پایان نامه ارشد رایگان با موضوع پیشرفت تکنولوژی و قابلیت اطمینان

شکل (3-12) مشخصه گین-پهنای باند WG-SACM-APD برای Rl=50Ω و Ls=0 برای xa از 50 تا 250nm 102
شکل(3-13) پهنای باند بر حسب ضخامت لایه تکثیر برای xa های مختلف و گین 10 و سطح 100μm2. 104
فصل اول
1-1- مقدمه
با پیشرفت تکنولوژی، سیستم های مخابرات نوری از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است. سرعت و کیفیت مطلوب انتقال از مهمترین ویژگی های مخابرات نوری می باشد. عواملی از جمله تضعیف زیاد سیگنال در سیستم های بدون سیم یا با سیم مسی و محدودیت ظرفیت انتقال این سیستمها، در کنار عواملی چون مصونیت فیبر های نوری از لحاظ تداخل و کیفیت مطلوب سیگنال باعث سوق به سیستم های مخابرات نوری شده است. آشکار ساز های نوری از آن جهت که اولین بخش گیرنده را تشکیل می دهند دارای اهمیت ویژه ای هستند و از میان آن ها آشکار ساز های APD به علت گین بالا تر مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. آشکار ساز (WG-SACM-APD) از آن جهت که نور از کنار لایه جذب به آن می تابد دارای سرعت بالاتر و پهنای باند بیشتر است]1-2[.
1-2- تشریح و بیان مساله
1-2-1- آشکار ساز نوری
سیستم مخابرات نوری عبارت است از هر فرم انتقال اطلاعات که در آن نور حامل انتقال داده باشد، کانال چنین ارتباطی می تواند فضای آزاد یا فیبر نوری باشد و از سه بخش اصلی فرستنده، خط انتقال و گیرنده تشکیل شده است. در شکل زیر ساختار یک سیستم مخابرات نوری دیده می شود.
شکل (1-1). شمای کلی یک سیستم مخابرات نوری]1[
آشکار ساز نوری اولین بخش در گیرنده سیستم های مخابرات نوری است که وظیفه آن دریافت اطلاعات ارسالی از طریق فیبر نوری و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی می باشد. یک آشکار ساز نوری برای عملکرد مطلوب در سیستم گیرنده باید دارای قابلیت اطمینان بالا، پاسخدهی سریع یا حساسیت زیاد در محدوده طول موج گسیل شده از منبع نوری ، نویز کم و پهنای باند کافی برای سرعت مطلوب انتقال اطلاعات باشد.
به علاوه در کاربردهایی که لازم است سیگنال نوری با سطوح پایین انرژی آشکار شود نیاز به یک آشکار ساز با حساسیت بالا می باشد.
سه مرحله در فرآیند آشکار سازی نوری وجود دارد مرحله اول جذب انرژی نوری و تولید حاملهاست. مرحله دوم انتقال با بهره یا بدون بهره حامل های تولید شده به وسیله نور از ناحیه جاذب و یا ناحیه گذار و مرحله سوم جمع آوری حامل ها و تولید جریان نوری که در یک مدار خارجی جاری می گردد.
چون آشکار ساز نوری اولین بخش از گیرنده نوری است شبیه سازی و تجزیه و تحلیل این افزاره نقش مهمی در مخابرات نوری دارد]1-2[.
1-2-2- آشکار ساز نوری بهمنی
یکی از مهمترین آشکار ساز های نوری که قادر است همزمان به آشکار سازی نور و تقویت داخلی جریان بپردازد دیود نوری بهمنی (APD) می باشد. دیود نوری بهمنی به علت بهره داخلی نسبت به بقیه آشکار ساز ها ارجحیت دارد و امروزه در بسیاری از سیستم های مخابرات نوری مورد استفاده قرار می گیرد.
این وسیله اساسا یک نوع پیوند p-i-n است که بطور معکوس بایاس شده است و در ولتاژ نزدیک به ولتاژ شکست کار می کند . حامل های نوری تولید شده در منطقه تخلیه با سرعت های اشباع شان حرکت می کنند و اگر انرژی کافی از میدان در حین انتقال کسب کنند، برخوردهای یونیزه کننده با شبکه می تواند اتفاق افتد.
جفت الکترون – حفره های ثانویه ای که در این فرآیند تولید شده اند مجددا در جهات مخالف رانده می شود ویا ممکن است بیشتر آنها همراه با حامل های اولیه حامل های جدید را تولید کنند این فرآیند به عنوان یونیزاسیون ضربه ای شناخته می شود که منجر به تکثیر حامل ها و ایجاد بهره می گردد بسته به ماده نیمه هادی و طراحی قطعه می توان به بهره های خیلی بالا دست یافت]1-2[.
