چاه های کوانتومی لایه هایی نانومتری هستند که حضور آنها در ناحیه ذاتی پیوند pin یک سلول خورشیدی چاه کوانتومی(qwsc)، پاسخ طیفی سلول را در طول موج های بالا بهبود داده و در نتیجه جریان اتصال کوتاه را افزایش می دهند. در تحقیقاتی که تا کنون گزارش شده است، نشان داده شده که در سلول های خورشیدی چاه کوانتومی متقارن، یعنی سلول هایی با توزیع یکنواختی از چاه ها، بازدهی نسبت به سلول pin افزایش می یابد. هدف از این پایان نامه بررسی اثر عدم تقارن چاه های کوانتومی و توزیع نایکنواخت آنها بر بازدهی سلول خورشیدی است. برای رسیدن به این هدف یک سلول چاه کوانتومی بر مبنای algaas ،که ناحیه ذاتی آن از لایه های نانومتری alxga1–xas/alyga1–yas تشکیل شده، مدل سازی شده است. دراین مدل همواره شرط 0?y<x?0.35 برقرار است. یعنی، x بیانگر ضریب مولی آلومینیوم در دیواره های چاه ها و y نمایشگر آن ضریب در کف چاه ها است. این مدل برای محاسبه پاسخ فرکانسی و جریان تاریکی سلول است. جریان مدار بسته آن نیز از روی پاسخ فرکانسی محاسبه می شود. برنامه کامپیوتری نوشته شده قابلیت حل معادله شرودینگر یک بعدی برای تعیین ترازهای انرژی چاه کوانتومی و همچنین محاسبه ضریب جذب چاه کوانتومی با در نظر گرفتن اثر اکسایتونی و میدان الکتریکی را داراست. ورودی های برنامه عبارتند از: عرض و تراکم ناخالصی سه ناحیه اصلی پیوند pin (یعنی ناحیه p، i و n)، تعداد چاه-های کوانتومی در ناحیه ذاتی، عرض و عمق هر چاه در ناحیه ذاتی، ضریب بازترکیب تابشی و غیرتابشی در ناحیه تهی و سرعت بازترکیب سطحی در فصل مشترک چاه و دیواره. با استفاده از این مدل انواع ساختارهای نامتقارن بررسی شده است. این ساختارها ازچاه هایی با پهناها و ارتفاع های متفاوت با توزیع نایکنواخت تشکیل شده اند. با تغییر دادن عرض ها یا عمق های چاه ها به طور مجزا یا همزمان، نشانی از افزایش بازدهی نسبت به سلول چاه کوانتومی معمولی با توزیع یکنواخت از چاه ها دیده نشد. در هرحال دراین پایان نامه نشان داده شده است که افزایش عرض و عمق چاه ها باعث افزایش بازدهی سلول pin می شود.

در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی یک فیلتر جداکننده ی کانال سه درگاهی تنظیم پذیر، بر پایه کریستال های فوتونی حفره ای با شبکه مثلثی بر روی بستر سیلیکون ارائه می شود. ساختار فیلتر مذکور از دو کاواک جفت شده به دو موجبر تشکیل می شود. هر کاواک با افزایش شعاع یک حفره ایجاد می شود. وجود خطای اجتناب ناپذیر در فرایند ساخت فیلتر و تعبیه حفره های کریستال فوتونی باعث می شود تا اندازه ی واقعی شعاع کاواک ها نسبت به طراحی حدود 10%، متفاوت باشد. این خطای اجتناب ناپذیر باعث افت شدید بازده فیلتر می شود. در نتیجه طول موج خروجی از طول موج مطلوب متفاوت خواهد بود. در این پایان نامه نشان می دهیم که با بکارگیری روش تزریق سیال نوری در داخل کاواک ها می توان اثر خطای پیش گفته را جبران کرد و بازده فیلتر را تا 100% افزایش داد. در واقع تنظیم پذیری این فیلترها با تغییر جنس سیال نوری میسر می شود. با تغییر دادن جنس سیال درون کاواک ها می توان طول موج خروجی را تغییر داد. با انتخاب یک ثابت شبکه برابر با nm375a=، گستره ی تنظیم پذیری این ساختار در بازه ی طول موج های nm1500 تا nm1600 خواهد بود. برای افزایش بازده فلیتر تا حدود 100%، در هر طول موج، در تعداد محدودی از حفره های کنار دیواره ی موجبر گذرگاه، سیالی با ضریب شکست معین ولی متفاوت با سیال تزریق شده در درون کاواک ها تزریق می شود.

