Skip to main content
SUPERVISOR
Asghar Gholami,Reza Safian
اصغر غلامی (استاد راهنما) رضا صفیان (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Yazdanipour
محمد یزدانی پور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Analysis and Simulasion of Multi Mode Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) are highly desirable in cost-effective applications as the Gigabit Ethernet optical communication systems and recently in long haul and DWDM optical communication systems. Some of the VCSEL advantages are very low threshold current, single longitudinal mode operation, circular output beam, low cost manufacturing, and compatibility with on-wafer probe testing. However, despite of these benefits, they still exhibit a number of less desirable characteristic. For example, some intricate effects such as spatial hole burning, current spreading, and thermal gradient in cavity, which cause higher order modes supported by the cavity, relaxation oscillations and secondary pulsations in the turn-off transient [4], and thermal behavior are the most important limitations of VCSEL performance causing errors in the receiver.. Eye diagram is a common and powerful tool to investigate the performance of a digital communication system. Eye diagram can determine signaldisturbance, jitter, ISI, and noise. Actually, the more open eye means the better and higher quality signal. Unfortunately, some problems such as drastic dependency to temperature, low optical power, multi transverse mode operation and etc are in related with using VCSELs. Because of high power single mode laser requirement in long-haul optical communication applications, in this research a novel structure using two oxide layers with different aperture sizes and locations is proposed. Moreover, for improving modulation speed, an ion iplant area is used in proposed structure. Design and analysis methods of a lot of kinds of VCSELs are investigated and their advantages and drawbacks are discussed as well. Another problem of VCSELs is lack of a comprehensive and circuit level model for it. So a more complete model is suggested here involving important effects such as self-heating, satial hole burning, thermal lensing, self focusinf and etc. Moreover, some solutions are proposed to minimize the effect of these unwanted phenomena. From our knowledge, no one model thermal lensing and self focusing. The static and dynamic behaviour of VCSEL is investigated and modulation responses of vertical modes are iected. Then the model is changed to an HSPICE model which is very useful for driver design. Another feature of this model is a superior electrical model for VCSEL. Influence of current shaping is investigated using HSPICE VCSEL model. Finally, the impact of every kind of low pass filters on output eye diagram is investigated and the performance of VCSEL is improved by optimizing band width of every filter. Keywords: VCSEL, Single mode power, Spatial hole burning, Thermal lensing, Self focusing
امروزه لیزرهای نیمه‌هادی گسیل کننده عمود بر سطح کاواک بدلیل مزایای ذاتیشان نسبت به لیزرهای لبه‌ای بسیار مورد توجه می‌باشند. قابلیت آرایه‌پذیری دوبعدی، قابلیت تست بر روی تراشه، اندازه‌ی کوچک، سرعت بالا و هزینه‌ی کم آن را برای کاربرد در سیستم‌های مخابرات نوری دوربرد و نزدیک برد جذاب کرده است. اما متاسفانه مشکل وابستگی شدید به دما، توان نوری خروجی پایین، تحریک مدهای عرضی مرتبه‌ی بالاتر و غیره از مشکلات استفاده از وکسل می‌باشد. به دلیل اینکه در کاربردهای مخابرات نوری دور برد به لیزر‌های تک مد توان بالا نیاز است، در این تحقیق یک ساختار جدید با استفاده از دو روزنه‌ی اکسید با اندازه‌ها و موقعیت‌های متفاوت پیشنهاد می‌گردد که با انتخاب مناسب پارامترها و محل لایه‌های اکسید می‌توان توان خروجی را برای حالت تک مود بیشینه نموده و افزایش داد. در این ساختار همچنین از لایه‌ی کاشت یونی نیز استفاده شده که نشان داده می‌شود که با بهینه کردن قطر روزنه‌ی آن می‌توان عناصر پارازیتی وکسل را کمینه کرده و در نتیجه سرعت مدولاسیون را افزایش داد. در این پایان نامه نحوه‌ی طراحی و آنالیز انواع ساختار‌های وکسل بررسی می‌شود و مزایا و معایب ساختارهای مختلف ارائه می‌گردد. یکی دیگر از مشکلات استفاده از وکسل‌ها عدم وجود یک مدل جامع، کارآمد و دقیق و در عین حال در سطح مدار می‌باشد. مدل‌های موجود یا دقت لازم را ندارند و یا آنقدر پیچیده و زمانبر هستند که برای شبیه‌سازی در سطح مدار مناسب نمی‌باشند. در این راستا مدلی کاملتر ارائه می‌گردد تا علاوه بر پدیده‌هایی مانند خودگرم شدگی، سوزش حفره‌ی فضایی و غیره که توسط نویسندگان مختلف مدل شده‌اند اثرات انتقال حامل، لنزینگ گرمایی، خود‌کانونی و غیره را در نظر بگیرد و راه حل‌هایی برای از بین بردن آثار نامطلوب پیشنهاد می‌گردد. لنزینگ گرمایی و خودکانونی باعث تغییر پروفایل مدهای عرضی و عملکرد مولتی مود عرضی می‌شود و همچنین در کوپلینگ بین فیبر نوری و لیزر از اهمیت بالایی برخوردار است. تا آنجا که ما اطلاع داریم، در مدل‌هایی که قبلاً ارائه شده است این پدیده تابحال در مدل مداری وکسل در نظر گرفته نشده است. در این تحقیق این پدیده‌ها نیز به مدل اضافه شده و اثر آن مورد بررسی قرار گرفته است. مدل بر اساس معادلات نرخ می‌باشد که برای شبیه‌سازی در سطح مدار بسیار مناسب می‌باشد. رفتار استاتیک و دینامیک وکسل بررسی شده و پدیده‌های مرتبط بحث می‌گردد. پاسخ مدولاسیون مدهای عرضی وکسل بررسی شده و راه حلی برای کمینه کردن اثرات نامطلوب مانند سوزش حفره‌ی فضایی ارائه می‌گردد. سپس مدل پیشنهادی همراه با یک مدل پارازیتی کامل به صورت یک قطعه در شبیه ساز HSPICE پیاده‌سازی می‌گردد تا بتواند بصورت کاربردی در طراحی مدارها مورد استفاده قرار گیرد. با استفاده از مدل سطح مدار اثر شکل جریان درایو بر عملکرد وکسل بررسی شده و با بهینه کردن شکل جریان، راه حلی برای بهینه کردن دیاگرام چشمی خروجی پیشنهاد می‌گردد. در پایان اثر انواع فیلترهای پایین گذر بر جریان درایو و توان خروجی نوری وکسل بررسی شده و نشان داده می‌شود که با بهینه کردن پهنای باند هر فیلتر می‌توان عملکرد وکسل را بهبود داد. کلمات کلیدی: 1-وکسل 2- توان تک مد 3- سوزش حفره فضایی 4-لنزینگ گرمایی و خودکانونی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی