محاكاة OptiSystem لتصميم PIN-TIA منخفض التكلفة بسرعة 1 جيجابت/ث لتحقيق أداء يقترب من الثنائيات الضوئية الانهيارية
DOI:
https://doi.org/10.66411/jer.v41i2.422الكلمات المفتاحية:
ثنائي الانهيار الضوئي، ثنائي PIN، مضخم المعاوقة العابرة، الاتصالات البصرية في الفضاء الحر، معدَّل الخطأ في البت، عامل Q، حساسية المستقبِل، ضوضاء الطلقات، عامل الضوضاء الزائدة، الضوضاء الحرارية، OptiSystemالملخص
يُعَدُّ اختيار مقدمة الكاشف الضوئي المناسبة من أهم القرارات الهندسية في تصميم أنظمة الاتصالات البصرية في الفضاء الحر (FSO). توفِّر ثنائيات الانهيار الضوئية (APDs) تحسينات كبيرة في الحساسية من خلال كسب التضاعف الداخلي، إلا أن متطلباتها من الجهد العالي وحساسية الكسب لدرجة الحرارة تُدخل تعقيداً وتكلفة يصعب تبريرهما في الوصلات متوسطة المسافة. أما ثنائيات PIN فتمثِّل الطرف المقابل: بسيطة، منخفضة التكلفة، وخالية من ضوضاء التضاعف الزائدة، غير أن أداءها يتدهور بشدة مع انخفاض القدرة المُستقبَلة وهيمنة الضوضاء الحرارية. تبحث هذه الورقة فيما إذا كان بإمكان ثنائي PIN مقترناً بمضخِّم المعاوقة العابرة (PIN-TIA) أن يسد هذه الفجوة من خلال استعادة معظم ميزة حساسية APD مع الحفاظ على بساطة وانخفاض تكلفة المقدمة المعتمدة على PIN. تمَّت مقارنة ثلاث طوبولوجيات مستقبلات لوصلة FSO بسرعة 1 جيجابت/ث، وهي: APD، وPIN مستقل، وPIN-TIA، باستخدام اشتقاق صارم لميزانية الضوضاء، ومحاكاة محكومة في برنامج OptiSystem تتشارك فيها الفروع الثلاثة الإشارة الضوئية المُستقبَلة ذاتها عبر مُقسِّم بصري متساوي الفقد بين الفروع. وقد جرى تقييم معدَّل الخطأ في البت (BER) على نطاق مسافي من 6 إلى 12 كم بمعدَّل توهين 1 ديسيبل/كم، وكذلك على نطاق استجابية الكاشف عند توهين ثابت قدره 6 ديسيبل. وعبر بُعدَي المسح كليهما، يَتتَّبع منحنى BER الخاص بـ PIN-TIA منحنى BER الخاص بـ APD بشكل وثيق، ويتفوَّق على PIN المستقل بهامش كبير، مما يُرسِّخه بديلاً جذاباً وفعَّالاً من حيث التكلفة لتحقيق أداء مماثل لـ APD في عمليات النشر العملية لأنظمة FSO بسرعة 1 جيجابت/ث.
المراجع
[1] M. A. Khalighi and M. Uysal, "Survey on free space optical communication: A communication theory perspective," IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 16, no. 4, pp. 2231–2258, 4th Qtr., 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/COMST.2014.2329501
[2] A. Trichili, M. A. Cox, B. S. Ooi, and M.-S. Alouini, "Roadmap to free space optics," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 37, no. 11, pp. A184–A201, Nov. 2020. DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAB.399168
[3] Z. Ghassemlooy, W. Popoola, and S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2012.