شبه کریستال های فوتونیکی با توجه به ویژگی های برجسته ای که در زمینه کنترل نور داشته اند، در چند دهه اخیر مورد توجه محققان در رشته فیزیک و مهندسی فوتونیک، بوده است. این ساختارها ویژگی ها و خواص مشابه و البته بهتری از کریستال های فوتونیکی به نمایش می گذارند، که ناشی از درجه آزادی بیشتری است که در ساختارهای غیرپریودیک نهفته است. از جمله مشخصات مهم و بارز این ساختارها، شکاف باند فوتونیکی کامل و ایزوترپ برای ساختارهائی با اختلاف دی الکتریک پایین است، که ناشی از تقارن دورانی بسیار بالای این ساختارها می باشد. برای تعیین مشخصه هائی که برای توصیف انتشار نور به کار می رود، تاکنون از روش های آنالیز عددی برای مدل سازی و تحلیل ساختارهای شبه کریستال فوتونیکی استفاده نموده اند. در صورتی که بر این باوریم که مطالعه تحلیلی بر مبنای اعمال برخی تقریب ها، برای ارزیابی خواص نوری این ساختارها کارآمدتر است. یکی از اهداف این پایان نامه، استخراج ساختار باند و پروفایل توزیع میدان الکترومغناطیسی در ساختارهای شبه کریستال فوتونیکی، با استفاده از روش معروف و شناخته شده تئوری اختلال است، که تا بحال برای استخراج مشخصه های شبه کریستال فوتونیکی، مطالعه ای مبتنی بر این روش صورت نپذیرفته است. برای دستیابی به این هدف، ثابت دی الکتریک را برای چنین ساختارهائی به صورت ریاضی مدل سازی نموده و مفهوم مشابهی با منطقه بریلیون را برای این ساختارها، با عنوان منطقه شبه- بریلیون معرفی خواهیم نمود و نهایتاً با استفاده از روش تحلیلی تئوری اختلال، ساختار باند و پروفایل میدان متناظر با ساختار باند که حاوی تمام اطلاعات مورد نیاز برای طراحی مدارات مجتمع نوری بر اساس چنین ساختارهائی است، بدست خواهد آمد. نشان داده خواهد شد که خطای ایجاد شده به خاطر اعمال تقریب ناشی از تئوری اختلال در مقایسه با روش دقیق fdtd، در حدود 2-3% می باشد. همچنین مشخص خواهیم نمود، چگونه ساختار باند فوتونیکی و شکاف باند متناظرش با تغییرات اختلاف دی الکتریک، متأثر خواهد شد. بررسی تحقیقات انجام یافته نشان می دهد که در زمینه توسعه ادوات فوتونیکی جدید، مطالعات چشمگیری در یافتن روشی برای کنترل ویژگی های شبه کریستال های فوتونیکی، صورت پذیرفته است. در این راستا، ساختارهای ناهمگون مبتنی بر شبه کریستال های فوتونیکی، نویدبخشی برای تبدیل شبه کریستال های فوتونیکی به ادوات کاربردی می باشند. ساختارهای ناهمگون مبتنی بر شبه کریستال فوتونیکی، از ترکیب حداقل دو نوع ساختار که دارای ساختار باندی متفاوتی می باشند، ساخته شده اند. یکی از روش های مدل سازی ساختارهای ناهمگون کریستال فوتونیکی، بر اساس روش تحلیلی تقریب پوش می باشد. در این پایان نامه مشابه روش بکار رفته برای ساختارهای ناهمگون کریستال فوتونیکی، از روش تقریب پوش برای تحلیل و مدل سازی ساختارهای ناهمگون مبتنی بر شبه کریستال فوتونیکی استفاده خواهیم نمود. با معلوم بودن ساختار باند و پروفایل مدهای ساختار شبه کریستال فوتونیکی، می توان با استفاده از معادله تقریب پوش، پارامتری مشابه جرم موثر در نیمه هادی ها، را برای شبه کریستال فوتونیکی محاسبه نمود و سپس به جای ساختار ماده همگنی با جرم موثر محاسبه شده جایگزین نمود و با استفاده از روش تقریب پوش مشخصات ساختارهای ناهمگون پیچیده تر را محاسبه نمود. تاکنون از این روش برای استخراج خواص نوری ساختارهای ناهمگون مبتنی بر شبه کریستال فوتونیکی استفاده نشده است و برای اولین بار در این پایان نامه مورد مطالعه و بررسی قرار خواهد گرفت. به عنوان کاربردی از روش ارائه شده، موجبر نوری مبتنی بر شبه کریستال فوتونیکی در نظر گرفته خواهد شد. هدفمان این است که خواص نوری موجبر مبتنی بر شبه کریستال فوتونیکی را به مشخصه پاشیدگی ساختارهای سازنده موجبر مرتبط سازیم. برای نیل به این مقصود، تکنیک تقریب پوش به ساختار اعمال می شود و فرکانس های مجاز برای هدایت و پوش میدان را بدست می آید. نشان داده خواهد شد که مدهای مجاز برای هدایت حتی در حالتی که ضریب شکست موثر هسته کوچکتر از پوسته است، مشابه موجبرهای کریستال فوتونیکی، وجود خواهد داشت.

هدف اصلی این پروژه بررسی ساختارهای فرامواد جهت دستیابی به ساختاری نوین با خاصیت فرا ماده در فرکانس های نوری است. در این راستا، ابتدا به بررسی آن دسته از ساختارهای دست ساز برای حوزه ی فرکانسی ریز موج می پردازیم. آنگاه، بر اساس دو مشخصه ی بنیادین یعنی گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی مواد، دلایل فیزیکی منفی شدن ضریب شکست آن ها را بیان می کنیم. سپس، با مرور بر نانو ساختارهایی که خاصیت فراماده ای آن ها در حوزه ی طول موج های فروسرخ و مرئی پدیدار می شود، اصول فیزیکی و روابط حاکم بر آن ها را بررسی می کنیم. در انتها، بر اساس استدلال های فیزیکی و نانوساختارهای پیش گفته، نانو ساختار جدیدی با ضریب شکست منفی (خاصیت فراماده ای) در حوزه ی فروسرخ را پیشنهاد می کنیم. برای محقق ساختن اهداف این پایان نامه، از روش عددی تفاضل متناهی در حوزه زمان، بر مبنای مدل درود، برای حل معادلات ماکسول بهره می گیریم.

هدف از انجام این تحقیق، مدلسازی و طراحی لیزر کوانتومی آبشاری در گستره مادون قرمز دور (تراهرتز) است. در این لیزرها، فوتونها از طریق گذار میان زیرنوارها گسیل می شوند، این زیرنوارها همگی در نوار هدایت قرار گرفته اند. انتخاب طول موج فوتون با مهندسی پهنای چاه ها و سدها در ساختارهای ناهمگون با چند چاه کوانتومی صورت می گیرد. یکی از چالش های عمده بر سر راه این قبیل لیزرها حصول وارونگی جمعیت میان ترازهای انرژی با فاصله ی حدود ???4-40 mev در دمای بالا است. زیرا دراین گونه دماها فونونهای نوری طولی به وفور در محیط یافت می شوند. این فونون ها باعث پراکنده شدن الکترون های تراز بالایی لیزر شده، از طول عمر این تراز می کاهند. این رو حفظ وارونگی جمعیت در دماهای بالا میسر نمی شود. در این رساله، ابتدا تئوری حاکم بر لیزرهای کوانتومی آبشاری تراهرتز و تحلیل ریزش جمعیت حامل دراثر برهم کنش با فونون های نوری طولی در سامانه های gaas/algaas ارائه می شود. سپس با استفاده از حل توام معادله های شرودینگر و پواسن، به روش خودسازگار، توابع موج و ترازهای انرژی لیزر بدست می آید. در ادامه، عوامل مهم موثر در عملکرد لیزر از قبیل، چگالی فوتون های همدوس تولید شده، طیف بهره، و پاسخ مدولاسیون دینامیکی لیزر با دو روش معادلات دقیق نرخ و ماتریس چگالی تحلیل و زمان های گسیل القایی به ازای جریان های مختلف و همچنین پاسخ حالت پایدار لیزر محاسبه می شود. سپس، با تحلیل جریان تونل زنی تشدیدی از سدهای ساختار، تاثیر همدوسی و ناهمدوسی جفت شدگی ترازهای لیزر با دیگر ترازها بر روی ترابرد حامل ها، فرکانس نوسان رابی و واهلش همدوسی بررسی می شود. آنگاه با تحلیل جریان پارازیتی، نشان داده می شود که اثر آن بر روی لیزرهای تراهرتز و همچنین اثر میدان فوتون های تولید شده بر روی طیف بهره خروجی حائز اهمیت است. از این رو، با جفت کردن معادله نرخ فوتون با ماتریس چگالی، اثرهای جفت شدگی های پارازیتی و همچنین میدان حاصل از فوتون های تولید شده، در مدل سازی لحاظ می شود. درپایان، برای کاهش اثر جفت شدگی پارازیتی و همچنین کاهش پهنای خط (fwhm) طیف بهره، با اصلاح ساختار موفقی که قبلاً برای کار در فرکانس 4thz توسط دیگران ارائه شده بود، ساختار جدیدی طراحی می شود که در فرکانس 4.1thz لیز می کند. شبیه سازی ها نشان می دهد که در مقایسه با ساختار مبنا، در طرح جدید جفت شدگی پارازیتی و پهنای خط طیف بهره هر دو بیش از 50% کاهش یافته اند، درحالی که بیشینه بهره آن حدود 3/23 درصد افزایش یافته است.

در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی سوییچ تمام نوری ماخ زندر مبتنی بر کریستال های فوتونی با روش تزریق سیال نوری ارائه شده است. برای طراحی این سوییچ برای ایجاد شیفت فازاز اثرات غیر خطی در یک بازوی ماخ زندر بهره گرفته شده است. برای افزایش این اثر که موجب کوچک شدن اندازه ی قطعه و پایین آمدن توان مورد نیاز برای اعمال آن می شود، ساختار نور کند طراحی شده است. ساختارهای نور کند با کم کردن سرعت گروه نور باعث افزایش برهم کنش نور با محیط اطراف شده و تاثیر اثرات غیر خطی را بیشتر می کنند. افزایش اثرات غیر خطی تاثی مخربی بر روی پاشندگی نور عبوری از موج بر خواهند داشت بنابراین در اینجا علاوه بر کند کردن سرعت گروه نور، مهندسی پاشندگی نیز در بازوها صورت گرفته است. از آنجایی که از خمش های°60 برای طراحی این سوییچ استفاده ی زیادی می شود تلفات توان بسیار بالا خواهد بود. برای کم کردن این تلفات و افزایش پهنای باند در موج برهای خمیده نیز ساختارجدیدی ارائه شده است. لازم به ذکر است در این طراحی برای اجتناب از خطای فرایند ساخت قطعه که اجتناب ناپذیر می باشد در تمام مراحل مانند طراحی خم بهینه، طراحی ساختار نورکند و مهندسی پاشندگی در بازوهای سوییچ از تزریق انتخابی سیال نوری استفاده شده است. طراحی این سوییچ در یک فوتونیک کریستال با شبکه ی مثلثی صورت گرفته است. این شبکه دارای دوره تناوب nm420a= و a3/0 r= است. سرعت گروه نور در این بازوهای این سوییچ تا 6/16/c کاهش یافته و پاشندگی بسیار ناچیز نیز در این سرعت گروه بدست آمده است. در موج برهای خمیده ی این سوییچ نیز پهنای باند با استفاده از اثرات غیر خطی تا nm 142افزایش یافته است. سرعت این سوییچ برابر ghz 25 است که در مقایسه با سوییچ های الکترو نوری و گرما نوری دارای سرعت بالاتری است.

در این پایان نامه رژیم نور کند در موجبرهای بلور فوتونی بر پایه سیلیکون کارباید (sic)، برای اولین بار ارائه می شود. کند بودن سرعت گروه نور در این گونه ساختارها باعث افزایش برهم کنش نور با محیط اطراف می شود. به طور معمول ، رژیم نور کند با پاشندگی سرعت گروه زیاد همراه است. برای دستیابی به نور کند همراه با پاشندگی سرعت گروه پایین، با استفاده از روش تزریق سیال های نوری در حفره های هوا پاشندگی در موجبر بلور فوتونی ایجاد شده در بستر sic مهندسی شد. برای انجام این کار، تبعیت ضریب دی الکتریک sic از فرکانس با مدل نوسانگرهای هماهنگ در نظر گرفته شد. ابتدا یک موجبر w1 بر پایه بلور فوتونی دوبعدی با شبکه مثلثی متشکل از حفره های هوا در بستر sic با ثابت شبکه و شعاع در نظر گرفته شد. نشان داده ایم که با تزریق سیال نوری در دو ردیف از حفره های مجاور موجبر در هر طرف می توان سرعت نور در این گونه موجبرها را تا 473 مرتبه کاهش داد، در حالی که پاشندگی سرعت گروه ناچیز است. در ادامه برای افزایش پهنای باند هموار در گستره نور کند رهیافتی ارائه شده است. بخش دیگری از این پایان نامه، به بلورهای فوتونی فلزی اختصاص دارد. در مقایسه با دی الکتریک ها، فلزات به شدت پاشنده اند و ضریب شکست آن ها وابستگی زیادی به فرکانس نور فرودی دارد. برای لحاظ کردن نفوذپذیری الکتریکی فلزات در شبیه سازی های عددی از مدل نوسانگرهای هماهنگ استفاده شده است. در پایان خواص پاشنده بلورهای فوتونی دوبعدی با شبکه مربعی بر پایه میله های فلزی در هوا با ثابت شبکه های a=20-500 nm و شعاع های r=0.1a -0.4a شبیه سازی شده است. در این بررسی خواص نوری بلورهای فوتونی بر پایه یازده فلز (شامل فلزات نجیب و واسط) در گستره وسیعی از فرکانس (از فروسرخ تا فرابنفش) ارائه شده است.

در این پایان نامه به بررسی فرامواد به عنوان موادی مصنوعی با ویژگی هایی ممتاز و منحصر به فرد که در طبیعت یافت نمی شود، می پردازیم. مفاهیم پایه و ویژگی های انتقال امواج الکترومغناطیس در فرامواد را مورد مطالعه قرار داده و مواد با گذردهی الکتریکی منفی و نفوذپذیری مغناطیسی منفی را به عنوان اجزای تشکیل دهنده فرامواد با ضریب شکست منفی بررسی می کنیم. سپس فراماده تشدیدگر حلقوی شکاف دار را به عنوان ساختاری متداول در طراحی فرامواد مغناطیسی به تفصیل شرح داده و به کمک شیبه سازی در نرم افزار ansoft hfss تأثیر پارامترهای هندسی تشدیدگر حلقوی را برجابه جایی فرکانس تشدید آن بررسی می نماییم. در این تحقیق برای اولین بار فرامواد مغناطیسی با دو بستر دی الکتریک را بررسی کرده و با استفاده از مدل بیلاتی و مدل گئورگین برای محاسبه ی خازن مسطح چندلایه روابط تحلیلی برای فرامواد مغناطیسی تشدیدگر حلقوی شکاف دار و تشدیدگر مارپیچ با دو بستر دی الکتریک در بالا و پایین ساختار ارائه می دهیم. به منظور بررسی صحت مدل ارائه شده آن را با نتایج حاصل از شبیه سازی ساختارها در نرم افزار hfss مقایسه می کنیم. بیشینه خطای مدل تحلیلی برای فراماده تشدیدگر حلقوی 4% و برای فراماده تشدیدگر مارپیچ 85/2% به دست می آید. در هر دوحالت رابطه ی فرکانس تشدید برحسب ثابت دی الکتریک بستر دوم را به دست می آوریم. یک نمونه کاربردی برای فراماده مغناطیسی با دو بستر دی الکتریک را به عنوان حسگر رطوبت خاک بررسی کرده و با مدل ارائه شده رفتار این حسگر را تحلیل می کنیم. همچنین حالتی که بستر دی الکتریک دوم در زیر تشدیدگر و بستر دی الکتریک اول باشد را بررسی می کنیم و با استفاده از تکنیک pcm روابط تحلیلی مدل بیلاتی را برای دو بستر دی الکتریک اصلاح می کنیم. در این حالت نتایج روابط تحلیلی تطبیق خوبی را با نتایج شبیه سازی عددی داشته و بیشینه خطایی در حدود 2/1% را نشان می دهد.

