Skip to main content
SUPERVISOR
عزالدین مهاجرانی (استاد مشاور) ال جی گوا (استاد مشاور) اصغر غلامی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Sedghi
محمد صدقی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Modeling, Design and Fabrication of Organic and Polymeric Optical devices
Diversity and versatility of characteristics of the organic compounds, including conductivity, semiconductivity, optical absorption and emission as well as optical gain and nonlinearity, have facilitated the utilization of such materials in a broad range of applications, specifically in hybrid photonic and electronic devices. The electronic properties, the electro-optic effect and the optical gain in organic materials are the most attracting features; thus, this research has been devoted to the study of the following four pillars: organic photodetectors, the photocapacitance effect in organic heterostructures, an optical switch based on multimode interference structure using the electro-optic organic polymers and a parity-time symmetric all-optical switch by using the optical gain in organic dyes. Regarding organic photodetectors (OPD), a comprehensive time-domain modeling was presented. This model describes well the bandwidth behavior and the current-voltage characteristics of OPDs according to the reported experimental measurements. Furthermore, based on the implemented simulation framework, the trade-off between the bandwidth and the responsivity was studied and an effective design approach was introduced for improving the performance of OPDs. According to the results, it was found that in a small-area OPD, the bandwidth is most influenced by the carrier transit time which highly depends on the mobility of carriers. The results show that the logarithm of the bandwidth is proportional to the square root of the intensity of the applied electric field, indicating that the bandwidth of OPDs can be improved exponentially by increasing the reversed bias voltage. As an alternative approach to detect optical signals, the photocapacitance effect and its origin in organic heterostructures were investigated and analyzed. The variations of the capacitance by the light exposure is owing to the existence of the traps in the semiconductor; thus, we have shown that at low frequencies the absorption of light leads to decreasing the trapping lifetime. In this respect, several OPDs were fabricated and the photocapacitance effect was measured in the devices. In addition, an analytical model was introduced to justify the frequency dispersion of the photocapacitance effect. The results of the experimental measurements and the analytical model indicate that the existence of traps and the formation of a pn junction are necessary for observation of the photocapacitance effect in organic structures. According to the results, the dominant density of traps in the p-type side of the structure leads to a descending dispersion curve of the photocapacitor. Continuing the research on the organic electro-optic materials, a 1´3 optical switch with the multimode inference (MMI) structure was proposed. In order to simulate such structure, the three-dimensional structure was reduced to a two-dimensional structure by using the effective index method. The results show that the crosstalk between the output ports is less than –17.2 dB and the transmission loss is around 2.1 dB in the proposed MMI-based switch. In addition, and according to the results, the extinction ratio and the insertion loss of this optical switch were 15.1 dB and 1.3 dB respectively. For the fourth pillar of this thesis, by using the optical activity property in dye-doped polymers and utilization of the concept of the parity-time (PT) symmetry, a reflective grating structure was proposed to develop an all-optical switch in which the variations of the gain to the loss ratio was used for controlling the switch. The proposed structure was completely modeled with the aid of the coupled wave theory and the governing equations were analytically derived in form of explicit expressions. As well as to the analytical model, this PT-symmetric switch was simulated with the finite element method in the frequency domain and the validity of the analytical formulas was verified. The results show that by adjusting the gain-loss ratio form unity to 0.42, the extinction ratio better than 40 dB can be achieved in a precise and accurate design. Furthermore, by considering ±5% relative error in the main parameters simultaneously, the extinction ratio more than 25 dB is attainable. Keywords: Organic Semiconductors, Organic Photodetectors, Photocapacitance effect, Electrooptic, Parity-Time Symmetry, Grating, Optical Switch.
