محمد رزاقی

افزایش میزان ابتلا به سرطان در سالیان اخیر، نیاز به روش‌های تشخیص زودهنگام این بیماری را افزایش داده است. در این زمینه استفاده از حسگر‌های زیستی نوری از جمله حسگر زیستی مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی (SPR) می‌تواند به عنوان یک فناوری قابل اعتماد کارساز باشد. از جمله مزیت‌های این حسگر‌های زیستی می‌توان به هزینه پایین، حجم کم، بدون برچسب، دقت و حساسیت بالا اشاره کرد. در این پژوهش، یک حسگر زیستی مبتنی بر SPR به منظور تشخیص و شناسایی پنج نوع سلول سرطانی Hela، Jurkat، PC-12، MDA-MB-231 و MCF-7 با ضریب شکست‌هایی در محدوده 1"." 368 تا 1"." 401 طراحی شده است. شبیه‌سازی عددی در نرم افزار کامسول به صورت دوبعدی انجام گردیده است. این نرم‌افزار حسگر زیستی را مش بندی کرده و سپس به روش اجزای محدود، معادلات ماکسول را برای هر جزء از این افزاره حل می‌کند و میزان جذب نور، عبور نور، بازتاب نور و نمودار توزیع میدان الکتریکی را به دست می‌آورد. محدوده‌‌ی حسگرزیستی ارائه شده، باند مخابرات نوری می‌باشد. به همین دلیل از طراحی حسگرهایی با حساسیت بسیار زیاد اجتناب شده است تا طول موج تشدید از باند مخابراتی خارج نشود. حسگرزیستی SPR ارائه شده دارای ساختار چند لایه‌ منشور/ نقره/ تیتانیوم دی اکسید/ توری دی آلومینیوم تری اکسید می‌باشد. تحریک ساختار توسط منشور BK7 و با زاویه تابش 75 درجه صورت می‌پذیرد. لایه نقره به ضخامت37 نانومتر برای تولید پلاسمون‌های سطحی به منظور ایجاد تشدید در حسگرزیستی و همچنین کمینه کردن ضریب بازتاب طراحی گردیده است. تیتانیوم دی‌اکسید به ضخامت 22 نانومتر یک لایه محافظتی برای نقره در برابر خوردگی می‌باشد. دو نوع توری از جنس دی آلومینیوم تری‌اکسید با واحدهای نامتقارن و مثلثی شکل بررسی شده است. توری برای افزایش سطح تماس آنالیت با حسگر زیستی به کار گرفته می‌شود. طبق شبیه‌سازی‌های انجام گرفته، توری مثلثی متساوی‌الاضلاع با طول ضلع 200 نانومتر و دوره‌ی 300 نانومتر دارای بهترین عملکرد می‌باشد. حساسیت حسگرزیستی ارائه شده 12214 نانومتر بر واحد ضریب شکست، عرض نصف بیشینه 88 نانومتر، معیار شایستگی 122 بر واحد ضریب شکست، دقت تشخیص 0.0113 بر نانومتر و شاخص کیفیت 14.53 می‌باشد. همچنین عمق نفوذ میدان الکتریکی در حسگرزیستی چندلایه 500 نانومتر محاسبه شد. مقایسه حسگر ارائه شده با ساختارهای پیشین دلالت بر بهبود تمام یا برخی از پارامترهای عملکردی دارد.

در این پایان‌نامه یک جذب کننده فراماده پلاسمونی فروسرخ به کمک گرافن-پلیمر برای تشخیص گاز طراحی و شبیه‌سازی شده‌ است. فراماده پلاسمونی پیشنهادی از آرایه نانوآنتن حلقه متناوب طلا (Au) به ضخامت td = 10nm و یک لایه طلای پیوسته به ضخامت tau=100nm تشکیل شده‌است که توسط یک لایه دی الکتریک دی اکسید سیلیکون (SiO2) به ضخامت tsi = 30nm از نانو آنتن‌ها جدا می‌شود. قطر نانو دیسک برابر باd=300nm بوده و با یک لایه گرافن به ضخامت Δ = 0.34nm پوشانده شده‌است. ابعاد سلول واحد پیشنهادی برابر با W=L= 600nm در نظر گرفته شده‌است. حفره‌ی هوایی تعبیه شده درون نانو دیسک، به ضلع r و ضخامت td است. در ابتدا با در نظر گرفتن ضریب شکست گاز بیرونی در مقدار 1، به بررسی اندازه ضلع حفره هوایی بهینه به منظور کسب بالاترین حساسیت‌پذیری، پرداخته شده‌است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی حاکی از آن است که با تغییر مقدار ضلع حفره هوایی مکعب مربع از 20nm الی 180nm ، بالاترین حساسیت‌پذیری در طول ضلع 140nm کسب می‌شود. در این حالت مقدار حساسیت به دست آمده برای ضریب شکست گاز بیرونی1 برابر با مقدار 1196.9nm/RIU است. در ادامه برای برای بررسی بهبود احتمالی حساسیت‌پذیری ساختار پیشنهادی، اقدام به پر کردن حفره هوایی مذکور با آب، PMMA و AL2O3 کرده‌ایم. نتایج حاصل از شبیه‌سازی حاکی از این است که در کل محدوده‌ی تغییرات ضریب شکست گاز تحت سنجش (در محدوده‌ی 1 تا 1.12)، بالاترین حساسیت‌پذیری، بالاترین FOM و پائین‌ترین FWHM برای طیف‌های تحت بررسی مربوط به ساختاری است که هیچ پر شدگی در حفره هوایی به طول ضلع 140nm انجام نشده‌است. همچنین کلیه نتایج کسب شده برای سه پارامتر مذکور برای حالتی که حفره هوایی ساختار با آب پر شده‌است، بسیار نزدیک به حالت بدون پر شدگی است. به عبارتی دو حالت پر شدگی با آب و بدون پر شدگی بهترین نتایج از حیث سه پارامتر مذکور در بازه‌ی ضریب شکستی برای گاز تحت سنجش را به دست می‌دهند. دو حالت پر شدگی حفره‌ هوایی با PMMA و Al2O3 دارای نتایج ضعیفتری نسبت به دو حالت پر شدگی با آب و هوا را از خود نشان می‌دهند. بهترین نتایج کسب شده برای ضریب شکست 1.06 برای حالت بدون پر شدگی برای پارامترهای حساسیت‌پذیری، FOM و FWHM به ترتیب برابر با S=3120nm/RIU، 59RIU-1 و 55nm می‌باشد.

