مدل سازی و تحلیل لیزر نیمه هادی نقطه کوانتومی
چکیده
در این رساله لیزر نیمه هادی مخابراتی مبتنی بر نقاط کوانتومی خود سامان یافته ناهمگون in1-xgaxas/gaas با در نظر گرفتن حالت های پایه ، برانگیخته ، پیوستار و وتینگ و لحاظ کردن اثرات ساختاری ناشی از فرآیند ساخت نظیر پهن شدگی غیر همگن بهره ، و محیطی نظیر درجه حرارت و پهن شدگی همگن ، با استفاده از شکل دقیق معادلات نرخ، تحلیل و رفتار لیزر مدل سازی می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که با انتخاب مناسب پارامترهای لیزر نقطه کوانتومی نظیر جریان تزریقی، درجه حرارت، پهن شدگی همگن و غیر همگن و زمان های واهلش ، می توان به هر یک از حالت های لیزش پایه، برانگیخته و پایه-برانگیخته بطور همزمان ( حالت دولیزشی) رسید. نتایج نشان می دهد، در صورتی که پهن شدگی غیر همگن کم باشد، پیک لیزش حالت پایه و برانگیخته از یکدیگر متمایز هستند و لیزش جداگانه را شاهد هستیم، ولی با افزایش پهن شدگی غیرهمگن حالت های لیزش با یکدیگر ترکیب می شوند و لیزش گسترده را شاهد هستیم. علاوه بر این، در لیزش گسترده نقاط کوانتومی ناشی از افزایش پهن شدگی غیرهمگن، محل پیک لیزش تغییر می کند، بطوری که نسبت به حالت برانگیخته شیفت طول موج قرمز و نسبت به حالت پایه شیفت طول موج آبی را شاهد هستیم. نتایج بدست آمده از مدل لیزر نقطه کوانتومی مبتنی بر گذار حالت پایه در توصیف وابستگی عملکرد لیزر به درجه حرارت و جریان تزریقی، تطابق خوبی با نتایج عملی دارد. در این تحقیق برای اولین بار مصالحه بین رفتار طیفی و پاسخ مدولاسیون با افزایش دما یا پهن شدگی همگن با روش پیشنهادی، شبیه سازی می شود بطوری که نتایج حاصل نشان می دهد اگرچه با افزایش دما لیزر به سمت تک مد شدن می رود ولی پهنای باند و سرعت پاسخ لیزر کاهش می یابد. همچنین اثر مخرب تنگنای فونونی ناشی از زمان واهلش داخل باندی حامل ها بر روی مشخصه های لیزر و اثرات بازترکیب غیر تششعی ناشی از عدم کیفیت رشد نقاط کوانتومی در حاد شدن اثر تنگنای فونونی بررسی می شود. با شبیه سازی اثر تنگنای فونونی با شکل دقیق معادلات نرخ نشان داده خواهد شد که در طراحی لیزرهای نقطه کوانتومی به ناچار باید زمان واهلش داخل باندی کمتر از حدود 10 پیکو ثانیه باشد، در غیر اینصورت نمی توان از خواص اثرات ابعاد کوانتومی ناشی از نقاط کوانتومی استفاده شده در ناحیه فعال لیزر نقطه کوانتومی بهره برد. زیرا همانطور که از نتایج تحلیل استاتیک و دینامیک مشاهده می شود با افزایش زمان واهلش به بیش از ps10 لیزر کارایی خود را از دست می دهد. طبق نتایج حاصل از شبیه سازی اثرات بازترکیب های غیرنوری ناشی از عدم کیفیت فرآیند رشد نقاط کوانتومی بر روی مشخصه های لیزر، باید زمان های باز ترکیب غیرنوری بسیار بیشتر (حدود چند صد برابر) از زمان واهلش داخل باندی باشند تا لیزر عملکرد قابل قبولی داشته باشد. نحوه بهبود طیف لیزش با افزایش دما یا پهن شدگی همگن، با مدل سازی لیزش دسته جمعی نقاط کوانتومی در مد مرکزی تشریح شده است. هر چند استفاده از مدل های عددی دقیق برای مدل سازی و تحلیل رفتار دیودهای لیزری نیمه هادی، که جزییات مکانیزم های فیزیکی داخلی ساختار را در نظر می گیرند، برای تحلیل و مدل سازی رفتار لیزرهای نیمه هادی از اهمیت خاصی برخوردار است ولی زمان طولانی مدل سازی و همچنین حجم سنگین محاسبات عددی عملاً امکان استفاده از مدل های مبتنی بر روش های عددی در تحلیل سیستم های الکترونیک نوری یکپارچه و پیونده های مخابرات نوری، که از تعداد زیادی قطعات الکترونیک و فوتونیک بهره می برند، غیر ممکن می سازد. در این رساله، برای اولین بار مدل مداری با استفاده از معادلات نرخ برای بررسی رفتار استاتیکی و دینامیکی لیزر نیمه هادی نقطه کوانتومی ارایه شده است. با وجود سادگی، مدل ارایه شده عملکرد لیزر را با سرعت بالا توصیف می کند. به کمک مدل ارایه شده مشخصه های استاتیک و دینامیک لیزر شبیه سازی شده و از نتایج حاصل، اثر مخرب تنگنای فونونی و زمان واهلش در افزایش جریان آستانه، کاهش راندمان کوانتومی، کاهش پهنای باند مدولاسیون و همچنین کاهش نوسانات واهلشی لیزر تشریح شده است. مدل مذکور اثرات ناشی از عدم کیفیت رشد نقاط کوانتومی که منجر به افزایش باز ترکیب غیر تابشی و در نتیجه حاد شدن اثرات تنگنای فونونی می شود را نیز لحاظ می کند. هرچند در این میان باید بناچار مصالحه بین سرعت و دقت مدل را پذیرا باشیم. نتایج حاصل از مدل تطابق خوبی با نتایج عملی و تحلیل عددی دارد