بخشی از مقاله
چکیده - محاسباتی بر اساس یک مدل تحلیلی انجام می شوند تا عرض ناحیه ی بهمنی اندیم فسفید را در گیرنده های نوری مبتنی بر دیود نوری بهمنی پر سرعت را بهینه نمایند. مدل شامل اثرات جریان تونل زنی، نویز بهمنی، و همبستگی آن با دوره ی بهمنی تصادفی، و همچنین فضای مرده می باشد. در عرض بهینه ی 0.18 μm و بهره ی بهینه در حدود 13، برای یک سیستم ارتباطی 10 Gb/s، با فرض سطح نویز جانسون با 629 الکترون نویز در هر بیت، پیش بینی می شود حداقل حساسیت گیرنده 28 dBm باشد. فعل و انفعال در میان عوامل کنترل کننده ی حساسیت بهینه تأیید می شود.
نتایج نشان می دهند که برای یک سرعت انتقال معین، با کاهش عرض قطعه به کمتر از یک مقدار بهینه، جریان تونل زنی افزایش یافته به علت فضای مرده مهم تر از کاهش نویز بهمنی است، که منجر به افزایش در حساسیت گیرنده می شود. زمانی که عرض قطعه به بیشتر از مقدار بهینه افزایش می یابد، حساسیت گیرنده با کاهش پهنای باند قطعه افزایش می یابد، که باعث می شود تداخل بین نمادی بر نویز بهمنی و نویز ضربه ای جریان تونل زنی غلبه کند
-1 مقدمه
دیودهای بهمنی - - APDs اندیم فسفید - - InP تبدیل به آشکار سازهای نوری انتخابی در سیستم های ارتباطی موج نور آشکار سازی مستقیم پر سرعت شده اند.[1] در مقایسه با آشکارسازهای نوری p-i-n، این دیودهای نوری بهمنی بهره ی نوری - الکترونیکی بایاس قابل کنترل، G، را ارائه می دهند که توسط یونش های ضربه ای حامل در منطقه ی بهمنی اندیم فسفید ایجاد می شوند، که جریان نوری را تقویت می کند. این تقویت، نویز جانسون را متوقف می کند و در نهایت حساسیت گیرنده را ارتقاء می دهد.[2]
عموماً، زمانی که بهره افزایش می یابد، فاکتور نویز اضافی و زمان بالابری بهمنی نیز افزایش می یابند. بنابر این، برای عرض ثابت منطقه ی بهمنی، یک بهره ی حداقل کننده حساسیت بهینه وجود دارد که تعادل بین نویز متوقف کننده ی جانسون در حالی که مشارکت های کاهش دهنده از فاکتور نویز اضافی را حفظ می کند و intersymbol interference - ISI - را در حداقل ارائه می دهد. مهم تر از این، تغییر عرض منطقه ی بهمنی به شدت بر حساسیت گیرنده تأثیر می گذارد، زیرا هر سه عامل فوق الذکر تغییر می کنند.[5]-[3] از یک سو، کاهش ضخامت منطقه ی بهمنی به کاهش فاکتور نویز اضافی - به علت اثر فضای مرده - و به حداقل رساندن ISI از طریق کاهش دفعات انتقال حامل در طول منطقه ی بهمنی کمک می کند. از سوی دیگر، افزایش در میدان در مناطق کم عرض بر جریان تونل زنی در آهنگ های نمایی تاثیر دارد.[6]
جدی ترین رویکرد تحلیلی برای بهینه سازی عرض منطقه ی بهمنی باید مبتنی بر در نظر گرفتن استاندارد عملکرد حساسیت گیرنده باشد، که حداقل قدرت نوری میانگین در هر بیت مورد نیاز برای تولید آهنگ خطای بیتی 12 - 10 گیرنده است. بدین ترتیب، داشتن یک مدل دقیق برای آهنگ خطای بیتی ضروری است، مدلی که عوامل مختلف مرتبط با سیستم و قطعه که عملکرد گیرنده را کنترل می کنند را در نظر می گیرد. گزارشاتی در نوشته های مربوط به فرمول بندی تحلیلی آهنگ خطای بیتی برای گیرنده های مبتنی بر دیود نوری بهمنی با در بر داشتن تداخل بین نمادی وجود دارد.
به عنوان مثال، فعالیت گزارش شده در مقاله ی [7] شامل تجزیه و تحلیل آهنگ خطای بیتی برای دیودهای نوری بهمنی غیر لحظه ای با در بر داشتن فضای مرده با استفاده از یک تخمین گوسی برای تابع چگالی احتمال - - PDF خروجی گیرنده، اگرچه با آمارهای دقیق مرتبه ی اول و مرتبه ی دوم، است. Groves و David اخیراً تجزیه و تحلیل مونته کارلو را بر گیرنده های اندیم فسفید شامل اثرات سرعت حامل، فضای مرده، و عرض منطقه ی بهمنی دیود نوری بهمنی را اجرا کرده اند.[8] همچنین اخراً،ی Sun و همکاران یک مدل سخت برای عملکرد گیرنده های مجتمع - و - انباشت مبتنی بر دیود نوری بهمنی آشکار سازی مستقیم پر سرعت ایجاد کرده اند.
مدل Sun به ما اجازه می دهد تا آهنگ خطای بیتی را محاسبه و در نتیجه حساسیت گیرنده را تعیین کن یم. مدل موجود در مقاله ی [9] شامل اثرات تداخل بین نمادی، یونش غیر محلی می باشد تا اثر فضای مرده، و همچنین همبستگی تصادفی بین بهره و دوره ی بهمنی را توجیه نماید. مثل مدل موجود در مقاله ی [7]، Sun و همکاران نیز از تخمین گوسی در مدل خود برای تابع چگالی احتمال خروجی گیرنده استفاده کردند.
اخراً،ی Sun و همکاران [10] مدل قبلی خود [9] را توسعه داده اند تا تجزیه و تحلیل دقیق آهنگ خطای بیتی - با استفاده از آمارهای دقیق چند برابر سازی بهمنی - و همچنین تجزیه و تحلیل مجانبی مبتنی بر تئوری انحراف بزرگ را در بر گیرد؛ مورد دوم عمومیت تجزیه و تحلیل های مجانبی قبلی توسط Letaief و [11] Sadowsky و Choi و [12] Hayat است. هرچند، هیچ نوعی از جریان تاریک، که می تواند به طور قابل توجهی در حساسیت و نویز دیود نوری بهمنی مشارکت داشته باشد، در مقاله های [9] - [12] مدلسازی نشد.
در این مقاله، ما فعالیت موجود در مقاله ی [9] را توسط گنجایش جریان تونل زنی اندیم فسفید مبتنی بر مقاله ی [13] را گسترش دادیم و به طور جدی مشکل بهینه سازی مرتبط با عرض منطقه ی بهمنی اندیم فسفید را حل می کنیم. علیرغم کلیت و پیچیدگی مدل گزارش شده در مقاله ی [9] و عمومیت آن در مقاله ی فعلیانصافاً، استفاده از آن آسان است. مدلی که برای اولین بار ارائه می شود اصطلاحات برای میانگین و واریانس خروجی گیرنده، با پارامترهای خوب تعریف شده که تداخل بین نمادی، سرعت آشکار سازی مرتبط با سرعت انتقال، و همبستگی پیچیده بین بهره ی دیود نوری بهمنی و زمان بالابری را به دست می آورد، را به صورت فشرده بیان می کند.
-2 مدلهای مورد بررسی
-1-2 بررسی مدل گزارش شده در مقاله ی [9]
از نظر ارتباط آن با مقاله ی حاضر، ما با بررسی جنبه های مربوطه ی مدل احتمالی برای تجزیه و تحلیل حساسیت گیرنده در مقاله ی [9] شروع می کنیم، که می توان آن را در چهار نکته ی اصلی زیر خلاصه کن یم. ابتدا، یک روش بازگشتی برای توصیف تابع توزیع احتمال توأم مرتبط با متغیرهای تصادفی شامل بهره ی تصادفی دیود نور ی بهمنی، G، و زمان دوره ی تصادفی بهمنی آن، T، ناشی از یک راه انداز ی منفرد بهمنی، ایجاد شد. دوم، یک مدل پارامتری تصادفی، بر حسب G و T، برای تخمین تابع تصادفی واکنش لحظه ای دیود نوری بهمنی - در نتیجه ی یک راه اندازی منفرد بهمنی - ایجاد شد؛ تخمین های دقیقی برای آمار های مرتبه ی اول و دوم تابع واکنش لحظه ای دیود نوری بهمنی به دست آمد.
سوم، مدل بیشتر در یک چارچوب احتمالی جدی به کار گرفته شد تا تابع مولد گشتاور - که وابسته به تبدیل z تابع توزیع احتمال است - متغیر تصادفی شامل بار الکتریکی کلی انباشته شده در زمان تجمع یک گیرنده ی مجتمع - و - انباشت را ارائه دهد. صورت گرایی دوم، محاسبه ی آمارهای خروجی گیرنده را ممکن می سازد در حالی که تداخل بین نمادی - برخاسته از یک جریان تصادفی نامتناهی بیت های قبلی - ، و همچنین اثر فضای مرده را به دست می آورد. چهارم، توصیف چنین گیرنده ای، محاسبه ی آهنگ خطای بیت و حساسیت را ممکن می سازد.
برای درک بهتر ماهیت آماری پهنای باند محدود به زمان بالابری، که ناشی از ماهیت تصادفی دوره ی بهمنی و همبستگی آماری آن با بهره است، Sun و همکاران نیز پهنای باند متناظر با نویز ضربه ای را معرفی کردند، که به صورت Bsneq = - G2/T - /2 - G - 2F تعریف می شود، در جایی که F فاکتور نویز اضافی است، و به صورت F = - G2 - / - G - 2 تعریف می شود، که پرانتزها میانگین گیری مجموعه را نشان می دهند. مقدار Bsneq را می توان با استفاده از تابع احتمال توأم G و T به دست آمده در مقاله ی [9] محاسبه کرد؛ این همچنین یک پهنای باند ارزشمند است که زمانی که در فرمول معمول برای نویز ضربه ای تقویت کننده ی دیود نوری بهمنی استفاده می شود، یعنی، 2 ، مقدار صحیح واریانس نویز ضربه ای مقاله ی [9] به دست می آید، که بازده کوانتومی دیود نوری بهمنی است، P قدرت نوری است، h ثابت پلانک می باشد، و v فرکانس فوتون است.
در مقاله ی [9] نشان داده شد که به علت تزویج تصادفی بین T و G، Bsneqمعمولاً بزرگتر از پهنای باند قدیمی dB 3 دیود نوری بهمنی، B3 dB، است که اغلب به عنوان نقطه ی پرش dB 3 در تبدیل فوریه ی تابع میانگین واکنش لحظه ای دیود نوری بهمنی در نظر گرفته می شود .[9] این اختلاف می تواند تا %30 باشد [9]، که منجر به یک خطای مشابه در پیش بینی واریانس نویز ضربه ای تقویت کننده ی دیود نوری بهمنی می شود در صورتی که B3 dB به اشتباه به جایB3 dB ¬ استفاده شود.
ما در حال حاضر روش تخمین گوسی استفاده شده در مقاله ی [9] را برای محاسبه ی آهنگ خطای بیتی توصیف می کنیم. خروجی گیرنده ی مجتمع - و - انباشت - در واحدهای الکترون - توسط یک متغیر تصادفی گوسی، اگرچه با واریانس و میانگین دقیق، تخمین زده شد، و آهنگ خطای بیتی با استفاده از فرمول معمول [14] محاسبه شد: - 1 - که 0 و 02 میانگین و واریانس برای خروجی گیرنده مشروط بر بیت فعلی - یعنی بیت اطلاعاتی متناظر با دوره ی تجمع فعلی گیرنده - را نشان می دهد که ”0“ است، و 1 و 12 مقادیر مشابه مشروط بر بیت فعلی است که برابر با ”1“ می باشد. در نهایت، عبارت -2 واریانس نویز جانسون انباشته شده در زمان تجمع را نشان می دهد. ما همچنین تأکید می کنیم که 0 ، 02 ، 1 ، و 12 مقادیری هستند که میانگین تمام الگوهای بیتی محتمل سابق هستند.
ما خاطر نشان می کنیم که عبارات موجود در معادلات - 6 - - 3 - - عمومیت ها ی عبارات قدیمی برای آمارهای خروجی گیرنده های مبتنی بر دیود نوری بهمنی یافت شده در نوشتجات ارتباطات نوری هستند .[14] در حالی که این عبارات اثرات معمول نویز ضربه ای و نویز اضافی به علت چند برابر سازی بهمنی را به دست می آورند، آن ها اثرات تداخل بین نمادی، سرعت نسبی آشکار ساز، و همچنین تزویج تصادفی بین بهره ی دیود نوری بهمنی و زمان بالابری از طریق استفاده ی مؤثر از پارامترهای جدید و را به دست می آورند.