یکی از محدودیت های اساسی در مینیاتورسازی ترانزیستورها، محدود بودن شیب زیر آستانه ی آن ها به 60mv/dec در دمای اتاق است. آی-ماس (i-mos) که مبتنی بر یونیزاسیون برخوردی است، این محدودیت را به حدود5mv/dec کاهش داده است. آی-ماس یک نانوترانزیستور با ساختار p-i-n دارای گیت است. گیت، بخشی از ناحیه ی ذاتی(i) واقع شده در میان سورس p یا n و درین n یا p را می پوشاند. ساز و کار تزریق حامل در این افزاره بر اساس یونیزاسیون برخوردی در ناحیه ی ذاتی است. با توجه به ابعاد بسیار کوچک این ساختار، ولتاژ شکست و پدیده ی تونل زنی نوار به نوار چالش های اساسی در آی- ماس به حساب می آیند. در این پایان نامه ساختاری برای آی-ماس ارائه شده است که هم ولتاژ شکست و هم تونل زنی نوار به نوار را کاهش می دهد. در این ساختار با طول گیت 50nm، از رهیافت مهندسی ساختار نوار انرژی میان سورس از جنس si و درین ازجنس si0.5ge0.5 با دو گاف انرژی متفاوت استفاده شده است. آن بخش از کانال (ناحیه ذاتی) که با گیت پوشش یافته است از جنس درین است. بخشی که زیر پوشش گیت نیست مهمترین قسمت کانال است و طراحی آن به گونه ای است که با حرکت به سمت سورس به تدریج جنس کانال از si0.5ge0.5 به siتغییر می یابد. بدین صورت با دور شدن از لبه ی گیت به سمت سورس گاف انرژی دراین بخش از کانال به تدریج بزرگ می شود. به این ترتیب می توان هم نرخ تولید ناشی از یونیزاسیون برخوردی و هم احتمال تونل زنی نوار به نوار را به نحو دلخواه کنترل کرد. از یک طرف حامل هایی که در کانال از سمت سورس به لبه ی گیت نزدیک می شوند با میدان بزرگتری (نسبت به میدان در کانال یک پارچه ی si0.5ge0.5) روبرو شده به ازای ولتاژ درین-سورس کوچکتری (به اندازه 0.3v) تکثیر می شوند. ازطرف دیگر، با توجه به بزرگتر شدن گاف در سمت سورس نسبت به گاف در سمت درین، احتمال تونل زنی نوار به نوار در این افزاره نسبت به آی ماس یک پارچه ی si0.5ge0.5 کاهش می یابد. در نتیجه دست یابی به نسبت جریان روشن به جریان خاموش و همچنین شیب زیر آستانه کوچکتر (3mv/dec) میسر می شود.

در این پژوهش به بررسی رفتار نوسانی سالیتون مکانی نوری در ساختارهایی با پتانسیل مختلط (با توزیع scarf ii) که دارای شرط تقارن مکان-زمان (pt) است، پرداخته می شود. بدین منظور، ابتدا با استفاده از ساختار نوار موجبر با روش فلاکت بلاخ آستانه ی قسمت موهومی ضریب شکست در این موجبر به دست آورده می شود. لازم به یاد آوری است، چنانچه مقدار بخش موهومی از این مقدار آستانه بیشتر شود گذار فاز رخ می دهد و طیف انرژی مختلط خواهد شد. سپس با حل عددی معادله شرودینگر غیر خطی در این موجبر، به بررسی تاثیر شکل توزیع ضریب شکست موجبر بر فاز نور ورودی پرداخته و با استفاده از روش تبدیل فوریه با گام های مجزا (ssfm) رفتار نوسانی نور در موجبر حقیقی و مختلط scarf ii شبیه سازی می شود. سپس عوامل موثر بر رفتار نور همچون اندازه ی تیزی نور ورودی و مکان ورود نور بر رفتار نوسانی بررسی و نحوه ی تغییر رفتار نور در حین انتشار مطالعه می شود. دراین پایان نامه نشان داده شده است، برخلاف رفتار سالیتون مکانی در درون سلول های حقیقی، حتی هنگامی که نور به طور عمود بر مرکز تقارن سلول pt فرود آمده وارد آن شود در حین انتشار رفتار نوسانی از خود نشان خواهد داد. اما اگر سالیتون ورودی از یک حد معین تیزتر باشد در هنگام ورود در مرکز تقارن به دام افتاده و نوسان نخواهد کرد. دراین صورت رفتار سالیتون را می توان با پاسخ حالت پایدار معادله شرودینگر غیر خطی نیز توصیف کرد. یکی از ویژگی های بارز ساختارهای متقارن pt انتشار وارون ناپذیر نور در آن هاست. در این پایان نامه، برای اولین بار این خاصیت وارون ناپذیری در یک سلول متقارن pt با رفتار نوسانی نور به تصویر کشیده می شود.در پایان، با بهره گیری از اثر وارون ناپذیری، ایزولاتوری با طولmm 6 و عرض m? 20، برای مود اصلی نور ورودی با پهنای m? 4 در طول موج m? 55/1 طراحی شده است.

دراین تحقیق به مدل سازی و شبیه سازی بلور های فوتونی برپایه ی نانولوله های کربنی چند دیواره می پردازیم. برای گذردهی نانولوله ها در قطبش مغناطیسی (میدان الکتریکی عمود بر محور نانولوله ها) یک مدل فیزیکی بر مبنای معادلات قطبش پذیری پایه ارائه شده و با نتایج آزمایشگاهی، مقایسه و اعتبار سنجی شده است. مدل ارائه شده، بازه ی وسیعی از فرکانس ها تا 10000 تراهرتز را پوشش می دهد. این در حالی است که پاسخ فوتونی آرایه هایی از نانولوله های کربنی، تا قبل از این فقط برای طول موج های بلند نسبت به ثابت شبکه انجام شده است. در همه ی موارد، از پارامتر های محیط موثر به صورت متوسط گذردهی ساختار استفاده شده است و محیط شامل نانولوله ها به صورت محیطی همگن در نظر گرفته شده است. هم چنین، در این پایان نامه برای اولین بار رفتار بلور فوتونی برای آرایه های دوبعدی مثلثی و مربعی از نانولوله های کربنی چند دیواره را مورد بررسی قرار داده ایم. نمایه ی بازتاب، برای هر دو قطبش الکتریکی و مغناطیسی، شامل بازتاب های پلاسمونی و براگ، را تجزیه و تحلیل کرده و اثر تغییر پارامتر ها در پاسخ فوتونی چنین ساختار هایی مورد بررسی قرار گرفته اند. کلیه ی پارامتر های موثر در پاسخ اپتیکی، اعم از پارامتر های ساختاری (ثابت شبکه، شعاع و درصد خالی بودن نانولوله ها) و محیطی (جنس زیر لایه و مواد درون و اطراف نانولوله ها در هنگام رشد) لحاظ شده و مدل ارائه شده با هر نوع نانولوله ای سازگار است. با استفاده از روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان، رفتار فوتونی شبکه های منظمی از نانولوله های کربنی چنددیواره در گستره ی وسیعی از فرکانس (mhz 1 تا phz 10) شبیه سازی شده است. از نتایج به دست آمده می توان به منظور طراحی و ساخت ادوات بلورفوتونی بر پایه ی نانولوله های کربنی بهره برد. هم چنین، مدل ارائه شده برای گذردهی نانولوله های چند دیواره، تابع ماده ی درون و اطراف نانولوله هاست به طوری که با تغییر این مواد، گذردهی و در نتیجه مقدار و فرکانس بازتاب ها عوض می شود. این موضوع، امکان استفاده از نانولوله ها به عنوان حس گر را فراهم می کند. از طرفی، بلور های فوتونی بر مبنای نانولوله های کربنی، به دلیل فرایند ساخت از پایین به بالا بسیار دقیق تر از بلور های فوتونی سنتی بوده و امکان ساخت در ابعاد بسیار کوچک با ثابت شبکه ی چند نانومتر را دارند. درنتیجه، ساخت بلور های فوتونی در گستره ی فرابنفش عمیق و هم چنین حسگر های بلور فوتونی برای ردیابی نانوذرات فلزی میسر شده است.

در این پایان نامه در ابتدا به مطالعه و بررسی چند حوزه مهم آشکارسازهای سیلیکونی مورد استفاده در مخابرات نوری، شامل آشکارسازهای جذب میان باندی و جذب حالت سطحی و آشکارسازهای بر مبنای گسیل داخلی فوتون پرداخته شده است. در ادامه با تمرکز بر ساختارهای ارایه شده برای آشکارسازهای مبتنی بر گسیل داخلی فوتون، به محدودیت های آن پرداخته شده است. با شناسایی نقاط ضعف و قوت این ساختارها، ما به ارایه ساختار جدید آشکارسازهای مبتنی بر گسیل داخلی فوتون بر مبنای ساختارهای ریز تشدیدگرهای حلقوی پرداخته ایم. استفاده از کاواک نوری در ساختارهای آشکارساز نوری یکی از راهکارهای اساسی برای دستیابی به حداکثر جذب در حداقل حجم ناحیه فعال و در نتیجه بهینه سازی همزمان بازده و سرعت (پهنای باند) آن است. چنین آشکارسازهایی که آنها را آشکارسازهای مبتنی بر ریزتشدیدگرهای حلقوی می نامند، در برگیرنده ویژگی های اساسی ساختارهای تشدیدگری (مانند فابری پرو) و ساختارهای موج بری می باشد و عملا بطور همزمان امکان کاهش ضخامت و سطح لایه جذب را فراهم می کند. علاوه بر آن این آشکارسازه دارای پاسخ طیفی تنظیم پذیر هستند که امکان استفاده از آنها را در wdm بسیار ارزشمند می سازد. بر این اساس نخست ساختار ریزتشدیدگر حلقوی بررسی می شود، و رفتار آن در حالت خطی مورد بررسی قرار می گیرد.پس از این تبیین، مدل مبتنی بر تبدیل z ریزتشدیدگر حلقوی که قسمتی از آن با نانو لایه سیلیسایدی و یا فلزی پوشانیده شده است ارایه شده است. در الگوی آشکارساز نوری رفتار میدانهای نوری در آشکارساز ریزتشدیدگر حلقوی با استفاده از نرم افزار femlab (comsol) تعیین شده است. در ادامه به طراحی یا تحلیل آشکارساز نوری حلقوی بر حسب ابعاد و مشخصه های فیزیکی آن پرداخته شده است. شبیه سازی نشان می دهد که بیشترین مقدار حاصل ضرب پهنای باند و بازده (bw×qe) در ساختار مبتنی بر ریزتشدیدگر حلقوی تقریبا ghz10 می باشد، که نسبت به ساختارهای تشدیدگر نوری مشابه (فابری پرو)، بیشترین مقدار را دارد.

در این پروژه، ساختاری بر پایه ساختار تورماهیگیری فرامواد برای تحقق یک سوئیچ تمام نوری در حوزه نور مرئی طراحی و تاثیر تغییر پارامترهای مختلف روی پاسخ آن بررسی می شود. نتیجه این بررسی محاسبه ابعاد بهینه برای کاربردهای سوئیچینگ این ساختار است, این ابعاد بهینه سوئیچی با ضریب خاموشی بالا, سرعت بالا و توان مصرفی پایین را نتیجه می دهد. این ساختار با داشتن قابلیت تنظیم فرکانس کاری برای بازه وسیعی از امواج نوری کاندیدای بسیار مناسبی برای کاربرد در مدارات نوری است. ضمن اینکه ساختار پیشرو با پیشنهاد روش جدیدی که در این پژوهش مطرح می شود, این امکان را فراهم می آورد که تنها با تغییر زاویه تابش نور و بدون تغییر طراحی و ابعاد ساختار طول موج کاری سوئیچ را تغییر داد. همچنین مدلی مداری برای تحلیل و بررسی رفتار سوئیچ پیشنهاد کرده ایم و به بررسی صحت و دقت آن پرداخته ایم. کلید واژه: سوئیچ تمام نوری, فرامواد, خواص غیرخطی و ساختار تورماهیگیری.

در این پایان نامه از نانولوله های کربنی به عنوان کاتد سرد در ساخت حسگر فشار گاز استفاده شده است. نانولوله ها به صورت عمودی به روش رسوب گذاری بخار شیمیایی-پلاسمایی روی زیر لایه سیلیکانی ریزماشینکاری شده رشد داده شده اند. رشد نانولوله ها در الگوهای ریزماشینکاری شده با استفاده از دستگاه sem بررسی شده است و تأثیر شرایط فرآیند رشد بر کیفیت لایه نانولوله ها بررسی شده است. حسگر فشار از غشاء سیلیکانی انعطاف پذیری که به کمک زدایش زیرلایه به دست آمده به عنوان آند قابل انعطاف در مقابل فشار اعمالی استفاده می کند. غشاء با تغییر فشار ورودی خم می شود و با تغییر فاصله آند-کاتد جریان گسیلی تغییر می کند. یکی از مشکلات حسگرهای فشار که تا کنون بر پایه گسیل میدانی ساخته شده اند، جریان گسیل میدانی بسیار کم و در نتیجه حساسیت کم به فشار است. در این پایان نامه برای افزایش جریان این نوع از حسگرهای فشار، فاصله آند-کاتد را کاهش داده ایم. این امر موجب شد جریان تا ma 50 افزایش پیدا کند. در ادامه عملکرد حسگر فشار ساخته شده با آزمایش الکتریکی بررسی شده و نتایج حاصل با حسگرهای فشار مشابه مقایسه شده است و حساسیت به دست آمده برای حسگر فشار ساخته شده ، بسته به ولتاژ و فشار اعمالی 130-2300 برابر بیشتر از حساسیت گزارش شده برای حسگرهای مشابه است. در پایان روش دیگری برای افزایش جریان و حساسیت حسگر پیشنهاد شده است. در این روش الگوی رشد نانولوله های کربنی تغییر داده شده تا screening کاهش یابد. نانولوله ها پس از رشد مورد آزمایش ولتاژ-جریان قرار گرفته اند و مشاهده شد که در مقایسه با نمونه های قبل که در همین شرایط ولی با الگویی متفاوت و screening بیشتر ساخته شده بودند، جریان افزایش می یابد.

در این رساله آشکارساز نوری بر پایه نانونوار گرافن با الکترودهای نامتقارن بگونه ای شبیه سازی شده است که درغیاب ولتاژ خارجی تنها با تابش نور به ناحیه کانال قادر به تولید جریان در مدار خارجی باشد. اساس کار این آشکارساز برپایه ی دو فلز متفاوت با توابع بزرگتر و کوچکتر از تابع کار گرافن به عنوان الکترود است. در این صورت الکترود با تابع کار بزرگتر مشابه اتصال آلاییده از نوع p و الکترود با تابع کار کوچکتر مشابه اتصال آلاییده از نوع n رفتار می کند. این امر باعث ناهمتراز شدن پتانسیل های الکتروشیمیایی در دو الکترود می شود. این ناهمترازی به نوبه خود باعث جاری شدن الکترون ها و حفره های تولید شده در اثر جذب نور در کانال به دو سوی مخالف و درنتیجه ایجاد جریان می شود. از مهمترین مزیت های این آشکارساز می توان به جریان تاریک صفر در آن اشاره کرد. به طور کلی برای تعیین ناحیه عملکرد آشکارساز، از تقریب هامیلتونی تنگ بست درفرمولبندی تابع گرین غیرتعادلی برای محاسبه ی جریان تولید شده در اثر تابش نور، برحسب انرژی فوتون فرودی بهره می گیریم. بررسی کیفیت این آشکارساز نیز با محاسبه دو کمیت بازدهی کوانتومی و پاسخ دهی نوری مشخص شده است. با به کارگیری از الکترودها با توابع کار مختلف و درنتیجه ایجاد پله های پتانسیل متفاوت، اثر جنس الکترود بر جریان نوری، بررسی می شود. نشان می دهیم، هر چه اختلاف پله های پتانسیل در سورس و درین بیشتر باشد اندازه ی جریان نوری تولید شده در این آشکارساز نیز بیشتر خواهد بود. همچنین دراین رساله برای اولین بار نشان می دهیم هرگاه یک نانو نوار گرافن به عنوان کانال به دو الکترود فرومغناطیس و نامتقارن متشکل از کبالت/طلا/گرافن (به عنوان سورس) از یک سو و کبالت/مس/گرافن (به عنوان درین) از سوی دیگر متصل شود، درغیاب ولتاژ خارجی، می تواند به عنوان یک آشکارساز نوری-اسپینی دو منظوره عمل کند. نشان خواهیم داد تابش نور مرئی قطبیده یا غیرقطبیده به کانال نانونوار گرافن می تواند باعث شارش جریان نوری-اسپینی در مدار شود. از لایه های میانی طلا و مس به منظور جلوگیری از هیبریدشدگی فلز فرومغناطیس با گرافن و تولید الکترودهای سورس و درین نامتقارن استفاده می شود. همچنین از طریق آن ممان مغناطیسی فلز فرومغناطیس به لایه گرافنی نفوذ می کند. جمعیت اسپین غیرتعادلی با تاباندن نور قطبییده یا غیرقطبیده به کانال تولید می شود. تابش نورغیرقطبیده به کانال منجر به تولید الکترون و حفره در کانال می شود. اختلاف پتانسیل بین الکترودهای سورس و درین نامتقارن این حامل ها را به سمت مدار خارجی سوق می دهد. در عبور حامل ها از سطح مقطع مغناطیسی کانال با الکترود فرومغناطیس، جفت شدگی اسپین–بار باعث ایجاد جمعیت اسپین غیرتعادلی می شود. محاسبات نشان می دهد که این افزاره در معرض تابش نور غیرقطبیده درغیاب ولتاژ خارجی همانند یک شیر اسپینی-نوری عمل می کند. ازطرف دیگر در معرض تابش نور قطبیده، جهت گیری اسپینی-نوری با انتقال اندازه حرکت زاویه ای فوتون به الکترون منشا دیگر جمعیت اسپین غیر تعادلی خواهد بود. نشان می دهیم این افزاره در معرض تابش نور قطبیده علاوه بر شیر اسپینی-نوری، می تواند بعنوان یک آشکارساز هلیسیتی نور عمل کند.