[4] A. U. Chaudhry and H. Yanikomeroglu, "Free space optics for next-generation satellite networks," IEEE Consum. Electron. Mag., vol. 10, no. 6, pp. 21–31, Nov. 2021. DOI: https://doi.org/10.1109/MCE.2020.3029772
[5] J. Liang, A. U. Chaudhry, E. Erdogan, H. Yanikomeroglu, G. K. Kurt, P. Hu, K. Ahmed, and S. Martel, "Free-space optical satellite networks performance analysis: Transmission power, latency, and outage probability," IEEE Open J. Veh. Technol., vol. 5, pp. 244–261, 2024. DOI: https://doi.org/10.1109/OJVT.2023.3341409
[6] L. C. Andrews and R. L. Phillips, Laser Beam Propagation Through Random Media, 2nd ed. Bellingham, WA, USA: SPIE Press, 2005. DOI: https://doi.org/10.1117/3.626196
[7] M. A. Esmail, H. Fathallah, and M.-S. Alouini, "Outdoor FSO communications under fog: Attenuation modeling and performance evaluation," IEEE Photonics J., vol. 8, no. 4, Art. no. 7905622, Aug. 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2592705
[8] R. J. McIntyre, "Multiplication noise in uniform avalanche diodes," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 13, no. 1, pp. 164–168, Jan. 1966. DOI: https://doi.org/10.1109/T-ED.1966.15651
[9] F. Capasso, "Physics of avalanche photodiodes," in Semiconductors and Semimetals, vol. 22, New York, NY, USA: Academic, 1985, pp. 1–172. DOI: https://doi.org/10.1016/S0080-8784(08)62952-X
[10] X. Jiang et al., "InGaAs/InAlAs avalanche photodiodes for high speed optical communications," J. Lightw. Technol., vol. 38, no. 12, pp. 3365–3373, Jun. 2020.
[11] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, 2nd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2007.
[12] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, 4th ed. New York, NY, USA: Wiley, 2010. DOI: https://doi.org/10.1002/9780470918524
[13] B. Razavi, "The transimpedance amplifier," IEEE Solid-State Circuits Mag., vol. 11, no. 1, pp. 10–15, Winter 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/MSSC.2017.2771102
[14] A. A. Abidi, "On the choice of optimum FET size in wide-band transimpedance amplifiers," J. Lightw. Technol., vol. LT-6, no. 1, pp. 64–66, Jan. 1988. DOI: https://doi.org/10.1109/50.3965
[15] F. Xu, M.-A. Khalighi, and S. Bourennane, "Impact of different noise sources on the performance of PIN- and APD-based FSO receivers," in Proc. 11th Int. Conf. Telecommun. (ConTEL), Graz, Austria, Jun. 2011, pp. 211–218.
[16] O. Kharraz and D. Forsyth, "Performance comparisons between PIN and APD photodetectors for use in optical communication systems," Optik, vol. 124, no. 13, pp. 1493–1498, Jul. 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2012.04.008
[17] Optiwave Systems Inc., OptiSystem User Reference and Component Models. Ottawa, ON, Canada: Optiwave, 2020.
[18] S. D. Personick, "Receiver design for digital fiber optic communication systems, Parts I and II," Bell Syst. Tech. J., vol. 52, no. 6, pp. 843–886, Jul.–Aug. 1973. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1973.tb01994.x
[19] P. P. Webb, R. J. McIntyre, and J. Conradi, "Properties of avalanche photodiodes," RCA Rev., vol. 35, pp. 234–278, Jun. 1974.
[20] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, 5th ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2021. DOI: https://doi.org/10.1002/9781119737391
[21] R. Wu et al., "A 40-Gb/s transimpedance amplifier in 0.18-µm CMOS for optical communications," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 6, pp. 925–931, Jun. 2004.
[22] Y. Huang et al., "A broadband transimpedance amplifier with bandwidth enhancement for optical receivers," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 69, no. 1, pp. 352–362, Jan. 2021.
التنزيلات
منشور
إصدار
القسم
الرخصة
الحقوق الفكرية (c) 2026 مجلة البحوث الهندسية (ليبيا)
هذا العمل مرخص بموجب Creative Commons Attribution 4.0 International License.
