بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک نوع آشکارساز نوری موج رونده طراحی و در فرکانسهای رادیویی تحلیل شده است که قابلیت مجتمع سازی با سایر ادوات فعال و غیر فعال نوری همچون تقویت کننده نیمههادی نوری، مدولاتور و شیفت دهنده فاز را داراست. این آشکارساز دارای پهنای باند 120 GHz بوده و مشخصه امپدانسی آن منطبق بر بار و برابر با 50 میباشد. همچنین ضریب شکست نوری و ضریب شکست گروه الکتریکی در عمده فرکانسها برابربا 3.62 است.
-1 مقدمه
افزایش تقاضای اینترنت، نیاز به ادوات فوتونیکی سرعت بسیار بالا را به شدت افزایش داده است. این ادوات باید به گونهای باشند که بتوان با سایر ادوات نوری فعال و غیر فعال نوری همچون SOA، مدولاتور، شیفت دهنده فاز، MMI، MZI و AWG مجتمع سازی یکپارچه نمود تا هزینههای ساخت و تزویج نور به تراشه را کاهش داد .
آشکارسازهای نوری موج رونده - TWPD - معمولا دارای بازده کوانتومی بسیار بالا و سرعت بسیار زیاد می باشند. pin-TWPD دارای ساختمانی مشابه با آشکارسازهای موجبری - WGPD - میباشد اما در WGPD ها بین بار و امپدانس مشخصه، عدم تطبیق وجود دارد. به علت وجود المانهای پارازیتیکی در WGPD، پهنای باند دارای محدودیت میباشد. Giboney [1] با طراحی خاص الکترودهای یک آشکارساز موجبری توانست یک TWPD طراحی نماید که امپدانس مشخصه آن منطبق بر بار باشد. ضمنا، TWPDها دارای دو بخش مایکرویو و نوری هستند که در آنها سرعتهای گروه نوری و مایکرویو برابر می باشند.
در مرجع [1]، یک TWPD باسرعت 170 GHz و بازده کوانتومی 50% بر روی زیر لایه GaAs محقق شده است. .[2] Beling یک TWPD با الکترودهای متناوب و تغذیه موازی گزارش نمود که دارای پهنای باند 85 GHz است ولی ساختمان لایهها مناسب برای مجتمعسازی با سایر ادوات نوری نمیباشد. در این مقاله، یک pin-TWPD طراحی شده است که ساختمان لایههای ان قبلا برای ساخت SOA بر روی زیر لایه n-InP با آلایندگی زیاد [3] و یک WGPD با پهنای باند 35 GHz و قابلیت پاسخ دهی 0.25 A/W در طول موج 1.55 m با پهنای 2 m و طول 30 m بر روی زیر لایه نیمه عایقی InP استفاده شده است.
-2 ساختمان TWPD
در شکل - 1 - سطح مقطع TWPD همراه با ابعاد و آلایندگی لایهها نشان داده شده است. لایه موجبری از یک لایه بدون آلایندگی و جاذب نور InGaAsP با طول موج شکاف باند 1.55 m - که i-Q - 1.55 - نامیده میشود - و دو لایه i-Q - 1.25 - در اطراف آن تشکیل شده است. وظیفه این دو لایه، کاهش سد پتانسیلی و افزایش تحدید نوری است. ضخامت این سه لایه به ترتیب 120 , 270, 270 nm میباشد.
سه لایه پوششی با آلایندگی تدریجی p و ضخامت کلی 900nm و دو لایه بافر با آلایندگی تدریجی n و ضخامت 1300nm با استفاده از ماده InP تشکیل شدهاند. یک لایه p-InGaAs با آلایندگی بسیار زیاد بر روی لایههای پوششی قرار دارد تا مقاومت اهمی اتصال p را کاهش دهد.