مصرف انرژی تجدیدناپذیر به‌سرعت در حال افزایش است. همچنین، منابع غیرقابل‌تجدید محدودی در دسترس هستند؛ بنابراین جامعه پژوهشی به طور مستمر برای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، آب، باد و غیره تلاش کرده است. یکی از ابزارهایی که برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته (اثر فتوولتائیک) به کار می‌رود سلول خورشیدی است. به‌منظور توسعه فناوری سلول‌های خورشیدی، سه نسل از آن‌ها معرفی شده‌اند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی یکی از ادوات مربوط به نسل سوم این نوع از فناوری هستند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به دلیل سهولت ساخت، ارزان‌بودن، ضریب جذب بالا، شکاف انرژی قابل‌کنترل، تحرک بالای حامل بار، بازده تبدیل توان (PCE) عالی و... به محبوبیت زیادی دست پیدا کرده‌اند. نسل جدید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، به‌صورت نیمه ‌شفاف هستند. در این نوع از سلول‌های خورشیدی، اتصال‌های شفاف پشتی همچون اکسید رسانای شفاف (TCO) را با اتصال پشتی فلزی جایگزین می‌کنند؛ بنابراین می‌توانند نور خورشید را از هر دو طرف اتصالات جلوئی و پشتی ساختار جذب کنند. ازاین‌رو، با دریافت شار نور فرودی بیشتر به بهبود جذب در ساختار کمک می‌کنند؛ بنابراین، میزان PCE این افزاره‌ها افزایش می‌یابد. در این پژوهش، مدل‌سازی نوری و الکتریکی یک سلول خورشیدی پروسکایتی نیمه ‌شفاف با اتصال شفاف پشتی با استفاده از نرم‌افزار کامسول انجام شده است. بدین منظور، به روش المان محدود (FEM) در ماژول اپتیکی میزان جذب، بازتاب، عبور نور، میزان تولید زوج الکترون - حفره محاسبه شده‌اند. برای تحلیل الکتریکی ساختار به کمک ماژول نیمه ‌هادی، منحنی مشخصه چگالی جریان - ولتاژ J-V و پارامترهای فتوولتائیک شامل: چگالی جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز، عامل پرشدگی و PCE مربوط به ساختار پیشنهادی بدست آورده شده‌اند. با اعتبارسنجی نتایج حاصل از شبیه‌سازی، یک سلول خورشیدی نیمه ‌شفاف با اتصال پشتی MoOx/ITO و با PCE برابر با %87/13 به‌عنوان ساختار مرجع معرفی شده است. در ادامه با حذف لایه بافر MoOx، PCE به %96/13 افزایش یافت؛ بنابراین، یک ساختار بدون لایه بافر با PCE بالا معرفی شده است که دارای مزایایی همچون: مراحل ساخت کمتر، تسریع در روند ساخت، کاهش مواد موردنیاز و مقرون‌به‌صرفه بودن ساختار است. در ادامه از سه ماده مختلف ITO، IZO و IOH به‌عنوان ماده اتصال پشتی به‌منظور دستیابی به بالاترین PCE استفاده شده است و نتایج به‌دست‌آمده با یکدیگر مقایسه شده‌اند. در این میان، ماده IOH با PCE برابر %31/14 به‌عنوان بهترین ماده اتصال پشتی انتخاب‌شده است. همچنین، مشاهده شد با اعمال نور آلبدو به اتصال پشتی این سلول خورشیدی نیمه ‌شفاف، PCE از %31/14 به %21/18 افزایش می‌یابد. در پایان، به‌منظور افزایش PCE به کمک کاهش اتلاف ناشی از بازتاب فرنل از سطح بالایی ساختار، از لایه‌های ضد انعکاس از جنس MgF2 و با ضخامت بهینه (80)100 نانومتر در سمت اتصال جلوئی (پشتی) استفاده شد. نتایج نشان دادند که با افزودن این لایه‌ها، PCE این ساختار به %69/ 19 افزایش می‌یابد؛ بنابراین، با افزودن لایه‌های ضد انعکاس در دو سمت اتصالات پشت و جلو PCE تا %8 افزایش می‌یابد.

رشد روزافزون فناوری اطلاعات و سرعت بالای افزایش حجم ترافیک شبکه‌های مخابراتی ‌و اینترنت مستلزم تکامل مستمر آن است. مخابرات نوری به دلیل پهنای باند زیاد آن در آینده‌ی صنعت ارتباطات نقش اساسی دارد و لیزرها بخش اصلی و کلیدی فرستنده‌های نوری را تشکیل می‌دهند. از این رو طراحی مناسب لیزر‌ها تاثیر به‌سزایی در عملکرد سیستم‌های مخابرات نوری دارد. در این میان، لیزرهای بازتابنده براگ توزیع‌شده (DBR) به دلیل دارا بودن ساختار تناوبی در شبکه‌های ارتباطات نوری پیشرفته نقش اساسی دارند؛ زیرا ساختار فرکانس‌گزین و تک‌مد آن‌ها از ارسال توان در فرکانس‌های ناخواسته جلوگیری می‌کند. معمولا ساختار لیزرهای بازتابنده ‌براگ‌ توزیع‌شده بر‌اساس چینش InGaAs/InGaAsP/InP طراحی می‌شود. اگر در یک لیزر فابری- پرو (FP) به‌جای یک یا هر دو آینه کاواک از بازتابنده‌های براگ توزیع‌شده استفاده شود، لیزر طراحی شده لیزر DBR نامیده می‌شود. این نوع لیزرها از سه بخش جدا تشکیل شده‌اند که هر بخش به‌طور جداگانه توسط یک الکترود برای کنترل بهره، فاز و طول موج توری براگ به‌‌طور مستقل قابل کنترل است. در این نوع لیزر طول موج براگ (λ_B) بیشترین بازتاب را دارد و نزدیک‌ترین مود ‌طولی کاواک به λ_B کمترین تلفات را دارد. ساختار این نوع لیزرها برای اتصال به‌سایر ادوات، مانند بخش‌های جداگانه برای تنظیم پارامترهای لیزر یا مدولاسیون، مناسب می‌باشد. در این پایان‌نامه برای شبیه‌سازی و تحلیل لیزرهای FP و DBR از نرم‌افزار لومریکال ماژول اینترکانکت استفاده شده است. طراحی لیزرها در فرکانس 414/193 ترا‌هرتز انجام شده، و عنصر توری براگ با ثابت شبکه 194 نانومتر و ضریب شکست موثر 4 تنظیم شده است. برای تحریک نوری محیط فعال و به‌دست آوردن ضریب عبور لیزر FP و ضریب بازتاب لیزر DBR از یک تحلیل‌گر نوری شبکه استفاده شده و طیف حالت پایدار، توان خروجی آنی لیزر، و چگالی حامل‌های محیط بهره مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. علاوه‌بر این، اثرات تغییر ثابت شبکه توری و تغییر دما بر طیف خروجی لیزر بررسی شده‌اند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که میزان توان گسیل‌شده حول فرکانس مرکزی در لیزرهای FP و DBR به‌ترتیب حدود dBm 4.48049 و dBm 11.3619 می‌باشد، که این نشان‌دهنده افزایش توان خروجی در لیزر DBRنسبت به لیزر FP به میزان dB 6.88 می‌باشد. در ادامه با تنظیم جریان‌های تزریقی به بخش‌های فاز و توری، چند طراحی بهینه برای جبران‌سازی اثر تغییرات ثابت شبکه توری براگ و دمای لیزر DBR انجام شده است.

