۲۰۴۰۶پ
per
آنالیز مشخصات سیگنال کوچک لیزرهای نیمه‌هادی مبتنی بر ساختارهای کاهش ابعاد یافته
Analysis of Small-Signal Characteristics of Reduced-Dimension Semiconductor Lasers
/محمدمحسن شیخی
: مهندسی برق و کامپیوتر
، ۱۳۹۷
، افشار
۱۵۶ص
چاپی - الکترونیکی
ارشد
قدرت
۱۳۹۷/۰۶/۱۷
تبریز
لیزرهای مبتنی بر ساختارهای کاهش ابعاد یافته بدلیل ناحیه فعال کوچک، قابلیت مجتمع سازی، کنترل توان خروجی، پهنای باند مدلاسیون بالا، و نویز و چرپ فرکانسی پایین، از جمله اصلی‌ترین عناصر مورد استفاده در سیستم‌های امروزی هستند .بدلیل محصوریت کوانتومی حامل‌ها در یک، دو، و یا سه بعد، در مقایسه با همتاهای توده‌ای خود، خواص جالب توجه‌تری مانند چگالی جریان آستانه کمتر، حساسیت دمایی کمتر و همچنین پهنای باند مدولاسیون بالاتری از خود نمایش می‌دهند .با توجه به اهمیت کنترل پارامترهای لیزرهای مبتنی بر ساختارهای کاهش ابعاد یافته، در این پایان‌نامه به منظور بررسی و امکان‌سنجی بهبود پارامترهای اصلی این لیزرها، ابتدا مطالعه‌ی جامعی بر روی ویژگی‌های این منابع انجام شده و با تعیین نقاط ضعف و قابلیت‌های تغییر مشخصات این ساختارها، اقدام به آنالیز این مشخصات و در نهایت طراحی ساختارهایی با ویژگی‌صهای مطلوب از نظر سطح توان خروجی، پهنای باند مدولاسیون، سطح نویز شدت نسبی ، عملکرد وابسته به دما و ... شده است .با معرفی یک روش تحلیلی ابداعی برای تحلیل ویژگی‌های سیگنال کوچک لیزرهای آبشاری کوانتومی و مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج روش‌های عددی و نتایج گزارش شده در مراجع استفاده شده، ضمن کاهش قابل توجه در زمان تحلیل، امکان بهینه سازی ویژگی‌های سیگنال کوچک این لیزرها شامل نویز شدت نسبی و پهنای باند مدولاسیون و نیز افزایش توان خروجی مورد بررسی قرار گرفته است .نتایج نشان می‌دهند افزایش جریان بایاس لیزر باعث افزایش پهنای باند مدولاسیون و کاهش نویز شدت نسبی و نیز کاهش محدوده تنظیم فرکانسی می‌شود .همچنین، به عنوان یک پارامتر کنترل خارجی، اثر قفل تزریق نوری در قالب ساختار لیزرهای پایه-پیرو مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شده که قفل تزریقی در مقایسه با جریان بایاس، بطور کلی راندمان بهتری در مورد کاهش نویز لیزر و افزایش پهنای باند دارد .از طرفی افزایش توان نوری تزریقی باعث افزایش محدوده قفل شدگی لیزر پیرو نیز می‌شود .اثر پارامتر ارتقا پهنای خط بر روی پارامترهای لیزر پیرو نیز نشان دهنده تاثیر بهتر مقادیر بزرگتر این پارامتر بر روی کاهش شدت نویز نسبی و افزایش پهنای باند مدولاسیون بویژه در نزدیکی مرز مثبت ناحیه تنظیم فرکانسی است .تحلیل دقیق‌تر ویژگی‌های لیزرهای پایه و پیرو نشان می‌دهد که نویز لیزر پایه می‌تواند عامل قالب در نویز خروجی لیزر پیرو باشد و از این‌رو طراحی بهینه لیزر پایه بخودی خود منجر به بهبود مشخصات لیزر پیرو خواهد شد .به این دلیل به منظور بهینه سازی مشخصات لیزر پایه، آنالیز کاملی با درنظر گرفتن امکان ساخت عملی بر روی لیزر پایه انجام و نشان داده شد که با بهینه سازی انعکاس آینه‌های این لیزر، امکان کاهش جریان بایاس، افزایش پهنای باند مدولاسیون، کاهش نویز شدت نسبی و نیز تغییر طول عمر فوتون در کاواک وجود دارد .کاهش نویز شدت نسبی تا بیش از ۲۰ dB/Hz کاهش، دستیابی به پهنای باند مدولاسیون حدود) ۴۰GHz در مقایسه با پهنای باند حدود ۱GHz در حالت عملکرد پویش آزاد لیزر پیرو (و افزایش توان خروجی به حدود ۱۷ میلی وات) در مقایسه با توان خروجی حدود ۱ میلی وات در حالت عملکرد پویش آزاد لیزر پیرو (در ازای توان تزریقی ۱۰ میلی وات از مهم‌ترین نتایج بدست آمده است
17mW (compared to the 1mW free-running power level) at the hands of an optical injection power of 10mW, are the most important achieved results. Considering the obtained results, the possibility of using the OIL in multi-wavelength QCLs was investigated by fitting the design parameters to an experimental dual-wavelength QCL reported in the literature. Results demonstrate that increasing the injection power to larger than a threshold level at a specific wavelength leads to an increase in the output power at the same wavelength, while, it diminishes the second wavelength. A turn-on delay time larger than 10ns for the second wavelength and an increase in the output power and modulation BW of the injected wavelength up to twice of the unlocked condition, are the other obtained results. The effect of the OIL on temperature-dependent operation of a QCL has also been investigated in the thesis where the obtained results reveal that the optical injection can compensate the negative effect of the temperature on the threshold current, modulation BW, and the output power in a manner that the modulation BW is compensated by 35 compared to injection-less results. Also, the threshold current is reduced by 20 at 300oK compared to the injection-free operation. A quantum-dot laser as another reduced dimension semiconductor laser has been studied in the thesis regarding the effect of the homogeneous and inhomogeneous broadenings and grouping QDs with different sizes. Considering only one group of quantum dots, results demonstrates that inhomogeneous broadening and QD capture time greatly affect the output power, the RIN and modulation bandwidth and decrease the performance of the device. Considering the homogeneous broadening, the dynamic and static behavior of the device in free-running situation indicates that increase in homogeneous broadening lead to decrease in modulation bandwidth, RIN and also increase in output power and turn on delay time. Optical injection locks were presented as a technique to overcome the limitations of quantum dot lasers. Simulation results indicated that light injection, even with low power, dynamic and static characteristics of the QD laser improved, and laser behavior was partly dependent on homogeneous broadening. Results indicated that the current-power diagrams are very close in any homogeneous broadening and the laser output power increases considerably, especially for small and intermediate homogeneous broadening regions. Additionally, the optical injection locking reduces system fluctuations and improves and converges its dynamic characteristics in different homogeneous broadening. The turn on delay reduced remarkably and Bandwidth also increases to specific injection power and then decreases. Reducing the level of RIN and modifying its behavior in the intermediate region is another benefit of the injection locking where reducing the RIN aboat 20dB/Hz and 50dB/Hz and about 7dB/Hz, respectively, in areas with low homogeneous broadening, intermediate region and for high values indicates almost independent RIN behavior from the homogeneous broadening~ 1GHz BW for the free-running slave laser), and increasing the output power to~ 40GHz (compared to~ Reduced dimenssions lasers are one of the fundamental elements in advanced optical communication systems due to their small active region, the integration capability, the output power control potential, high modulation bandwidth, low noise and frequency chirp. These semiconductor lasers demonstrate lower threshold current density, lower temperature sensitivity, and higher modulation bandwidth due to the carrier confinement in one, two, or three dimensions compared with their bulk counterparts. Considering the importance of controlling the parameters of the reduced dimension lasers, a comprehensive study has been performed in this thesis to investigate and optimize their fundamental parameters and determine the weakness and capabilities of these lasers and design structures with favorable properties regarding the output power level, modulation bandwidth, relative intensity noise (RIN), temperature-dependent operation, etc. The obtained results of numerical and analytical methods have been compared by introducing a novel analytical method for investigation of the small signal properties of QCLs. The introduced method provides the capability of optimization of the small-signal parameters involving the RIN, the modulation bandwidth, and the output power as well as a tremendous reduction in calculation time. Results show that increasing the bias current leads to an increase in the modulation bandwidth and a reduction in the RIN level and the frequency detuning range. Also, as an external control parameter, the effect of the optical injection locking (OIL) in the master-slave structure has been investigated and it has been shown that the OIL has got better efficiency considering the RIN reduction and modulation bandwidth increase compared with the bias current. On the other hand, increasing the OIL results in an increase in the locking range of the slave laser. The effect of the linewidth enhancement factor (LEF) on the slave laser parameters show that larger LEF values lead to better response on the RIN reduction and BW enhancement, especially near the positive frequency detuning boundary. Careful analysis of the master-slave laser characteristics reveals that the RIN of the master laser can be the dominant noise term at the output of the slave laser and hence, an optimized design of the master laser can result in optimization of the slave laser. Therefore. To optimize the properties of the master laser, a comprehensive study has been performed regarding the experimental conditions. Results show that optimizing the mirror reflectivities can lead to bias current reduction, modulation BW increase, RIN reduction, and manipulation of the photon lifetime inside the cavity. A RIN reduction up to 20dB/Hz, achieving modulation BWs of
Analysis of Small-Signal Characteristics of Reduced-Dimension Semiconductor Lasers
شیخی، محمدمحسن
Sheikhey, Mohammad Mohsen
یدی‌پور، رضا، استاد راهنما
باغبان، حامد، استاد راهنما
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
