پایه مطالعه شده است.

در این پایان نامه معادلات آهنگ لیزرهای نقطه کوانتومی با یک تراز لیزر دهنده و دو تراز لیزر دهنده ی inas/inp را با در نظر گرفتن جمله ی واهلش و فرار مستقیم حل کرده ایم تا اثر واهلش مستقیم را بر چگالی فوتون، توان خروجی و پاسخ مدولاسیون این لیزرها بررسی کنیم. در واهلش مستقیم، حامل ها می توانند مستقیماً از لایه ی ترکننده به تراز پایه به دام انداخته شوند، که این می تواند تأثیر بسزایی بر عملکرد لیزرهای نقطه کوانتومی داشته باشد، برای بررسی این مزایا اثر دما، چگالی نقاط کوانتومی، طول کاواک و اتلاف درونی را بر کارایی لیزرهای با واهلش مستقیم مورد مطالعه قرار داده ایم. یکی از عوامل مهم محدود کننده ی سرعت مدولاسیون لیزرهای نقطه کوانتومی، نزدیکی بیش از اندازه ی تراز های حفره ها در نوار ظرفیت لیزر می باشد، که سبب تهی سازی این تراز از حفره در زمان بازترکیب حامل ها می گردد و این اثر توسط تزریق حفره های اضافی با استفاده از p-doping جبران می شود. معادلات آهنگ لیزرهای نقطه کوانتومی چند لایه ی inas/gaas را با در نظر گرفتن حرکت حامل ها در سد پتانسیل و اثر واهلش اوژه برای همه ی مسیرهای واهلش نوشته و پاسخ مدولاسیون را به ازای افزایش غلظت آلایش و چگالی سطحی نقاط کوانتومی مورد بررسی قرار داده ایم.

حامل هایی که به تراز پایه مستقیما تونل می زنند شیب منحنی نور- جریان را بهبود می بخشند. نتایج نشان می دهد که نوسان فرکانسی و پهنای مدولاسیون در لیزردهی از تراز برانگبخته و لیزردهی به کمک تونل زنی تزریقی در مقایسه با لیزردهی معمولی خیلی بیشتر است. در هر دو حالت لیزردهی از تراز برانگبخته و لیزردهی به کمک تونل زنی تابع پاسخ مدولاسیون تقریبا مستقل از دماست اما در حالت معمولی این تابع شدیدا به دما وابسته است. در حالت های تونل زنی و تراز برانگیخته، زمان واهلش حامل-های بین ترازی اثری بر پهنای نوار مدولاسیون ندارند همچنین زمان گیر اندازی حامل ها در این دو مدل خیلی بهتر از مدل لیزردهی معمولی است. به کمک دو روش تزریق تونلی و لیزر دهی از تراز برانگیخته، اثر تنگنای فونون و توزیع حامل های داغ بهبود پیدا می کند که این موضوع موجب بهینه سازی تابع پاسخ مدولاسیون می گردد.

در این تحقیق، مشخصه های دینامیکی لیزرهای نقطه کوانتومی دو ترازی inas/inp را بطور عددی شبیه سازی می کنیم. با در نظر گرفتن پهن شدگی همگن و ناهمگن، معادلات آهنگ لیزر نقطه کوانتومی را با استفاده از روش رانگ-کوتا حل می کنیم. هم چنین نتایج عددی در تغییرات جمعیت فوتون ها و نیز تغییرات توان خروجی به ازاء پهن شدگی های غیر همگن مختلف ارائه و بررسی شده اند. اثر پهن شدگی غیر همگن در تاخیر زمان روشن شدن لیزر نیز بررسی شده است. از شبیه سازی ها مشاهده شد که افزایش پهن شدگی همگن بهره ی اپتیکی، تا جایی که پهن شدگی همگن و ناهمگن با یکدیگر برابر می شوند منجر به بهبود مشخصه های دینامیکی نور -گسیل و بهره- گسیل می گردد. افزایش پهن شدگی غیر همگن یا به عبارتی غیر یکنواختی نقاط کوانتومی، بهره ی اشباع و توان خروجی را کاهش می دهد و جریان آستانه را افزایش میدهد. نتایج محاسبات نشان می دهد که با افزایش پهن شدگی غیر همگن در تراز gs دامنه ی پیک افزایش و پهنای نوار پاسخ کاهش می یابد ولی در تراز es با افزایش پهن شدگی غیر همگن، پهنای نوار پاسخ و فرکانس تشدید افزایش می یابد. . توان خروجی را می توان با استفاده از افزایش تعداد آرایه های نقاط کوانتومی یا آرایه نقاط چگال تر در ناحیه فعال، افزایش داد. چون افزایش در تعداد آرایه ها منجر به افزایش جریان آستانه نیز میشود، لذا باید تعداد آرایه بهینه باشد که جریان آستانه مینیمم را تضمین کند. بعلاوه از شبیه سازی دیده می شود با افرایش تعداد آرایه های نقاط کوانتومی توان خروجی در ترازهای gs و es به شدت افزایش یافته ولی بهره اپتیکی در این تراز ها به وضوح افت می کند. با افزایش تعداد آرایه های نقاط کوانتومی می توان با کوچک شدن jitter باز شدگی eye را واضح کرد.

در این تحقیق، مشخصه های لیزر نیمه رسانای نقطه کوانتومی سه ترازی ingaas/gaas را برای بهبود عملکرد آن بیان می کنیم. با بررسی اثر ضریب فشردگی بهره، نشان می دهیم که این فاکتور یکی از عوامل مهم در مدولاسیون سیگنال کوچک و سیگنال بزرگ لیزر سه ترازی ingaas/gaas می باشد. هم چنین با بررسی اثر تعداد نقاط کوانتومی وشبیه سازی مشخصه های مختلف مثل توان خروجی ، بهره اپتیکی، تابع پاسخ فرکانسی نتایجی برای بهینه سازی این لیزر به دست می اوریم. همچنین پارامتر های کلیدی، در عملکرد بهتر لیزر ingaas/gaas از قبیل پهنای باند مدولاسیون شبیه سازی شده اند. و در نهایت یک پهنای باند مدولاسیونی در حدود 7 ghz، برای طول کاواک در حدود 800µm را برای لیزر نیمه رسانای نقطه کوانتومی سه ترازی ingaas/inas بدست می آوریم. تاثیر فشردگی بهره بر مشخصه های پایه و پاسخ فرکانسی مدولاسیون سیگنال کوچک و همچنین مشخصه ی سیگنال بزرگ را بررسی کردیم و دیدیم که افزایش فشردگی بهره منجر به کم شدن چگالی فوتون و توان خروجی و افزایش بهره ی اپتیکی می شود. همچنین افزایش این فاکتور پهنای نوار پاسخ فرکانسی مدولاسیون سیگنال کوچک را کاهش می دهد و منجر به کاهش نوسانات واهلشی در مدولاسیون سیگنال بزرگ می شود. تاثیر تعداد نقاط کوانتومی بر مشخصه های پایه و پاسخ فرکانسی مدولاسیون سیگنال کوچک را بررسی کردیم و دیدیم که افزایش تعداد نقاط کوانتومی منجر به افزایش توان خروجی، جریان آستانه لیزردهی و بهره ی اپتیکی می شود. همچنین پاسخ فرکانسی مدولاسیون سیگنال کوچک با افزایش تعداد نقاط کوانتومی کاهش می یابد. لذا باید تعداد تقاط کوانتومی بهینه باشد تا ضمن ارتقا مشخصه های لیزر نقطه کوانتومی، جریان آستانه بهینه شود.

در این پایان نامه، ما مشخصه های دینامیکی و سیگنال کوچک و بزرگ لیزرهای نقطه کوانتومی را شبیه سازی می کنیم، با فرض این که درون نقطه کوانتومی فقط یک تک تراز پایه الکترون و حفره وجود دارد. دو مسئله مهم برای درک موفقیت آمیز از لیزرهای نقطه کوانتومی وجود دارد. اول نوسانات اندازه در مجموعه نقاط کوانتومی است که عمدتا باعث پهن شدگی غیرهمگنمی شود. برهم کنش حامل – حامل و حامل – فونون موجب پهن شدگی همگن می شود. و دیگری که اغلب مسئله تنگنای فونون نامیده می شود، تزریق حامل ها به ترازهای مقید انرژی دات ها صورت می گیرد و پژوهش ما در این پایان نامه بررسی اثر تنگنای فونون بر عملکرد لیزرهای نقطه کوانتومی است. مبنای کار ما استفاده از معادلات آهنگ یک سیستم دو ترازی است که از دو تراز انرژی gsو es تشکیل شده است. پارامتر ?_0زمان واهلش بین gs و es را نشان می دهد. زیاد شدن ?_0موجب بروز تنگنای فونون می شود. با در نظر گرفتن اثر تنگنای فونون، معادلات آهنگ لیزر نقطه کوانتومی را با استفاده از روش رانگ- کوتا حل می کنیم و تاثیرات آن را بر عملکرد لیزرهای نقطه کوانتومی و پهنای باند مدولاسیون نشان می دهیم.

در این پایان نامه، مشخصه های دینامیکی و مشخصه های مدولاسیون لیزرهای نقطه کوانتومی با دو تراز لیزر دهنده را مورد مطالعه و بررسی قرار می دهیم. برای این منظور، به ارائه ی مدلهای لیزرهای نقطه کوانتومی در حالت هایی با دو تراز لیزر دهنده پرداخته و معادلات آهنگ را بر اساس مدل های ارائه شده نوشته، و با استفاده از دستور رانگ-کوتای مرتبه چهار در نرم افزار متلب شبیه سازی می نماییم. مبنای کار ما استفاده از معادلات آهنگ یک سیستم دو ترازی است که از یک تراز پایه و یک تراز برانگیخته تشکیل شده است. در شبیه سازی ها اثر پارامترهایی همچون طول کاواک، دما، پهن شدگی همگن و تراکم بهره را بر روی مشخصه های چگالی فوتون، توان خروجی و پاسخ فرکانس سیگنال کوچک و سیگنال بزرگ لیزر نقطه کوانتومی را مورد بررسی قرار می دهیم.

برخی مشخصه های دینامیکی لیزر نقطه کوآنتومی با سه تراز انرِژی گسسته و یک تراز انرژی پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. اثر برخی پارامترها بر روی این مشخصات بررسی شده است.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.

چکیده ندارد.