سایر مشخصات TWPD عبارتند از: Wridge=750nm، Wsig=1000nm، .W gap=8 m ضمنا زیر لایه نیمه عایقی، تضعیف مایکرویو و خازنهای پارازیتیکی را کاهش میدهد و ایزولاسیون عایقی خوبی بین ادوات به وجود میآورد. پلیاماید نیز برای قرار دادن الکترود سیگنال بر روی آن استفاده میشود. با اعمال بایاس معکوس بر روی ساختمان pin، زوج الکترون -حفره تولید شده در ناحیه تخلیه به سمت الکترودها حرکت می کنند.
شکل -1سطح مقطع یک TWPD استفاده شده در طراحی همراه با آلایندگی لایهها.
-3 نتایج شبیهسازی
TWPD را با استفاده از نرم افزار Ansoft HFSS مطابق با سطح مقطع این آشکارساز ارایه شده در شکل - - 1 در فرکانس های رادیویی شبیه سازی نمودیم. توزیع میدان الکتریکی در شکل - 2 - نشان داده شده است و نشان می دهد که ماکزیمم میدان در ناحیه تخلیه شامل لایههای Q - 1.55 - و Q - 1.25 - قراردارد. چون لایه بافر n++-InP دارای سطح آلایندگی 1e18/cm3 است لذا مود الکتریکی تقریبا به صورت مایکرواستریپ است
با توجه به مشخصات آشکارساز موجود در بخش 2، تلفات، ضریب شکست مایکرویو و امپدانس مشخصه آشکارساز در شکل 3 نشان پهنای کمتر، تلفات مایکرویو را کاهش میدهد و کاهش پهنای الکترود و ضخامت طلا، تلفات مایکرویو را افزایش میدهد.
کمترین پهنای پشته 750 nm است بهگونه ای که با کاهش پهنای پشته، میدان نوری در مود قطع قرار خواهد گرفت. ضریب شکست گروه نوری با استفاده از نرم افزار COMSOL برابر با 3.62 محاسبه گردید. چون ضریب شکست مایکرویو محاسبه شده خیلی نزدیک به ضریب شکست گروه نوری است لذا میتوان نتیجه گرفت که پهنای باند مایکرویو TWPD با تضعیف مایکرویو محدود میگردد که پهنای باندی بیشتر از 120 GHz را نشان می دهد. امپدانس مشخصه TWPD باید به امپدانس بار 50 تطبیق یابد . امپدانس مشخصه را میتوان با استفاده از پارامترهای S محاسبه شده توسط آشکارساز بدست آورد. امپدانس مشخصه شبیه سازی شده TWPD در اغلب فرکانس های بالاتر از 20 GHz حدود 50 است
-4 نتیجهگیری
در این مقاله یک TWPD مبتنی بر لایههای ساختمان یک تقویت کننده نوری تحلیل شده است. برای تحلیل این آشکارساز از نرم افزار HFSS استفاده شده است و پارامترهای S در فاصله فرکانسی 0 تا 120 GHz محاسبه گردیده و سپس از روی پارامترهای S سایر پارمترهای مورد نظر شامل تضعیف مایکرویو، ضریب شکست مایکرویو و امپدانس مشخصه آشکارساز محاسبه گردیدهاند.
با معرفی یک ساختار لایه و آلایندگی لایهها، پهنای باند الکتریکی در نقطه 6.41dBe بیشتر از 120GHz، امپدانس مشخصهای حدود 50 که برابر با امپدانس بار است و ضریب شکست مایکرویوی نزدیک به ضریب شکست گروه نوری، 3.62، بدست آمد . با مقایسه این آشکارساز با آشکارساز موجبری موجود در مرجع [4]، میتوان نتیجهگیری کرد که بازده کوانتومی حدود 100% خواهد بود
قسمت حقیقی امپدانس مشخصه یک TWPD بر حسب فرکانس تا فرکانس .120 GHz داده شده است. سه پارامتری که تلفات مایکرویو و ضریب شکست آن را تعیین میکند عبارتند از: پهنای پشته - ridge - ، ضخامت طلا و پهنای الکترود سیگنال.
