در‏ این رساله از مدلی عددی مبتنی بر روش تفاضل محدود برای مطالعه و تحلیل انتشار پالس‏های فوق‏باریک در تقویت‏کننده‏ها‏‏ی نوری نیمه‏رسانا استفاده کرده‏ایم‏‏.‏ این‏‏ معادلات با دقت بالایی توانایی مدل‏سازی‏‏ پالس‏های تا پهنای 120 فمتوثانیه را دارا هستند. خواص سوییچینگی ماخ‏زندر‏ نامتقارن در حوزه پیکو‏ثانیه‏‏ و فمتوثانیه، خصوصیات چرپ خروجی از هر تقویت‏کننده و نیز خروجی نهایی سوییچ مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‏‏دهد که چرپ منفی بصورت جابجایی قرمز نه تنها در خروجی هر تقویت‏کننده ظاهر می‏‏شود، بلکه در خروجی نهایی سوییچ نیز دیده خواهد شد. ‏این‏‏ حالت در حوزه پیکوثانیه رخ داده و ناشی از تخلیه حامل‏ها و ظهور پدیده مدولاسیون فاز است. درحالت فمتوثانیه اگرچه پدیده مدولاسیون فاز بیشتر ناشی از دو پدیده داغ‏شدگی حامل و سوختگی طیفی است، اما ظهور چرپ مثبت را نیز در ‏این‏‏ حوزه بهمراه خواهد داشت. چرپ مثبت بصورت جابجایی آبی در طیف فرکانس آشکار می‏‏شود در حالی‏که ‏این‏‏ جابجایی در طیف خروجی نهایی سوییچ دیده نمی‏‏شود. با توجه به ‏این‏‏ نتیجه قادریم تا علاوه بر انجام عمل سوییچینگ، به شکل‏دهی پالس و حتی جابجایی زمانی آن مبادرت ورزیم. تاثیر و بررسی هر یک از اثرات غیرخطی موثر بر تقویت‏کننده نوری نیمه‏رسانا در حین عمل سوییچینگ از دیگر کارهای انجام شده در ‏این‏‏ رساله است. برای ‏این‏‏ کار اقدام به شبیه‏ سازی‏‏ و بررسی سوییچینگ ماخ‏زندر‏ی متقارن نمودیم. بنابراین برای اولین بار تاثیر تمامی ‏‏پدیده‏ها‏‏ی غیرخطی موجود در تقویت‏کننده نوری نیمه‏رسانا، اعم از درون‏باندی و میان‏باندی را بر پنجره سوییچینگ و خروجی سوییچ نشان داده‏ایم‏‏ و در نهایت برای اولین بار و با استفاده از تزریق پالس‏های چرپ‏دار کنترلی بجای پالس‏های کنترلی بدون چرپ، در مدل سوییچینگ ماخ‏زندر‏ی متقارن، دی‏مالتی‏پلکس با نرخ 0.5tb/s بر دنباله‏ای‏‏ از بیت‏های ورودی با نرخ بیت 2tb/s و به ازای q-factor بالاتر از 10 را اثبات و بررسی کردیم.

آشکارسازی در محدوده طیف فرکانسی تراهرتز دارای کاربردهای زیادی در فن آوری اطلاعات و ارتباطات، تصویر برداری پزشکی، امور نظامی و .... است. به همین دلیل طراحی آشکارسازی با طیف پاسخ در این ناحیه از اهمیت فراوانی برخوردار است. استفاده از حلقه های کوانتومی که نوع جدیدی از نانو ساختارهای کوانتومی به حساب می آیند در منطقه ی فعال آشکارساز، این امکان را فراهم می کند که بتوانیم پاسخی در فرکانس کمتر از 10 تراهرتز داشته باشیم. در این پژوهش تلاش خواهیم کرد آشکارساز حلقه کوانتومی را برای طیف فرکانسی کمتر از10 تراهرتز بررسی و برای بهبود ویژگی های عملکردی آن ساختاری را پیشنهاد کنیم. حلقه های کوانتومی از جنس inas/gaas برای بررسی در نظر گرفته می شوند. پارامترهای مهم آشکارساز از جمله ضریب جذب، بازده کوانتومی و پاسخ دهی محاسبه و با تکرار آنالیزهای فوق برای ابعاد مختلف حلقه کوانتومی اندازه حلقه ای با ارتفاع 6/1 نانومتر برای جذب در ناحیه مورد نظر تعیین و چندین لایه آن برای ایجاد ناحیه فعال آشکارساز مورد استفاده قرار می گیرد. پهنای باندی در حدود 100 گیگا هرتز برای آشکارساز بدست می آید. برای کاهش جریان تاریک آشکارساز و همچنین طراحی آشکارسازی با دو پیک پاسخ، ساختار حلقه درون چاه پتانسیل طراحی می شود. به دلیل پایین بودن بازده کوانتومی درآشکارساز یک کاواک تشدیدگر با نانو نوارهایی از جنس طلا برای بهبود عملکرد آشکارساز پیشنهاد و نشان داده می-شود که با انتخاب بهینه پارامترهای کاواک در فرکانس 1/7 تراهرتز نزدیک به 60 مرتبه افزایش جذب رخ می دهد که منجر به افزایش بازده و پاسخ دهی آشکارساز می گردد. در انجام محاسبات، از روش های عددی مختلفی استفاده شده است. در تحلیل آشکارساز و حل معادله شرودینگر، روش تفاضل محدود و ماتریس انتقال استفاده می شود. برای تحلیل افزایش جذب و توزیع میدان الکتریکی در آشکارساز ارتقا یافته با کاواک فلزی نرم افزار comsol مورد استفاده قرار می گیرد.

استفاده از پدیده رامان برای دست یابی به تقویت کننده های پالس سیگنال در طول موج های مخابراتی امروزه بسیار مورد توجه است. ظهور این پدیده غیرخطی نوری به توان بالای نور در داخل محیط رامان نیازمند است. افزایش چگالی توان پمپ توسط ساختارهای ریزحلقه به علت خاصیت تشدیدکنندگی ، می تواند توان پمپ ورودی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. کریستال های فوتونی نیز با امکان تحدید نور توسط گاف فوتونی و تمرکز نور در داخل محیط بهره رامان، میزان تلفات انتشاری و توان پمپ ورودی را کاهش می دهند. از سوی دیگر کاهش سرعت گروه در کریستال های فوتونی، زمان اندرکنش نور و ماده را افزایش می دهد و بهره رامان بزرگ تری را حاصل می کند. مزیت دیگر کریستال های فوتونی، انعطاف پذیری در طراحی به کمک تغییر پارامترهای هندسی برای بهبود عملکرد ساختار است. در این پژوهش تقویت کننده های رامانی طراحی می کنیم که با بهره گیری از مزایای ساختارهای ریزحلقه و کریستال های فوتونی، با توان پمپ ورودی اندک بهره رامان بزرگ، عرض باند تقویت بالا و نرخ بیت مناسب را هم زمان حاصل می کنند. نخست عملکرد تقویت کننده های رامان مستقیم را با استفاده از ساختار کریستال فوتونی و ساختار پیشنهادی کریستال فوتونی ترکیبی و بهره گیری از تغییر پارامترهای هندسی و استفاده از مواد اپتوفلوییدی تا حد امکان بهتر می کنیم و بهره رامان و عرض باند تقویت را افزایش می دهیم. سپس با بهره گیری از خواص کریستال فوتونی یک بعدی و دو بعدی، ساختارهای تقویت کننده رامان حلقوی را طوری طراحی می کنیم که مسیر ورود پمپ و سیگنال به ساختار متفاوت باشد. به این ترتیب با داشتن ضریب تزویج بحرانی برای پمپ، توان پمپ ورودی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهیم و پالس سیگنال بدون ایجاد نویز ناشی از تزویج از میان پمپ تقویت شده عبور می کند. از ساختارهای تقویت کننده مستقیم بهبود یافته در بخش اول در این بخش بهره می گیریم. افزایش تعداد حلقه ها با طراحی مناسب می-تواند عملکرد تقویت کننده رامان را به میزان قابل توجهی بهتر کند به طوری که با توان متوسط پمپ ورودی w 5/0 و طول تقویت µm 150، بهره رامان db 79/26 و عرض باند تقویت nm 33/10 حاصل شده است. برای شبیه سازی تقویت کننده رامان در این نوشته از معادلات ماکسول بهره می گیریم. سپس معادلات ماکسول را به روش تفاضل محدود در حوزه زمان fdtd)) دو بعدی و با شرایط مرزی جاذب لایه کاملاً منطبق pml)) و با در نظر گرفتن اثرات غیرخطی جذب دو فوتونی، جذب حامل آزاد، کِر و مدولاسیون فاز خودی حل می کنیم.