شماره ركورد
25202
شماره راهنما
ELE2 506
عنوان
بررسي و شبيهسازي عملكرد پيوند PN در ساختار مدولاتورهاي نوري پرسرعت
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي برق - مدارهاي مجتمع الكترونيك
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1404/07/30
صفحه شمار
144 ص .
استاد راهنما
حميدرضا كريمي علويجه
استاد مشاور
حسن زماني
كليدواژه فارسي
مدولاتورهاي نوري , فوتونيك سيليكوني , ميكرو تشديدگر حلقوي , شيفت دهنده فاز با پيوند PN , نرم افزار لومريكال
چكيده فارسي
با رشد روزافزون نياز به پهناي باند بالا در سامانههاي پردازشي و مخابراتي نوين، مدولاتورهاي نوري سيليكوني مبتني بر ميكرو حلقههاي تشديدگر به عنوان يكي از كليديترين اجزاي فوتونيك سيليكوني مورد توجه قرار گرفتهاند. اين مدولاتورها با بهرهگيري از اثر پاشندگي پلاسماي حاملهاي آزاد، امكان مدولاسيون الكترو-اپتيكي پرسرعت و كممصرف را در ابعاد ميكرومتري فراهم ميسازند. با اين حال،چالش اصلي در ساختارهاي مبتني بر تخليه حامل آزاد، وجود موازنه ذاتي ميان راندمان مدولاسيون و پهناي باند است كه كارايي آنها را محدود ميسازد.
در اين پاياننامه، به منظور بررسي و بهينهسازي اين چالش، عملكرد مدولاتورهاي ريز حلقه سيليكوني مبتني بر پيوند PN با ساختارهاي مختلف از جمله آرايش افقي، عمودي، U-شكل مورد بررسي قرار گرفته و ساختار Z-شكل به عنوان گزينه بهينه شبيهسازي شده است. طراحيها و شبيهسازيها با استفاده از نرم افزار Lumerical در چنديدن مرحله صورت گرفته است؛ ابتدا تحليل مدهاي موجبر و محاسبه ضريب تزويجگري ، سپس مدلسازي پروفايل آلايش و ميدانهاي الكتريكي، و در نهايت به منظور ارزيابي عملكرد ديناميكي مدولاتور، شبيهسازي در حوزه فركانس و زمان انجام شده است و پارامترهاي كليدي از جمله تغييرات ضريب شكست، بازدهي مدولاسيون، پهناي باند، پاسخ فركانسي و مصرف توان مورد ارزيابي قرار گرفتهاند.
نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه ساختار Z-شكل پيوند PN با طراحي بهينهشده نسبت به ساير ساختارها توازن بهتري ميان راندمان مدولاسيون و پهناي باند برقرار ميسازد. همچنين نشان ميدهد كه طراحي Z-شكل قادر است با كاهش مقاومت سري و ظرفيت خازني، بهبود چشمگيري در سرعت پاسخ و بازدهي به همراه داشته باشد و پتانسيل دستيابي به نرخهاي مدولاسيون در مقياس صدها گيگابيت بر ثانيه را دارا بوده و ميتواند بهعنوان گزينهاي عملي براي نسل آيندهي پيوندهاي نوري پرسرعت درونتراشهاي و بينتراشهاي مورد استفاده قرار گيرد.
يافتههاي اين پژوهش، ديدگاههاي نظري و عملي ارزشمندي براي بهينهسازي پيكربنديهاي پيوند PN در مدولاتورهاي نوري سيليكوني ارائه ميدهد. همچنين، ضمن تأييد كارايي گزارش شده در پژوهشهاي اخير، با ارائهي تحليل عددي دقيق، گامي مهمي در جهت توسعه فناوري فوتونيك سيليكوني به سمت تراشههاي فوق فشرده، كممصرف و پرسرعت به شمار ميآيد.
كليدواژه لاتين
Optical modulator , Silicon Photonic , Micro Ring Resonator , P/N Junction Phase Shifter , Lumerical
عنوان لاتين
Investigation and simulation of PN junction performance in high-speed optical modulator structures
گروه آموزشي
مهندسي برق
چكيده لاتين
With the rapidly growing demand for high bandwidth in modern processing and communication systems, silicon optical modulators based on micro-ring resonators have attracted significant attention as one of the key components of silicon photonics. These modulators, by exploiting the free-carrier plasma dispersion effect, enable high-speed and low-power electro-optic modulation. However, the main challenge in structures based on free-carrier depletion lies in the intrinsic trade-off between modulation efficiency and bandwidth, which limits their overall performance.
In this thesis, to investigate and optimize this challenge, the performance of silicon micro-ring modulators based on PN junctions with various configurations including horizontal, vertical, and U-shaped arrangements has been analyzed, and the Z-shaped structure has been simulated as the optimal option. The designs and simulations were carried out using Lumerical software in several stages: starting with waveguide mode analysis and coupling coefficient calculation, followed by modeling of doping profiles and electric fields, and finally, dynamic performance evaluation of the modulator through both frequency- and time-domain simulations. Key parameters such as refractive index variation, modulation efficiency, bandwidth, frequency response, and power consumption were assessed.
The simulation results demonstrate that the Z-shaped PN junction structure, with its optimized design, provides a superior balance between modulation efficiency and bandwidth compared to other configurations. Moreover, the Z-shaped design achieves a remarkable improvement in response speed and efficiency by reducing series resistance and junction capacitance, offering the potential to reach modulation rates in the range of hundreds of gigabits per second. This makes it a promising candidate for next-generation high-speed intra-chip and inter-chip optical interconnects.
The findings of this research provide valuable theoretical and practical insights into the optimization of PN junction configurations in silicon optical modulators. Furthermore, by confirming the effectiveness reported in recent studies and offering precise numerical analysis, this work takes an important step toward advancing silicon photonics technology toward ultra-compact, low-power, and high-speed integrated chips.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
148605
نويسنده