پایان نامه ارشد رایگان با موضوع بهبود عملکرد و مقایسه

2-3- آنالیز و مدلسازی WG_SACM_APD
آشکارساز های موجبری (WGPDs) به جهت بهبود یافتن بازده کوانتومی و زمان گذار کم در مقایسه با آشکارسازهای دیگر دارای سرعت بسیار بالا می باشند]18[. در این آشکار سازها شار فوتون بر جهت انتشار حامل ها عمود است بنابراین پهنای باند و بازده کوانتومی مستقل از یکدیگرند]19[. به علاوه تابش از کنار یعنی بازده کوانتومی تابعی از طول لایه جذب است نه ضخامت آن. بنابراین با یک لایه جذب بلند و باریک هم بازده کوانتومی که تابعی از طول است زیاد می شود و هم زمان گذار که به ضخامت بستگی دارد کم می شود، بنابراین آشکارساز موجبری را برای کاربردهای با سرعت انتقال داده بالا مناسب می سازد]20[. تاکنون تحقیقات موثری در بهبود عملکرد این آشکارسازها صورت گرفته است]21[ , ]22[. برای مثال یک موجبر InGaAs PIN-PD با سرعت 40 GHz با بازده کوانتومی 40% در ]21[ و یک موجبر قارچی شکل با پهنای باند 110GHz در ]22[ ساخته شده است.
در یک آشکارساز با ساختار موجبری برای بالا بردن مشخصه گین –پهنای باند نواحی جذب و تکثیر را مجزا از هم در نظر می گیرند، تا جذب در یک ناحیه باریک و بلند و تکثیر در یک ناحیه عریض تر صورت گیرد]23[. با اضافه کردن یک لایه شارژ بین لایه های جذب و تکثیر میدان اعمال شده به ناحیه تکثیر زیاد شده و در نتیجه این مشخصه افزایش می یابد. دو لایه grading بین ناحیه جذب و نواحی شارژ و P+ با کاهش دادن تفاوت گاف های انرژی دو لایه باعث کاهش به دام افتادن حامل ها و در نتیجه افزایش سرعت می شود]24[ , ]25[.
ساختار یک آشکار ساز موجبری WG-SACM-APD د رشکل (2-13) نشان داده شده است.
شکل (2-13) ساختار یک SACM-APD
در]26[ یک InGaAs–InAlAs WGAPD با مشخصه گین- پهنای باند 320 GHz معرفی شده است. در ] 3[ یک آشکارساز موجبری با سرعت 10 Gb/s با بازده کوانتومی 76% و مشخصه گین پهنای باند 80-GHz مطالعه شده است. در ]27[ یک SAM-APD بر اساس ساختار دوقلوی موجبری برای کاربردهای 1.55 μm با پهنای باند خارجی 28.5GHz در گین های تکثیر 4 معرفی شده است.
از آنجا که آشکارسازهای نوری از اجزای کلیدی گیرنده های نوری می باشند مدلسازی مداری و آنالیز آن ها بسیار مهم است .
2-3-1- پاسخ زمانی آشکارساز
در آشکارساز WG-SACM-APD تابش نور از کنار باعث بوجود آمدن جفت الکترون – حفره می شود. در اثر میدان الکتریکی الکترون های اولیه به سمت لایه N+ رفته در حالیکه حفره های اولیه به P+ می روند. بعد از عبور ناحیه مرده در لایه تکثیر توسط الکترون ها (Δwm) الکترون ها و حفره های ثانویه بوجود می آیند و در اثر میدان الکتریکی به سمت N+ و P+ می روند. این میدان باید به اندازه ای باشد که باعث شود که الکترون ها و حفره ها با سرعت های اشباع n ν وp ν به حرکت در بیایند]28[.
برای شروع آنالیز ابتدا پاسخ زمانی حامل ها برای بدست آوردن جریان نوری آشکارساز محاسبه می شود. پاسخ زمانی الکترون های اولیه Np(t) و حفره های اولیه Pp(t) که توسط توان پالس نور ورودی Pi بوجود می آیند برابر است با:
(2-45)
(2-46)
که در این روابط بازده کوانتومی، h ثابت پلانک، فرکانس نور ورودی، ، و به ترتیب ضخامت های لایه های جذب، تکثیر و و مجموع شارژ و grading می باشند. در فرمول (2-45) ترم تولید و رانش الکترون ها و ترم دوم یعنی جمع آوری این حامل ها توسط الکترودها را نشان می دهد.
بازده کوانتومی از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
(2-47)
که بازده کوپلینگ، R انعکانس آشکارساز، ضریب جذب، ضریب محدود کردن لایه جذب و l طول لایه جذب است. فرض بر این است که تمام الکترون های اولیه پروسه تکثیر فشرده را فورا تجربه کرده و الکترون های ثانویه تولید می شوند. پروسه بهمنی با کانوولو کردن ترم در الکترون های اولیه بدست می آید که Mo گین تکثیر و زمان ایجاد پدیده بهمنی است. معادلات زیر پاسخ زمانی الکترون ها و حفره های ثانویه را نشان می دهد:
(2-48)
اگر xa < xm – Δwm باشد فرمول بالا به صورت زیر در می آید:
(2-49)
پاسخ زمانی حفره های ثانویه برابر است با:
(2-50)
نحوه محاسبه این فرمول ها به صورت زیر است]8[:
حفره های اولیه
در بازه زمانی 0< t , where (2-51)