یکی از راهکارهای ارزشمندی که مصرف انرژی توسط شبکه آبیاری را کاهش داده و اثرات آلایندگی این سیستم ها را تقریباً به صفر می رساند، استفاده از انرژی خورشیدی در تامین انرژی مورد نیاز سیستم های آبیاری تحت فشار است. به همین خاطر، تحقیق حاضر با هدف امکان بکارگیری انرژی خورشیدی در سیستم های آبیاری تحت فشار در شهرستان گیلان غرب و تمایل کشاورزان به استفاده از آن انجام شد. جامعه آماری تحقیق شامل آن دسته از کشاورزان شهرستان گیلان غرب در استان کرمانشاه بود که مزرعه آن ها مجهز به سیستم آبیاری تحت فشار است. طبق آمار جهاد کشاورزی شهرستان گیلان غرب، تعداد این عده از کشاورزان 1012 نفر بود که با استفاده از فرمول کوکران و با بکارگیری روش نمونه گیری تصادفی نمونه ای به حجم 93 نفر انتخاب شد که به منظور کاهش خطای نمونه گیری حجم نمونه به 100 نفر افزایش یافت. امکان سنجی انرژی خورشیدی در سیستم آبیاری تحت فشار با استفاده از نرم افزارهای HOMER و Excel و متناسب با میزان آفتاب دهی در منطقه، توان خروجی پمپ و میزان آب مورد نیاز محصول محاسبه و برآورد شد. برای سنجش و تحلیل تمایل کشاورزان به جایگزینی آبیاری خورشیدی با آبیاری تحت فشار از پرسشنامه ای استفاده شد که روایی آن با استفاده از نظر متخصصان و پایای مقیاس های آن با استفاده از ضریب آلفای کرونباخ محاسبه گردید. ضریب پایایی مقیاس های پرسشنامه بین 74/0 تا 89/0 بود که نشان از قابل اطمینان بودن مقیاس های به کار رفته داشت. روش تحلیلی اصلی برای تجزیه داده ها روش مدل سازی منحنی رشد با استفاده از تکنیک Bootstraping بود. یافته های مربوط به امکانپذیری جایگزینی آبیاری خورشیدی به جای روش متعارف آبیاری تحت فشار نشان داد که این موضوع در منطقه امکانپذیر بوده و اگرچه هزینه راه اندازی اولیه سیستم آبیاری خورشیدی در منطقه بالاست (حدود 16 میلیون تومان به ازاء هر هکتار زمین کشاورزی)، اما در طول زمان قادر است صرفه اقتصادی بالایی داشته باشد. یافته های استنباطی تحقیق نشان داد که تمایل کشاورزان نسبت به بکارگیری آبیاری خورشیدی به جای آبیاری بارانی متعارف در طول زمان دارای یک منحنی رشد خطی است که قویاً تحت تاثیر آگاه سازی کشاورزان نسبت به امکان پذیری استفاده از این روش نوین آبیاری قرار می گیرد. مدل منحنی رشد نهایی استخراج شده شامل 5 متغیر مستقل (نگرش نسبت به آبیاری خورشیدی، میزان مفید بودن آبیاری خورشیدی، هنجار های فردی نسبت به آبیاری خورشیدی، نگرش نسبت به محیط زیست و نقش آبیاری خورشیدی در حفظ آن و دانش کشاورزان درباره آبیاری خورشیدی) بود که تاثیر معناداری بر تمایل کشاورزان به بکارگیری آبیاری خورشیدی داشتند. متغیرهای نهایی وارد شده در منحنی رشد، در زمان قبل از ارائه نتایج مربوط به شبیه سازی انرژی خورشیدی در آبیاری توانستند میزان 56% از واریانس مربوط به تمایل کشاورزان نسبت به بکارگیری آبیاری خورشیدی را تعیین کنند؛ در حالیکه در گام های دوم و سوم (بعد از دیدن نتایج شبیه سازی و در طول زمان بعد از آن)، این میزان به 69% و 74% افزایش یافت. درپایان تحقیق پیشنهادهای کاربردی مهمی برای ترویج این روش نوین آبیاری ارائه شده است که مهم ترین آن تحقیق اعطای تسهیلات بلاعوض از سوی دولت به کشاورزان و یا طراحی سایر برنامه هایی است که کمترین بار مالی را برای کشاورزان داشته باشد؛ زیرا یافته ها نشان داد که مهم ترین مانع بکارگیری این تکنولوژی در نظام آبیاری منطقه، هزینه های بسیار بالای نصب و راه اندازی اولیه آن است؛ بطوری که عملاً از توان اکثر کشاورزان خارج بوده و بدون حمایت مالی مستقیم دولت و سرمایه گذاری جدی دولت در این زمینه، پیشرفت و توفیق چندانی حاصل نخواهد شد.

گیتهای منطقی نقش اساسی در مدارهای الکترونیکی دارند، با توجه به ساختار اتمی گیتهای منطقی و وجود الکترونها ، به عنوان حامل اصلی مدارهای الکترونیکی، سرعت)فرکانس( و پهنای باند محدود میشود و تلفات افزایش مییابد. استفاده از مدارهای تمام نوری محدودیتهای سرعت و پهنای باند را مرتفع و تلفات را کاهش میدهد. جایگزین کردن فوتونها به عنوان حامل ارتباطات نور، به جای الکترونها، باعث افزایش سرعت میشود و از طرفی چون میدانهای الکتریکی و مغناطیسی برفوتونها تاثیر ندارند، تضعیف و نویز در سیگنالهای نوری را بسیار کاهش میدهد. چون کوچک سازی و تجمیع مدارهای نوری با مشکلاتی مانند اتلاف انرژی همراه است، بلورهای نوری پیشنهاد میشود. بلورهای فوتونی ساختارهای متناوب هستند و به گونهای طراحی شدهاند تا حرکت فوتونها را تحت تاثیر قرار دهند. اساس کار بلورهای فوتونی تناوب ضریب شکست است و انتشار فوتون در داخل این ساختارها به طول موج آنها بستگی دارد.مزایای بلورهای فوتونی شامل سرعت بالا، تلفات کم توان و سایز کوچک است که استفاده از این مواد را در مدارهای مجتمع نوری ممکن کرده است. استفاده از گیتهای منطقی تمام نوری براساس بلورهای فوتونی، در مدارهای تمام نوری، راهی برای از بین بردن محدودیتهای موجود در مدارهای الکترونیکی است. ساختار پیشنهادی گیتهای منطقی AND,NOT,XOR,OR با توان انتقالی بیشتر از 80 % توان ورودی، تلفات بسیار کم، کنتراست،مناسب بین سطوح منطقی، سایز کوچک و مناسب برای مدارهای مجتمع تمام نوری است. جهت طراحی و شبیه سازی شبکه بلور فوتونی در این تحقیق از نرم افزار Rsoft CAD-Layout استفاده میشود و نمودارهای بدست آمده با نرم افزار Matlab نرمالیزه میگردد.

امروزه با گسترش روزافزون فناوری و افزایش حجم اطلاعات نیاز به افزایش پهنای باند و سرعت در ارسال و دریافت داده در لینک های مخابراتی و شبکه های محلی و شبکه های جهانی به منظور صرفه جویی در وقت و انرژی به سرعت افزایش می یابد. ارتباطات الکتریکی که مبتنی بر اتصالات فلزی هستند، جوابگوی این پهنای باند نیستند. همچنین اتلاف توان در آن ها زیاد است. بدین ترتیب با استفاده از شبکه های نوری محدودیت سرعت و ظرفیت در شبکه های ارتباطی حل می شود. از طرفی دیگر، فوتون به عنوان حامل در ارتباطات نور دارای سرعت بالایی بوده و همچنین جرم و بار ندارد. از این رو، میدان های الکتریکی و مغناطیسی بر آن تاثیر نداشته و تضعیف و نویز در سیگنال های نوری بسیار کاهش می یابد. این ویژگی در بسیاری از حوزه ها به دلیل دقت بالا در انجام کار بسیار قابل توجه است. در ادامه ابتدا در مورد لیزرها صحبت خواهد شد، سپس در مورد بلور فوتونی و در آخر فانولیزر بلور فوتونی را مطرح خواهد شد. لیزرهای فانو بلور فوتونی دارای نور خروجی تک مد هستند. همچنین این لیزرها میتوانند به گونه ی خودکار پالس تولید کنند (خودپالس ).

دیودهای گسیل کننده نوری یکی از مهم ترین ادوات در سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی در نظر گرفته میشوند. در این پایان نامه از میان دیودهای نور دهنده مختلف، دیودهای دیودهای گسیل کننده ی نوری مبتنی بر چاه های پتانسیل InGaN برای ارزیابی و عملکرد آنها انتخاب شده اند. در این نوع ادوات بارهای قطبش، مهمترین عامل برای کاهش بهره میباشند. علاوه بر این جرم موثر بالای حفره ها در مقایسه با الکترون ها تاثیر بسزایی در عملکرد آنها خواهند داشت. راه حل های مختلفی برای بهبود شرایط و افزایش بهره این ادوات از جمله نرخ بازترکیب تشعشعی در طول سالهای متوالی ارائه شده است. در اینجا، کاهش ضخامت سد پتانسیل، راهکاری است که برای بهبود عملکرد و البته با در نظر گرفتن جرم سنگین حفره، ارزیابی و آنالیز شده است. نمودار های مختلفی مانند نمودار جریان-ولتاژ، نرخ بازترکیب تشعشعی، توان-جریان، طیف خروجی و غیره برای ارزیابی بیشتر آورده شده است. در نهایت، انتخاب ضخامت 7 نانومتر برای سدهای کوانتومی به عنوان یک نقطه بهینه در نظر گرفته شده است، زیرا ضخامت کمتر سد سبب میگردد تا حفره ها مسافت کمتری را برای رسیدن به لایه ی آخر طی کنند.

بلورهای نوری ساختارهای منطم از محیط ماکروسکوپیک با ضریب دیالکتریک متناوب است که نشان داده می شود این ساختارها می توانند دارای باند ممنوعه نوری باشند. وجود این باندهای ممنوعه در بلورهای نوری و ایجاد کنترل شده آن در راستای دلخواه موجب استفاده گسترده از بلورهای نوری در کاربردهای گوناگون شده است. این ساختارها روشی برای کنترل امواج الکترومغناطیسی در محیط دی الکتریک فراهم می کنند. به همین دلیل ابزارهای نوری که بر مبنای بلورهای نوری طراحی می شوند، بدلیل ویژگی های جالب آنها، از جمله تلفات ناچیز، سرعت گروه بسیار پایین، انعطاف پذیری در شکل و ابعاد و همچنین مناسب بودن برای مدارات مجتمع در ابعاد نانو بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. فیلتر نوری، یکی از ابزارهای نوری است که بر مبنای بلور نوری طراحی می شود و یکی از المان های بسیار مهم برای سیستم های مخابرات نوری می باشد. به همین دلیل در این پژوهش ما با استفاده از نرم افزار RSoft یک فیلتر با استفاده از کوپل شدگی یک کاواک با دو موجبر طراحی کردیم. برای ایجاد موجبر از یک نقص خطی و برای ایجاد کاواک از نقص های نقطه ای در یک کاواک بلور فوتونی استفاده کردیم. برای طراحی فیلتر پاسخ فرکانسی، ما از شبیه سازی روش FDTD استفاده کردیم که برای فرکانس 1550 نانومتر، یکی از درگاه های خروجی این فیلتر میان گذر بوده و حدود 90 درصد این فرکانس را از فیلتر عبور می دهد و برای درگاه خروجی دیگر فیلتر میان نگذر ایجاد نشده و این فرکانس از این خروجی عبور نمی کند،که برای دوحالت با تغییرات شعاع و ضریب شکست مشاهده شد که طول موج یا فرکانس تشدید کاواک بر اساس تغییرات شعاع و ضریب تغییر میکند. نتایج بدست آمده از فیلتر طراحی شده بسیار مطلوب بوده و برای کاربردهای مختلف می توان از این شبیه سازی برای ایجاد فیلتر استفاده نمود.

در این رساله، به تحلیل، مدل سازی و طراحی زیست حسگرهای مبنی بر تشدیدکننده های نوری مد نجوای WGM پرداخته می شود. با ارائه ی روش های تحلیلی سیستماتیک برای مدل سازی سریع و دقیق این زیست حسگرها، بهینه سازی پارامترهای ساختاری تشدید کننده ها به منظور یافتن بهترین عملکرد زیست حسگری، امکان پذیر شده است. تحلیل تئوری مشددهای استوانه ای به عنوان زیست حسگرهای نوری کارآمد، ارائه می شود. این تحلیل که برپایه ی تکنیک های لام است، سیستماتیک بوده و منجر به ساده سازی فرآیند دشوار تحلیل مشخصه های الکترومغناطیسی مدهای نجوایی در مشددهای استوانه ای می شود. با این روش، طول موج های تشدید و پروفایل های شدت میدان الکترومغناطیسی مدهای نجوایی با مرتبه های شعاعی (i) و زاویه ای (l) بالاتر، محاسبه شده است. تطابق های داده ی 95 % ≤ بین نتایح روش پیشنهادی ما و روش های آزمایشگاهی و عددی، صحت و دقت روش پیشنهادی را به اثبات می رسانند. همچنین نشان داده می شود که با تعمیم روش تحلیل پیشنهادی برای مشددهای استوانه ای دولایه ای، امکان بررسی ساختارهای استوانه ای سه لایه ای نیز وجود دارد. با بررسی پارامترهای ساختاری در این مشددها، بهترین حساسیت (S) برایTM WG 10 در شعاع (R) 100 µm از یک مشدد استوانه ای MgF2 نسبت به سایر زیست حسگرهای مشدد استوانه ای مشابه با جنس سیلیکا، بدست می آید. علاوه براین، در این تحقیق زیست حسگرهای برپایه ی مشددهای مدهای نجوایی مسطح بطور گسترده بررسی شده است. این زیست حسگرها در سه ساختار مشددهای میکرو حلقه، دیسک و ریس ترک MRR تشکیل شده از مواد SOI و SiON، بررسی می شوند. برای مدل سازی فوق العاده سریع (از مرتبه ی صدم ثانیه) و موثر از این زیست حسگرها، روش تلفیقی تبدیل کانونی و نظریه ی جفت شدگی مدها (CTM+CMT)ارائه می شود. برای اثبات صحت این روش، آزمایش های اندازه گیری طیف های خروجی مشدد حلقه SOI با شعاع 7 µm و مقادیر فاصله ی گاف 160 nm و 180 nm بین مشدد حلقه و موجبر مستقیم جفت شده به آن انجام شده است. در این حالت نیز تطابق داده ی 95 % ≤ یبن نتایج روش پیشنهادی و روش های آزمایشگاهی و همچنین شبیه سازی های نرم افزارCOMSOL وجود دارد. با این روش، دوازده پیکربند بهینه شده ی مختلف از زیست حسگرهای مبنی بر مشدد حلقه و دیسک با شرایط مصالحه بین S بالا (100 nm/RIU≤) و حد آشکارسازی ذاتی ((ILODپایین (کمتر از 1

در چند دهه اخیر، پیشرفت صنایع مختلف و تکنولوژی، منجر به افزایش چشمگیر تقاضا برای انرژی های تجدید پذیر، شده است. سلول های خورشیدی یکی از مهم ترین منابع انرژی تجدیدپذیر محسوب می شوند. به طور کلی سلول های خورشیدی ابزارهای نوری هستند که نور را به صورت مستقیم به الکتریسته تبدیل می کنند. در میان انواع مختلف سلول خورشیدی، سلول های خورشیدی مبنی بر ارگانو متال هالید پروسکایت ها (سلول های خورشیدی پروسکایتی)، به دلیل مزایایی همچون قیمت پایین مواد خام، فرآیند ساخت آسان و بازده تبدیل نسبتا بالا(نسبت به سلول های خورشیدی با همان محدوده قیمت) توجه بسیاری از دانشمندان را در چند سال اخیر، به خود جلب کرده اند. شبیه سازی و مدل سازی سلول های خورشیدی، ابزار مهم و بسیار موثر برای درک بهتر فیزیک مورد استفاده در این قطعات و همچنین بررسی دستگاه هایی با هزینه ساخت بالا و بسیار زمان بر، است. از این رو، در این پژوهش در راستای دستیابی به مدل دقیق، به شبیه سازی سه بعدی سلول های خورشیدی پروسکایتی پرداخته شده است. در این پایان نامه برای شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایتی از نرم افزار COMSOL Multiphysics استفاده شده است. روش حل این نرم افزار براساس روش حل المان محدود است. همچنین از معادلات استاندارد نفوذ-رانش جهت مدل سازی رفتار حامل ها استفاده شده است. در بخش نتایج، ابتدا تاثیر تغییرات دما و جایگزینی ماده ی انتقال دهنده حفره بر عمل کرد سلول های خورشیدی بررسی شده است. همچنین در این پژوهش به منظور افزایش بهره وری این نوع از سلول ها، ساختار جدیدی شامل یک لایه CH3NH3SnI3 به عنوان لایه جاذب نوری به ساختار سلول های خورشیدی پروسکایتی متداول اضافه شده است که این امر منجر به دستیابی به بازده 08/15 % شد. در ادامه با تغییر معماری لایه طلا (موج دار ساختن لایه طلا) و همچنین اضافه نمودن لایه ضد انعکاس از جنس MgF2 به این ساختار (ساختارسلول پروسکایتی شامل لایه CH3NH3SnI3) بازده 87/15 % حاصل شد.

در این پایان نامه، مدل تئوری برای یک تقویت کننده ی نوری نیمرسانای نقطه کوانتومی QDSOA ارائه می شود. دینامیک حامل ها در حالت های انرژی پیوستار، برانگیخته و پایه به همراه لایه ی مرطوب (WL)در مدل در نظر گرفته می شود. تاثیر شمول تراز برانگیخته ی دوم (ES2)برای اولین بار، با بهترین دانش نویسنده، در مدل QDSOA ارائه شده در نظر کرفته می شود. این فرض ممکن است، اگر ناحیه ی فعال QDSOA به گونه ای رشد یابد که حضور ES2 از ترازهای بالاتر و WL قابل تمییز باشد. به علاوه، اثر پهن شدگی غیرهمگن ناشی از توزیع اندازه ی نقاط و اثر پهن شدگی همگن تک نقطه ی کوانتومی (QD) در طیف بهره ی نوری، با گروه بندی QDها بر اساس فرکانس تشدید نوری آن ها نیز در مدل در نظر گرفته می شود. همچنین، گروه بندی مدهای فوتون در مدل در نظر گرفته می شود. بهره ی نوری QDSOA با استفاده از روش ماتریس چگالی محاسبه می شود. معادلات آهنگ جفت شده به همراه معادلات انتشار پالس نوری به صورت عددی حل می شوند. نشان داده می شود که بهبود عملکرد QDSOA با در نظر گرفتن ES2 در معادلات آهنگ ممکن می شود. اشباع بهره در چگالی های جریان تزریقی مختلف برای قطارهای پالس با نرخ بیت های مختلف بدست می آید. نشان داده می شود که زمان واهلش حامل ها نقش مهمی در چگونگی تقویت و پردازش سیگنال ایفا می کند. نتایج نشان می دهد که QDSOA می تواند برای دستگاه های پردازش سیگنال با نرخ بیت های فوق بالا (تا Gbps 450) با اعوجاج موج قابل چشم پوشی و بازیابی بهره ی سریع استفاده شود. در ادامه، طیف گسیل خودبه خودی تقویت شده ASEو شکل نویز NFدر حضور ES2 بدست می آید. نشان داده می شود که ASE دارای سه پیک است که مربوط به ترازهای پایه، برانگیخته ی اول و برانگیخته ی دوم هستند. تاثیر افزایش توان ورودی بر کاهش NF نیز، نمایش داده می شود. نشان داده می شود که ASE و NF تقویت کننده می توانند در مدل سازی QDSOA با توان های ورودی بالا نادیده گرفته شوند. در نهایت، مدل سازی مدولاسیون بهره ی متقابل با نرخ بیت های فوق بالا تا Gbps 450 در حضور ES2 نشان داده می شود. در حضور ES2، زمان بازیابی و اشباع بهره کاهش می یابد و بنابراین، قطارهای پالس با نرخ بیت های فوق بالا می توانند با اثر الگو و اعوجاج موج قابل چشم پوشی مدوله شوند. همچنین، تاثیر افزایش چگالی جریان و کاهش طول عمر واهلش حامل ها برای نمایش

در سال های اخیر در حوزه ی مخابرات تقاضا برای پهنای باند بیشتر، افزایش یافته است. در سرعت های بالای انتقال اطلاعات مخابرات مبتنی بر سیم دارای محدودیت هایی است. مخابرات نوری به دلیل نداشتن محدودیت در سرعت های بالا به عنوان جایگزین مناسبی برای مخابرات سیمی در نظر گرفته شد. در سال های اخیر با گسترش فیبر نوری، مخابرات نوری مورد توجه زیادی قرار گرفت. مدولاتورها نقش کلیدی در تعیین پهنای باند لینک های مخابراتی دارند. علاوه بر پهنای باند، با کاهش سایز مدارات الکتریکی، سایز مدارها به عنوان مولفه ی تعیین کننده ای در نظر گرفته شد. در سال های اخیر تحقیقات زیادی در جهت بهبود عملکرد این نوع مدولاتور نوری انجام گرفته است. در این پژوهش تحلیل دینامیکی مدولاتورهای مبتنی بر حلقه ی تشدید با تحلیل سه مدولاسیون شاخص، تلفات و تزویج انجام می شود. با در نظرگرفتن سیلیکون به عنوان ماده ی مورد استفاده در ساختار مدولاتور، آنالیز مدولاتورهای حلقه ی تشدید بر اساس PIN با استفاده از روش تبدیل ساختاری، بررسی و معادلات سه بعدی موج حل می شود. در این پژوهش برای اعتبارسنجی روش استفاده شده، مقادیر انتقال بر حسب ولتاژ محاسبه و نتایج به دست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شود. در نهایت برای بهبود عملکرد مدولاتور، با استفاده از الگوریتم بهینه سازی فایر فلای، ساختار نوری مدار بهینه می شود. در این مدل با توجه به مسئله ی مصرف توان که با کاهش سایز مدارات و ولتاژ درایو در مدارات VLSI به یک مولفه ی کلیدی در طراحی مدارات تبدیل شده، ساختار در جهت کاهش مصرف توان بهینه می شود. نتایج به دست آمده از این ساختار بهینه با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده و برتری این مدل نسبت به مدل پایه اثبات می گردد. در جهت بهینه کردن قسمت الکتریکی مدولاتور ، با در نظر گرفتن این مسئله که در مدولاتورهای مبتنی بر پیوند PIN طول عمر حامل ها محدود کننده ی پهنای باند هستند، یک ولتاژ بهینه برای داشتن بیشینه ی پهنای باند محاسبه شده است.

