مدلسازی و آنالیز لیزر با تابش عمودی (vcsel) با ساختار نقطه کوانتمی

در این رساله مدل جامع نوری-الکتریکی و حرارتی ارائه کردیم که در این مدل پروفایل گین نیز به ظور کامل تعریف شده است. پارامترهای مختلف عملکرد لیزر، مانند زمان واهلش حاملها از ترازهای بالاتر به تراز پایه، زمان فرار حاملها به خارج از نقطه کوانتمی و ترازهای بالاتر داخل خود نقطه کوانتمی، زمان تابش حرارتی و پهن شدگی همگن نقاط کوانتمی، همگی وابسته به دما بودند. در نتیجه با حل معادله حرارتی و تعیین دما در ناحیه فعال لیزر همه پارامترها تعیین شده و اثر گرم شدن خودبه خودی را در عملکرد لیزر منظور نمودیم. در نهایت از یک روش خودسازگار برای حل معادلات استفاده کردیم. نتایج نشان می دهد که با افزایش تعداد لایه های نقطه کوانتمی پیک گین افزایش پیدا کرده و منجر به کاهش f_th=g_th?g_max می گردد. با کم شدن fth چگالی جریان آستانه به ازای هر لایه افزایش می یابد. با این وجود برای داشتن کمترین چگالی جریان آستانه مجاز به افزایش تعداد لایه-های نقطه کوانتمی بیشتر از 10 لایه نیستیم چرا که زمانیکه تعداد لایه ها از 10 بیشتر می گردد در کل چگالی جریان آستانه بیشتر می شود. با توجه به توضیحات داده شده در تمامی مراحل بعدی تعداد لایه های نقطه کوانتمی را 10 لحاظ کرده ایم. از طرفی با افزایش پهن شدگی غیرهمگن نقاط کوانتمی نیز چگالی جریان آستانه افزایش می یابد. همچنین افزایش دما، که در ملاحظات به کار رفته منجر به افزایش پهن شدگی همگن می شود، باعث افزایش چگالی جریان آستانه لیزر می گردد. معادلات نرخ حامل و فوتون را به صورت کوپل با معادلات حرارتی حل کردیم و احتمال حضور حاملها و بازدهی کوانتمی ساختار را بر حسب چگالی جریان ورودی لیزر نشان دادیم. یکی از نکات قابل توجه محدودشدگی بیشتر الکترون ها نسبت به حفره ها است. در حقیقت به دلیل کوچکتر بودن سد موثر انرژی حفره ها نسبت به الکترون ها، زمان تابش حرارتی حفره ها کوچکتر بوده و منجر به محدودشدگی کمتر حفره ها و در نتیجه کمتر بودن بازدهی کوانتمی آنها می شود. با حل نمودن معادلات حرارتی نشان دادیم چگالی جریان ورودی بیشتر لیزر منجر به افزایش دما در ناحیه فعال شده و در نتیجه باعث افزایش پهن شدگی همگن در ناحیه فعال لیزر می گردد. طیف خروجی لیزر را نیز در طول ناحیه فعال لیزر نشان دادیم و مشاهده کردیم که در زیر روزنه اکسیدی طیف خروجی یکنواخت بوده و با نزدیک شدن به مرزهای ناحیه فعال ماکزیمم طیف رو به کاهش است. از طرفی مشاهده کردیم که به ازای جریان 8 برابر چگالی جریان آستانه پدیده rollover حرارتی رخ می دهد. علت اصلی، وجود پدیده خودگرمایی در ساختار است بطوریکه به ازای جریان های بیشتر از 8 برابر چگالی جریان آستانه دما در ناحیه فعال لیزر به شدت افزایش یافته و منجر به کاهش بازدهی کوانتمی و در نتیجه توان خروجی می گردد. در این پایان نامه تاثیر روزنه اکسیدی را مورد بررسی قرار دادیم و از نتایج اینگونه برمی آید که عوامل مختلف مانند بازدهی کوانتمی، رسانایی حرارتی و ولتاژ در مرکز ناحیه فعال لیزر تحت تاثیر شعاع روزنه اکسیدی تغییر کرده و منجر به تغییر دما در ناحیه فعال لیزر می گردند. در نهایت با توجه به وابستگی دمای ناحیه فعال و چگالی جریان آستانه لیزر به شعاع روزنه اکسیدی به این نتیجه رسیدیم که برای بهره مندی از بیشترین توان خروجی برابر با 5/3 میلی وات باید شعاع روزنه اکسیدی را یک مقدار بهینه در نظر بگیریم. از دیگر عوامل موثر بر عملکرد لیزر پهن شدگی غیرهمگن ساختار است. در این رساله نشان دادیم افزایش پهن شدگی غیرهمگن منجر به پهن شدن طیف بهره می گردد. از طرفی نشان دادیم که با افزایش چگالی جریان ورودی و در نتیجه دما و پهن شدگی همگن نقاط کوانتمی، و نزدیک شدن مقادیر پهن شدگی همگن و غیرهمگن به یکدیگر نقاط کوانتمی مختلف بیشتر با یکدیگر مرتبط شده و در نتیجه لیزش دسته جمعی نقاط کوانتمی رخ می دهد و در نتیجه طیف لیزش باریک تر می شود. در نهایت وابستگی پاسخ مدولاسیون لیزر به پارامترهای مختلف را مورد بررسی قرار دادیم. نشان دادیم که با افزایش پهن شدگی غیرهمگن پهنای باند لیزر به صورت خطی کاهش می یابد. از دیگر عوامل موثر چگالی سطحی نقاط کوانتمی است بطوریکه پهنای باند لیزر با کاهش چگالی سطحی نقاط کوانتمی افزایش می یابد. از دیگر عوامل موثر بر پهنای باند لیزر چگالی جریان ورودی است. در این رساله پدیدهrollover فرکانسی که تحت تاثیر اثر خودگرمایی است برای اولین بار نشان دادیم که با نتایج به دست آمده از مقاله های آزمایشگاهی معتبر از مطابقت بالایی برخوردار است.