مواد آلی، ترکیباتی بر پای? کربن بوده که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد آن، گزین? مناسبی برای توسع? افزاره‌های الکترونیک نوری است. قابلیت تنظیم‌پذیری خواص مواد آلی از طریق اعمال تغییرات در ساختار شیمیایی آنها، فرایند ساخت نسبتاً ساده‌تر و کم هزینه‌تر و همچنین، قابلیت پیاده‌سازی در سطوح غیرمسطح و انعطاف‌پذیر از مهمترین مزایای مواد آلی در مقایسه با مواد معدنیِ همتا به شمار می‌رود. تنوع و گستردگی خواص الکترونیکی و نوری در مواد آلی از ویژگی‌های حائز اهمیت این دسته از مواد است و به همین دلیل، تقریباً اغلب افزاره‌های الکترونیک نوری، نظیر سلول‌های خورشیدی، آشکارساز‌های نوری، لیزرها، دیود‌های نورگسیل، حسگرها، ترانزیستور‌های اثر میدانی و بسیاری افزاره‌های دیگر، از مواد آلی ساخته شده و مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. به منظور استفاد? کارآمد از مواد آلی در توسع? افزاره‌های نوری، دو رهیافت را می‌توان دنبال نمود: اول) در نظر گرفتن ملاحظات طراحی خاص‌منظور? مرتبط با مواد آلی برای توسع? افزاره‌های الکترونیک نوری و دوم) اعمال تغییرات در ویژگی‌های اساسی مواد آلی برای توسعه و بهبود افزاره‌ها. در واقع دیدگاه اول به نوعی مقدمه‌ای برای دیدگاه دوم به منظور توسع? افزاره‌ها است. دیدگاه ما در این رساله متمرکز بر رهیافت اول بوده و روی رهیافت دوم متمرکز نمی‌شویم؛ به طوری که سعی می‌کنیم با لحاظ نمودن کاستی‌ها و ویژگی‌های قابل توجه مواد آلی، افزاره‌های الکترونیکی و نوری مبتنی بر مواد آلی را به گونه‌ای صحیح مدل‌سازی و تحلیل نماییم و روش طراحی مناسب را برای این گروه از افزاره‌های الکترونیک نوری ارائه دهیم. در میان خواص کلیدی مواد آلی، ویژگی‌های الکترونیکی، خواص الکترواپتیکی و قابلیت داشتن بهر? نوری جزء مهمترین ویژگی‌های‌ این دسته از مواد است. بر اساس رهیافت اشاره شده در این پژوهش، استفاد? صحیح از هر یک از این خواص به منظور توسع? افزاره‌های الکترونیک نوری، نیازمند توجه ویژه به ملاحظات طراحی مربوط به خواص اساسی مواد آلی است. در این رساله، آشکارسازهای نوری آلی و اثر فوتوخازنی در آنها از زیر مجموع? خواص الکترونیکی نیمرساناهای آلی، یک سود? نوری با استفاده از ویژگی الکترواپتیک مواد آلی و یک سود? تمام‌نوری با استفاده از خاصیت بهر? نوری در مواد آلی، مورد بررسی و تحلیل قرار می‌گیرد و ملاحظات طراحی در آنها ارائه می‌شود. بر این اساس این رساله دارای چهار محور پژوهش اصلی بوده که عبارتند از: تحلیل پهنای باند آشکارسازهای نوری آلی، اثر فوتوخازنی در ساختار‌های ناهمگون آلی، سود? نوری 3×1 با استفاده از مواد الکترواپتیکی آلی و سود? تمام‌نوری مبتنی بر پاریته-زمان با استفاده از بهر? نوری در مواد آلی. هر یک از این مباحث به صورت جداگانه در فصل‌های سوم تا ششم در این رساله تألیف شده است. پیشین? پژوهش در هر یک از محورهای رساله در مقدم? فصل مربوط به آن مبحث ارائه و نتیجه‌گیری آن نیز در پایان آن فصل اشاره می‌شود. فصل اول رساله به عنوان مقدمه‌ای برای ورود به مباحث و فصل دوم به منظور ارائ? مفاهیم اساسی مرتبط با ویژگی‌های الکترونیکی و نوری مواد آلی که در هریک از فصل‌های پسین مورد نیاز می‌شود، در نظر گرفته شده است. همچنین فصل هفتم به نتیجه‌گیری رساله اختصاص داده شده است. به منظور حفظ یکنواختی مطالب در راستای کاربرد مواد آلی در افزاره‌های الکترونیک نوری، برخی مطالب به صورت پیوست ارائه می‌شود.

تحت نظارت وف ایرانی