در طول سالیان متمادی جوامع علمی توجه قابل ملاحظه و رو به رشدی به پایش و ارتقاء سطح سلامت جامعه و کیفیت زندگی به وسیله آشکارسازی و شناسایی تمام ذرات خطرناک برای بدن انسان از جمله انواع پروتئین ها، ویروس ها و ذرات باکتریایی داشته اند. وقتی این ذرات توسط حسگرهای زیستی بدون برچسپ شناسایی می شوند، مولکول ها با اضافه کردن رنگ دانه های رادیواکتیو و فلورسنت به صورت ساختاری و عملکردی دسته بندی نمی شوند. در این پایان نامه ساختارهای حلقه تشدید نوری و نانونوار گرافنی مورد مطالعه قرار گرفته اند. جابه جایی طول موج تشدید که هنگام واکنش آنالیت ها با ساختار اتفاق می افتد، مهمترین جنبه بررسی شده است. حلقه های تشدید نوری دسته نویدبخشی از حسگرها هستند که ارزش آن ها در کاربردهای تشخیص زیستی به تازگی کشف شده است. این حلقه ها که در صنعت مخابرات در کاربردهای پردازش سیگنال شناخته شده بودند، به تازگی به دلیل قابلیت تولید در ابعاد مختلف، حساسیت و تطبیق پذیری به عنوان حسگر زیستی استفاده می شوند. یک حسگر زیستی پلاسمونیک یک تغییر در سیگنال نوری (مانند جابه جایی در طول موج تشدید یا تغییرات شدت در یک طول موج خاص) را زمانی که ساختار سنسور با مولکول های زیستی واکنش می دهند، تشخیص می دهد. این تغییر می تواند به جذب مولکول ها حساس باشد. حسگرهای زیستی پلاسمونیک برای کاربرد های تشخیص طبی به صورت بدون برچسپ اختراع شده اند.

نیاز روزافزون به اطلاعات و توسعه زیرساخت های ارتباطی با سرعت بالا و پهنای باند وسیع، محققین را به این نتیجه رساند که شبکه هایی که در آن ها سیگنال الکتریکی به عنوان حامل پیام باشد، جوابگوی نیاز امروزه جهت دسترسی به انبوه اطلاعات نیستند. با توجه به این امر شبکه های مخابراتی نوری در حال حاضر به عنوان زیرساخت اصلی مخابراتی هر کشوری موردتوجه است. در این گونه شبکه ها سیگنال نوری جایگزین سیگنال الکتریکی به عنوان سیگنال حامل پیام می شود. بدین ترتیب با استفاده از شبکه های نوری محدودیت سرعت و ظرفیت در شبکه های ارتباطی حل می شود. در بخش ابتدایی یک لینک مخابرات نوری باید سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل شود تا امکان انتقال آن از طریق فیبر نوری فراهم شود. این وظیفه توسط منابع نوری انجام می شود. کارایی لینک نوری به مقدار توان (نور) تزویج شده از منبع به فیبرهای نوری و نیز کیفیت نور تولیدشده توسط منبع وابسته است. لیزر VCSEL به عنوان یکی از این منابع نوری، توان مصرفی بسیار کم و جریان آستانه پایینی دارد و همچنین به دلیل متمرکز بودن و واگرایی پایین پرتو خروجی آن به راحتی می توان نور خروجی آن را به داخل فیبرهای نوری انتقال داد. در این پایان نامه سعی شده با شبیه سازی لیزر VCSEL و بررسی خصوصیات آن به شناخت و توسعه هرچه بیشتر این لیزر و افزایش حوزه های کاری آن به عنوان یک منبع نوری بسیار مهم و پرکاربرد پرداخت. ابتدا بازتابندگی برای چند ترکیب مختلف DBR محاسبه شده و با استفاده از تعداد جفت ها در بازتابندگی مطلوب، لیزر VCSEL شبیه سازی شده است. طول موج لیزرهای شبیه سازی شده 850 و 980 نانومتر می باشند و طیف فرکانسی و تاثیرافزایش دما در جابجایی طول موج نیز بررسی شده است. از نرم افزار RSOFT برای شبیه سازی استفاده شده است.

مخابرات نوری در شبکه های مخابرات امروزی به دلیل فراهم کردن پهنای باند و سرعت ارسال بالای داده ها از جایگاه ویژه ای برخوردار است. تقویت کننده های نوری جزئی جدا ناپذیر از چنین شبکه هایی هستند . از میان انواع تقویت کننده های نوری، تقویت کننده های نوری نیمه هادی نقشی تعیین کننده در توسعه و پیاده سازی سیستم های مخابراتی نوری امروزی را به عهده داشته اند. این گونه تقویت کننده را می وان به دو نوع با/بدون پوشش انعکاسی دسته بندی کرد. به دلیل برتری خصوصیاتی در تقویت کننده نوری نیمه هادی انعکاسی همچون نرخ خاموشی و بهره نوری بیشتر در مقایسه با تقویت کننده نوری نیمه هادی عادی، در این تحقیق به بررسی و تحلیل آن پرداخته می شود. پالس های انتشاری در محیط تقویت کننده توسط مجموعه ای از معادلات دیفرانسیلی غیر خطی کوپل شده رفت و برگشتی توصیف می شوند. این معادلات ناشی از اندر کنش معادلات ماکسول (ناشی از ماهیت موجی فوتون) و معادلات آهنگ حامل ها (ناشی از ماهیت ذره ای الکترون) می-باشند. از جمله اثرات غیرخطی در نظر گرفته شده در این معادلات، می توان به پدیده مدولاسیون خود فاز، پاشندگی سرعت گروه، جذب دو فوتونی و پدیده گرمای حامل اشاره کرد. حل این معادلات از روش های تحلیلی معمول غیر ممکن است و باید از روش های عددی برای حل آنها استفاده کرد. روش تفاضل محدود انتشار پرتو بهترین روش برای حل این گونه معادلات می باشد. در نتایج حاصل از این پژوهش مشاهده می شود که تقویت کننده نوری نیمه هادی انعکاسی نسبت به تقویت کننده عادی دارای توان خروجی بسیار بالاتر در جریان بایاس کمتری می باشد. با افزایش میزان انعکاس لایه پوششی انتهایی، توان نوری خروجی افزایش می ابد و به دنبال آن مقدار بهره اشباع افزایش می یابد. با افزایش بهره اشباع، تعداد حامل های بیشتری در حین تقویت شدن مصرف می شوند و شاهد افت بهره شدیدتری خواهیم بود. بدین ترتیب زمان بازیابی بهره با افزایش میزان انعکاس افزایش می یابد. همچنین با تغییر میزان انعکاس می توان مقدار انرژی ورودی مورد نیاز، جهت به اشباع رفتن تقویت کننده را تغییر داد، این بدین معناست که مرز بین ناحیه خطی و غیر خطی را می توان جابجا کرد.

در این پایاننامه، ویژگی تقویتکننده نوری نیمههادی که سبب میشود به عنوان یک آشکارساز استفاده شود بررسی شده است. نشان داده شده که یک آشکارساز علاوه بر آشکارسازی، سیگنال نوری را تقویتکننده نیز میکند. پس از آن مدلسازی دقیقی از رفتار آشکارسازی تقویتکننده نوری برای پالسهای در حوزه پیکو ثانیه و فمتو ثانیه انجام شده است. بدین منظور از معادله شرودیگر بهبود یافته که بیان کننده نحوه تغیرات پالس در محیط تقویتکننده میباشد، استفاده شده است. همچنین، در پایاننامه سعی شده تا ویژگیهای تقویتکنندگی و آشکارسازیِ تقویت کنندهنوری نیمههادی بهبود داده شود. از آنجا که معادلات شرودیگر غیرخطی معمولا بسیار پیچیده هستند، روش تفاضل محدود-انتشار پرتو گزینه مناسبی برای حل اینگونه معادلات میباشد. این روش مناسبترین روش برای کاربردهایی است که موجبر داری چند سیگنال ورودی نوری است. در این پایاننامه تقویتکننده با دو الکترود و سه الکترود که میتواند جهت آشکارسازی مورد استفاده قرار گیرد، مدل سازی شده است. سپس، توسط مدل ارائه شده به این نتیجه خواهیم رسید که میتوان برخی از پارمترهای این آشکارساز را بهبود داد. همچنین نشان داده شده که تقویت-کننده نوری نیمههادی علاوهبر اینکه آشکارسازی را انجام میدهد میتواند سیگنال عبوری را نیز تقویت کند. برای اولین بار در این آشکارساز از معادلاتی که اثر کلیه پدیدههای غیرخطی شناخته شده در حوزه پیکو ثانیه و فمتو ثانیه در نظر گفته شده، استفاده شده است. این پدیدهها عبارتند از پراش سرعت گروه، تغییرات غیرخطی بهره و ضریب شکست ناشی از تخلیه حامل، پراش طیف بهره، جابجایی قله طیف بهره با تغییرات چگالی حامل، سوختگی طیفی، جذب دو فوتونی و انکسار فوق سریع غیرخطی. در انتها نیز برای اولین بار سعی شده با تزریق نور کمکی پاسخ فرکانسی آشکارساز بهبود داده شود. نتایج حاصله به خوبی نشان خواهد داد که تزریق این نوری کمکی پاسخ فرکانسی آشکارساز را از 500 مگاهرتز به 15/6 گیگاهرتز افزایش داده است.

ساختار تشدیدکننده های ریزحلقه قابلیت زیادی برای استفاده در شبکه های نوری به عنوان فیلتر حذف/اضافه، پردازشگر سیگنال، سوئیچ، مدولاتور و مبدل طول موج دارند. از ویژگی های آنها، ضریب کیفیت و قابلیت فشرده سازی بالا است. خصوصیت های آنها اغلب با افزایش تعداد حلقه ها قابل بهبود و کنترل است. یک موجبر حلقه ای در مجاورت دو موجبر مستقیم که اغلب به نام باس یا شناخته می شوند، قرار می گیرد و یک فیلتر نوری را می سازد. مدل سازی و شبیه سازی تشدیدکننده های ریزحلقه در این تحقیق برای فیلتر نوری انجام شده و طراحی جهت محاسبه و بهینه سازی پارامترهای این فیلتر انجام شده است. روش های مختلفی برای شبیه سازی تشدیدکننده های ریزحلقه وجود دارد که در حوزه زمان یا فرکانس انجام می شوند. در این تحقیق شبیه سازی تشدیدکننده های ریزحلقه براساس روش گرافیکی نمودار عبور سیگنال مبتنی بر قاعده میسون در حوزه فرکانس انجام شده است. در شبیه سازی فیلتر نوری ابتدا ساختار فیلترهای مبتنی بر اتصال سری تشدیدکننده های مرتبه بالاتر انجام شده است که جهت دستیابی به پارامترهای نرخ حذف تشدید بینابینی، ضریب شکل پاسخ، ضریب کیفیت و بازه طیفی آزاد مناسب نسبت به فیلتر تک حلقه ای انجام شده است. سپس، ساختارهای جدید اتصال تشدیدکننده های ریزحلقه را معرفی می کنیم. این ساختارها با استفاده از تعداد تشدیدکننده های کم تر نسبت به اتصال سری، دارای تلفات، هزینه ساخت کم تر و اندازه کوچک تری هستند. از این رو این ساختارها برای استفاده در مدارات مجتمع نوری مناسب هستند. در ادامه به یافتن ضرایب تزویج بهینه فیلتر سری با تشدیدکننده های مشابه با روش منطق فازی پرداخته ایم. استفاده از این روش امکان یافتن ضرایب تزویج به ازای هر مقدار دلخواهی از ضریب شکل پاسخ و افت دامنه سیگنال درگاه حذف را به وجود آورده است. در پایان مدل فیلتر نوری مبتنی بر اتصال سری سه تشدیدکننده ریزحلقه یکسان و ورنیر با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی استخراج شده است. استفاده از این مدل قابلیت تغییر شعاع، ضرایب تزویج، ضریب شکست و سایر پارامترهای فیلتر را جهت دسترسی به پاسخ مطلوب فراهم می کند.

سوییچهای تمام نوری پرسرعت نقش مورد توجه ای برای مالتی/ دی مالتی پلکس در سیستمهای مخابرات نوری دارند. در این بین تقویت کننده نوری نیمرسانا با اندازه کوچک، امکان مجتمع شدن با ادوات نوری و قابلیت تقویت پالسهای فوق باریک گزینه مناسبی برای انجام عمل سوییچینگ است. برای حل مشکل پایین بودن طول عمر حاملها و افت شدید بهره پس از عبور چند بیت در تقویت کننده نوری نیمرسانا حجمی، در پژوهشهای اخیر استفاده از تداخلسنجها مورد توجه قرار گرفته است. تداخلسنجهای مبتنی بر پدیده ساگناک از جمله ساختارهای تداخلی مطلوب برای عمل سوییچینگ در شبکه های مخابرات نوری است. تحقیقاتی که تاکنون روی سوییچهای ساگناک مبتنی بر تقویت کننده نوری نیمرسانا انجام شده در حوزه پالسهای پیکوثانیه بوده است. در این پژوهش برای اولین بار ساختاری برای خودسوییچ مبتنی بر ساختار تداخلی ساگناک ارائه شده است. شرایط لازم برای عملکرد بهینه خود سوییچ و تاثیر پارامترهای مختلف برای پالسهای زیرپیکوثانیه ای نشان داده شده است. بدین منظور وابستگی پارامترهای خودسوییچ به مشخصات ساختار و پالس ورودی بررسی شده است. خود سوییچ نوری کاربردهای متنوعی در پردازش سیگنال نوری دارد. به منظور افزایش سرعت و ظرفیت خطوط انتقال، سوییچینگ در ساختار ساگناک مبتنی بر تقویت کننده نوری نیمرسانا متقارن برای پالسهای ورودی زیرپیکوثانیه ای با لحاظ کردن تمامی اثرات غیرخطی این حوزه بررسی شده است. به منظور دستیابی به شرایط بهینه ی عملکرد سوییچ، وابستگی پارامترهای آن به مشخصات ساختاری و پالس نور ورودی بررسی شده است. در نهایت، دیمالتی پلکسینگ با استفاده از سوییچ مورد نظر برای نرخ بالا پالس دیتای ورودی محقق شده است. در این پایان نامه از مدلی عددی مبتنی بر روش تفاضل محدود برای مطالعه و تحلیل انتشار پالس های زیرپیکوثانیه ای در تقویت کننده نوری نیمرسانا استفاده کرده ایم.

در این پایان نامه، مدلسازی دقیق رفتار پالس های نوری فوق باریک در تقویت کننده نوری نیمه هادی با استفاده از معادلات انتشار غیرخطی شرودینگر بهبود یافته انجام شده است. برای این منظور، مدلی عددی مبتنی بر روش تفاضل محدود-انتشار پرتو جهت مطالعه و تحلیل انتشار پالس های فوق باریک در تقویت کننده های نوری نیمه هادی ارائه شده است. اثرات کلیه پدیده های غیرخطی شناخته شده در حوزه پیکو ثانیه و فمتو ثانیه، نظیر پراش سرعت گروه، تغییرات غیرخطی بهره و ضریب شکست ناشی از تخلیه حامل، پراش طیف بهره، جابجایی پیک طیف بهره با تغییرات چگالی حامل، سوختگی طیفی، جذب دو فوتونی و انکسار فوق سریع غیرخطی و نیز تاثیر اندرکنش پالس های عبوری همجهت در مدل درنظر گرفته شده است. پس از اطمینان از صحت مدل، به بررسی تاثیر پارامتر های مختلف بر پالس خروجی تقویت کننده در حالت های متعدد و با ورودی های متفاوت پرداخته شده است. با توجه به اهمیت پالس FWM و کاربردهای آن در سیستم های مخابراتی، توجه ویژه ای به بررسی ویژگی های این پالس در شرایط گوناگون صورت گرفته و تلاش بر تولید پالس FWM ایده آل با ویژگی های مطلوب نموده ایم. نتایج حاصل شده از شبیه سازی حاکی از آن است که پدیده های غیرخطی یاد شده تاثیر محسوسی بر موج تقویت شده داشته و در نتیجه، از این پارامترها می توان برای دستیابی به شکل موج خروجی بهینه استفاده نمود. با اطلاعات نگارنده، نتایج ارائه شده، به ویژه در بررسی تاثیر پدیده های غیرخطی بر موج تولید شده FWM ، برای اولین بار در این پایان نامه ارائه شده اند.

سوییچهای تمام نوری با سرعت بالا بطور خاص در انجام عمل دی/مالتی پلکس کردن در شبکه های نوری کاربرد دارند. در این بین تقویت کننده نوری نیمه هادی بدلیل سایز فشرده و امکان مجتمع شدن با قطعات نوری و قابلیت تقویت پالسهای فوق باریک گزینه مناسبی برای انجام عمل سوییچینگ می باشد. مشکلی که در استفاده از SOA وجود دارد این است که بدلیل پایین طول عمر حاملها در مقایسه با نرخ بیت بالایی که در روش OTDM مورد نیاز است، مدت زمان بازیابی بهره پایین بوده و پس از عبور چند بیت از تقویت کننده، تقویت کننده با افت شدید بهره مواجه خواهد شد زیرا سرعت بازگشت بهره به مقدار اولیه خویش در مقایسه با سرعت از راه رسیدن بیت بعدی بسیار پایین می باشد و بیت بعدی با تقویت کننده ای روبرو خواهد شد که بهره آن از حالت اسمی تنزل شدیدی نموده است. در صورت ادامه این روند به حالتی می رسیم که در چند بیت بعدی امکان تشخیص بیتهای صفر و یک از یکدیگر در خروجی تقویت کننده میسر نخواهد بود. برای حل این مشکل در سالهای اخیر، روشهای مختلفی چون استفاده از تداخل سنجها مرسوم شده است. تداخل سنج ماخ زندری یکپارچه و مجتمع با استفاده از تقویت کننده نیمه هادی امروزه یکی از محورهای اصلی تحقیقات قرار گرفته است بطوریکه در مباحث دی/مالتی پلکس کردن تمام نوری و در هرکانال در روش OTDM به نرخ بیت کمی بیشتر از 168 گیگا بیت بر ثانیه در حالت آزمایشگاهی دست یافته اند و تلاش در جهت افزایش آن ادامه دارد. مکانیزم سوییچینگ در سیستم ماخ زندری بر پایه تغییر بهره و ضریب شکست غیرخطی در تقویت کننده های نیمه هادی موجود در هر بازوی تداخل سنج ماخ زندری می باشد. نظر به اهمیت سرعت در مخابرات در مخابرات امروزی و بالا بودن نرخ بیتهای ارسالی در حالت اخیر ناگزیر از بررسی و تحلیل پالسهای زیرپیکوثانیه می باشیم. ورود به حوزه زیرپیکوثانیه نیز بنوبه خود تحلیل و بررسی اثرات غیرخطی این حوزه را می طلبد. لذا بیشترین تاکید ما در این رساله، بررسی اثرات غیرخطی در حوزه زیر پیکوثانیه و برای پالسهای فوق باریک در حین عملیات سوییچینگ ماخ زندری بوده است. در این رساله مدلی عددی مبتنی بر روش تفاضل محدود را جهت مطالعه و تحلیل انتشار پالسهای فوق باریک در تقویت کننده های نوری نیمه هادی بکار برده ایم. این معادلات با دقت بالایی توانایی مدل سازی پالسهایی تا پهنای 120 فمتوثانیه را دارا می با

امروزه تولید و شکل دهی پالس های نوری فوق کوتاه ، در سیستم های مخابرات نوری پر سرعت، برای کابردهایی مانند سوئیچینگ نوری و مبدل های طول موج، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تولید پالس های نوری در محدوده پیکو ثانیه، با استفاده از لیزر های نیمه هادی، مدولاتورهای الکتروجذبی و تقویت کننده نوری نیمه هادی (SOA) امکان پذیر است. در میان روش های موجود استفاده از تقویت کننده نوری نیمه هادی، به دلیل مزیت اصلی آن که فشرده کردن یک پالس نوری به همراه تقویت همزمان آن بدون نیاز به یک قطعه دیگر می باشد، بیشتر از سایر روش ها مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این، قطعات نیمه هادی دارای ویژگی- هایی مانند، فشرده بودن و قابلیت مجتمع سازی با سایر ادوات نیز می باشند در این پایان نامه، فشرده سازی پالس نوری در تقویت کننده نوری نیمه هادی، با استفاده از دو پالس نوری پمپ و پروب انجام می شود. پالس پروب، سیگنال اصلی بوده و اطلاعات را در بر دارد و پالس پمپ به عنوان سیگنال کمکی و دارای انرژی بالا، نزدیک به انرژی اشباع قطعه نیمه هادی، است که با اعمال تاخیر زمانی بین این دو پالس می توانیم پالس پروب را فشرده کنیم و میزان پهنای آن را کنترل کنیم. روابط حاکم، معادلات غیر خطی شرودینگر می باشند که به دلیل انرژی بالای سیگنال پمپ و کوتاه بودن پالسهای نوری، آثار غیر خطی در آنها لحاظ می شود. روش ما برای حل این معادلات غیر خطی، روش های- عددی می باشد. در این پایان نامه برای حل معادلات غیرخطی شرودینگر از روش های SSFM وFD-BPM ، در محیط نرم افزار MATLAB 7.2 بهره می گیریم. به کمک ساختار پمپ وپروب، به فشرده سازی حدود 4 برابر سیگنال پروب می رسیم همچنین انتشار قطار پالس نوری را نیز در انجام می دهیم. مبنای صحت نتایج بدست آمده، مقالات معتبر بیان شده توسط محققان، در این زمینه می باشد.