از میان آشکار ساز های مختلف بهمنی می توان به نمونه هایی از جمله SAD، SAM-APD SACM-APD ، SAGM-APD ، SAGCM-APD و WG-SACM-APD اشاره کرد که از میان آن ها آشکار ساز موجبری به علت سرعت بالا و پهنای باند بیشتر امروزه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در آشکار ساز با ساختار موجبری نور از کنار لایه جذب تابانده می شود و بدین ترتیب با یک لایه جذب باریک و بلند، زمان گذار کم و بازده کوانتومی بالا بدست می آید.
تا کنون تلاش های بسیاری جهت بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری بهمنی به خصوص آشکار ساز های با ساختار موجبری شده است . در سال 2000 ناکاتا یک 10 Gb/s WG-APD با بازده کوانتومی 76% و یک مشخصه پهنای باند – بهره 80-GHz را بررسی کردند]3[.
در سال 2001 کمپل و کینسی یک آشکار ساز نوری موجبری با ساختار InGaAs–InAlAs با مشخصه پهنای باند -بهره 320-GHz و پهنای باند بهره واحد 28-GHz را بررسی کردند]4[. در سال 2002 توسط وی و فورست یک SAM-APD بر اساس ساختار متقارن Twin-WG برای کاربردهای 1.55um معرفی شد. این آشکار ساز پهنای باند خروجی 28.5 GHz و بهره تکثیر برابر با 4 را داراست]5[. جان بوور و هاوکینز برای اولین بار اثر میدان الکتریکی بر ناحیه تکثیر را بررسی کردند. قبلا فرض می شد که ناحیه تکثیر بسیار باریک است و پیک میدان بسیار دور تر از ناحیه جذب قرار می گیرد که فرض بسیار دور از واقعیت و فقط مختص آشکارسازهای با ساختار ناهمجنس از جنس سیلیکن است. آنها مدلی تئوری ارائه دادند که عرض ناحیه تکثیر را اختیاری گرفته و پیک میدان نیز می تواند روی ناحیه جذب بیافتد. عوامل پارازیتی، زمان گذار و زمان تشکیل بهمن و تابش از کنار و بالا نیز مورد بررسی قرار گرفت]6[.
در سال 2003 جمال دین و باتاوی مدلی فیزیکی برای (RCE-SAGCM-APD) ارائه دادند. ابتدا مدلی با نرم افزارSPICE برای RCE-SAGCM-APD برای نشان دادن وابستگی تابع تبدیل به ابعاد،پارامترهای ماده و گین تکثیر ارائه شد ونشان داده شد که بسیار شبیه به نتایج تجربی است. مشخصه پهنای باند-بهره این آشکارساز ، RCE-APDبرای سطح و ضخامت های مختلف بررسی شد]7[.
ایندو در سال 2005 یک مدل تئوری فیزیکی برای WG-APD ارائه دادند. در این مدل هم پاسخ زمانی هم فرکانسی برای این آشکار ساز برای ضخامت های مختلف لایه های جذب و تکثیر شبیه سازی شده است]8[. عوامل پارازیتی نیز مورد بررسی قرار گرفته و نشان داده شد که چگونه با یک سلف خارجی سری با مقاومت بار می توان این عوامل را کاهش داد. نتایج بدست آمده بسیار شبیه نتایج تجربی می باشد. همچنین مشخصه گین و پهنای باند نیز برای ضخامت های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است و وابستگی عملکرد آشکارساز به ابعاد و پارامترهای ماده مورد بررسی قرار گرفته است.
در سال 2010 وو و وانگ یک مدل مداری بر اساس تئوری سیگنال و سیستم برای آشکارساز SAGCM-APD ارائه دادند در این مدل مداری پاسخ فرکانسی مورد بررسی قرار گرفت و با نتایج تجربی مقایسه گردید و تاثیرر سه عامل مهم از جمله زمان گذار و زمان تشکیل بهمن و عوامل پارازیتی روی پاسخ فرکانسی مورد بررسی قرار گرفت]9[.
در سال 2011 شیبا و ناکاتا با قرار دادن یک لایه تخلیه در ناحیه جذب پهنای باند 3dB آشکارساز را بدون کم کردن بازده افزایش دادند. این ساختار برای عملکرد سریع و پاسخ دهی بالا طراحی شده است و پهنای باند 3dB این آشکارساز برای ضریب تکثیر 0.7 بیش از 20GHz می باشد و پاسخ دهی برای طول موج 1.31μm برابر با 0.6 A/W و برای طول موج 1.55μm برابر با 0.75 A/W می باشد]10[.
1-3- انواع آشکار سازهای نوری بهمنی: