عنوان پایان‌نامه
تحلیل ساختارهای تناوبی فعال در لیزر های کریستال فوتونی تراهرتز
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2277;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 59102
- تاریخ دفاع
- ۱۳ مهر ۱۳۹۰
- دانشجو
- امین وحدت اهر
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی
- چکیده
- در این پایان‌نامه لیزرهای با آبشار کوانتومی در باند تراهرتز مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند. ابتدا به معرفی مختصر باند تراهرتز می‌پردازیم، کاربردهایی که برای این امواج متصور است را ذکر می‌کنیم و چالش‌هایی که برای تولید این امواج وجود دارد را یادآور می‌شویم. در ادامه قسمت‌های مختلف یک لیزر تراهرتز بررسی می‌شود. طراحی‌های مختلفی برای ناحیه‌ی فعال و نیز موجبر این لیزرها وجود دارد. در مورد ناحیه‌ی فعال دو طراحی اصلی معرفی شده و با بررسی آن‌ها نشان خواهیم داد که طراحی تشدید فونونی برای استفاده در این پایان‌نامه مناسب‌تر است. برای موجبر لیزرهای تراهرتز هم دو طراحی مطرح یکی موجبر با پلاسمون سطحی و دیگری موجبر فلز- فلز است که در مورد آن‌ها توضیح داده و مشخص می‌کنیم که چگونه مهندسی مودی و فضایی برای دستیابی به عملکرد بهتر لیزر، ما را به سمت استفاده از کریستال فوتونی در این لیزرها سوق می‌دهد. از آنجا که خصوصیات ناحیه‌ی فعال لیزر با تئوری کوانتومی توصیف می‌شود و خصوصیات موجبری این لیزرها با معادلات ماکسول، برای بررسی عملکرد لیزر نیاز داریم که هر دو این دسته معادلات را در کنار هم مورد مطالعه قرار دهیم. در این پایان نامه با معرفی یک جریان حجمی در داخل ناحیه‌ی فعال که نشانگر افزایش انرژی موج در طول لیزر است، معادلات نرخ را در ناحیه‌ی فعال به معادلات ماکسول مرتبط می‌کنیم. با توجه به ماهیت معادلات به کار رفته، از روش تفاضل محدود حوزه‌ی زمان برای بدست آوردن نتایج عددی استفاده کرده‌ایم. برای تایید درستی این روش ابتدا یک تیغه‌ی فعال را در فرکانس‌های نوری که برای آن داده‌های دقیقی در دسترس است تحلیل کرده‌ایم. سپس با بدست آوردن میدان‌های یک تیغه‌ی فعال در باند تراهرتز ملاحظه می‌کنیم که به دلیل کوچک‌تر بودن عرض تیغه از طول موج امواج تراهرتز، محدود شدگی عرضی مودها درون تیغه مطلوب نیست. با توجه به نتایج شبیه‌سازی مشاهده می‌کنیم که با دور کردن دیواره‌های لیزر از یکدیگر توزیع عرضی بهبود می‌یابد. همان‌طور که قبلاً ذکر شد یک راه‌حل برای برطرف نمودن اثر نامطلوب دیواره‌ها استفاده از کریستال فوتونی است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی تاثیر مطلوب دیواره‌های کریستال فوتونی را بر عملکرد تک مود لیزر نشان می‌دهد. بهره‌ی کل برای لیزر کریستال فوتونی با سلول پایه‌ی مثلثی 11dB و برای سلول پایه‌ی مربعی 9.5dB بدست آمده است.
- Abstract
- In this thesis, terahertz quantum cascade lasers are investigated and analyzed. Firstly, we review fundamental properties of terahertz waves and introduce some of their potential applications. Also existing challenges for generation of terahertz wave will be discussed. Next, we will introduce various components of a terahertz laser. There are several designs for the active region and the waveguides of such lasers. For the active region, two designs are introduced and after careful study of them, we will show that phonon-resonance design is more appropriate for this work. For the waveguides of the terahertz lasers, two basic designs are the surface plasmon waveguide and the metal-metal waveguide. We briefly introduce them and show how the imposed requirements lead to the use of photonic crystal for such lasers. Since the active region is modeled by the quantum theory and the waveguides are modeled by Maxwell’s equations, we link these two groups of equations. In this thesis, a volume current inside the active region models the power increase within the laser where the rate equations of the active region are coupled to Maxwell’s equations. Regarding the nature of the equations, FDTD is used for obtaining numerical results. To verify the accuracy of the method, a dielectric slab is first analyzed at the optical frequencies, calculating the fields of a slab in terahertz band we demonstrate that the transverse field distribution for the slab waveguide is not properly confined. From the numerical results, we conclude that by increasing the spacing of the side walls, the transverse distribution will be improved. To overcome the unwanted effects of the side walls, we use photonic crystal as side walls. Numerical results show the improving effect of the photonic-crystal side walls for the single-mode operation of the laser. Finally, we demonstrate a photonic-crystal laser amplifier with a gain of 11 dB and 9.5 dB for triangular and square lattice, respectively.