در این پایان نامه نقش شدت نور بر روی رابطه پراکندگی فراماده هذلولی بررسی می شود. با استفاده از اثر غیرخطی کر در طلا و گرافن سه نوع سوئیچ تمام نوری طراحی خواهد شد. در ضمن با استفاده از قابلیت تنظیم پذیری پتانسیل شیمیایی گرافن از طریق اعمال بایاس خارجی یک سوئیچ الکترو-نوری نیز طراحی می شود. عمل کرد این افزاره ها برخلاف افزاره هایی ای که تاکنون ارائه شده است به زاویه تابش وابستگی ندارد. در ضمن ساخت آن ها نیز نسبتا ساده و عملی خواهد بود. نتایج شبیه سازی نشان میدهد، بیشینه و کمینه اندازه ضریب عبور توان برای سوییچ های ارائه شده در حالت روشن به ترتیب برابر با 50% و 98% است. در حالی که، در حالت خاموش اندازه این ضریب همواره از 3% کمتر است. بنابراین، از این افزاره ها می توان در طراحی مدارهای نوری دیجیتال بهره گرفت. در پایان، با بهره گیری از یک مقسم پرتو حساس به قطبش مبتنی بر فراماده هذلولی، دو گیت منطقی xor و and نیز طراحی می شود. کم ترین اندازه ضریب عبور توان محاسبه شده برای گیت منطقی xor برابر با 59% و برای گیت منطقی and برابر با 83% نشان داده خواهد شد.

درابتدا مروری گذرا بر کارهای انجام شده در زمینه تولید امواج پلاسمونی سطحی با گرافن و همچنین مدولاتورهای تراهرتز ارائه و شرایط لازم برای ایجاد امواج پلاسمونی در سطح فلز بررسی می شود. سپس، با بهره گیری از رابطه پاشندگی گرافن و رابطه کوبو، خواص پلاسمونی گرافن مرور خواهد شد. آنگاه، پس از توضیح درباره روش مدل کردن مواد مورد استفاده، برای درستی آزمایی نتایج شبیه سازی، دو مقاله تازه منتشر شده در حوزه پلاسمونی بازتولید می شود. پس از اطمینان یافتن از درستی روش محاسبه، به کمک ویژگی کوکپذیری گرافن و شرایط بهینه برای طول انتشار امواج پلاسمون سطحی در فرکانس کاری 6 تراهرتز، با روش عناصر متناهی در سه بعد شبیه سازی و تحلیل افزاره ها انجام خواهد شد. نخستین افزاره طراحی شده، یک سوییچ پلاسمونی برپایه گرافن با طول 5 مرتبه کوتاه تر از طول موج ورودی است. ضریب عبور توان این سوییچ در شرایط بهینه برای حالت روشن و نسبت آن به ضریب حالت خاموش، به ترتیب برابر با 26/94% و 61on/off = است. در همین شرایط عمق مدولاسیون این افزاره برابر 37/98%، که نسبت به بزرگ ترین عمق مدولاسیون گزارش شده 23% عمیق تراست. براساس ابعاد و شرایط بهینه به دست آمده برای یک موجبر پلاسمونی مستقیم، یک سوئیچ پلاسمونی y شکل (دو شاخه) با طول کوتاه تر از 50% طول موج ورودی طراحی خواهد شد. نتایج حاصل از شبیه سازی سه بعدی نشان میدهد. ضریب عبور توان هنگامی که هردو بازو به طور همزمان روشن و نسبت آن به حالتی که هردو خاموش اند، به ترتیب برابر 2/87% و 8720 on/off = است. در ضمن عمق مدولاسیون این سوییچ برابر 98/99% است. نهایتا یک گیت منطقی and با ساختاری مشابه ساختار اولین سوییچ، و یک گیت منطقی or متشکل از دو ساختار y شکل رو در رو، طراحی خواهد شد. این افزاره ها در مدارهای نوری دیجیتال کاربرد فراوانی دارند. ضریب عبور توان برای حالت منطقی "1 1" و نسبت آن به حالت "0 0" برای گیت and، به ترتیب، برابر با 44/92% و 20095on/off? و برای گیت or برابر با 03/73% با نسبت 16983on/off? است.

در این پروژه جاذب نوری مبتنی بر فرامواد گرافنی در گستره فرکانسی تراهرتز طراحی و شبیه سازی شده است. ساختار به صورت آرایش فابری پرو، شامل دولایه گرافن الگودهی شده ی تورماهیگیری و میکرونوارها می باشد که توسط یک دی الکتریک نازک از یکدیگر جداشده اند. این ساختار سه لایه ای بر یک بستر پلیمری ضخیم قرار گرفته اند و در انتها یک لایه طلا می باشد. این ساختار قابلیت تنظیم پذیری و سوئیچ پذیری و همچنین دارای جذبی بالاتر از 90% در فرکانس های مورد نظر دارد که این ویژگی ها امکان استفاده از آن در کاربردهایی همچون مدولاتور و سوئیچ می دهد. فرکانس کاری جاذب با تغییر ولتاژ گیت اعمالی به لایه های گرافنی تنظیم خواهد شد و با افزایش پتانسیل شیمیایی گرافن، ما شاهد شیفت آبی پیک های جذب خواهیم بود. همچنین جذب ساختار مستقل از زاویه قطبش نور و چندباندی است.