بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله دروازه های منطقی تمام نوری AND و XOR طراحی و شبیهسازی شده اند. از یک اتصال بلور فوتونی در ورودی ساختارها و از یک موجبر در خروجی آنها استفاده شده است. با استفاده از ویژگی غیرخطی کر و قرار دادن میله های غیر خطی در موجبر خروجی، دروازههای منطقی طراحی شدهاند. شبیه سازی ها با استفاده از روشهای تفاضل متناهی در حوزه زمان و بسط امواج تخت انجام شده است.
کلمات کلیدی: دروازه منطقی تمام نوری، بلور فوتونی، سوییچ تمام نوری
.1 مقدمه
دروازههای منطقی تمام نوری یکی از مولفه های اساسی هستند که کاربرد بسیار وسیعی در طراحی سیستمهای پردازش سیگنال تمام نوری، کامپیوترهای نوری و شبکه های ارتباطی نوری دارند. بعنوان مثال بسیاری از عملیات در شبکههای ارتباطی مانند سویچینگ، محاسبات و مسیریابی با طراحی مدارهای تمام نوری دارای کارایی بهتری هستند. روشهای مختلفی برای طراحی مدارهای تمام نوری پیشنهاد شده است مانند استفاده از موجبرهای فلزی یا دیالکتریک و تشدیگرهای سیلیکونی برای طراحی و پیادهسازی دروازههای منطقی تمام نوری استفاده شده است [4-1] اخیرا بلورهای فوتونی به دلیل سرعت سویچینگ بالا و همچنین قابلیت مجتمع سازی، در طراحی مدارهای تمام نوری بسیار مورد توجه طراحان سیستم قرار گرفتهاند. بلورهای فوتونی ساختارهایی متناوب در ابعاد یک، دو یا سه میباشند که گاف فوتونی1 را فراهم میکنند-یک بازه فرکانسی که در محدوده آن موج الکترومغناطیس قابلیت انتشار ندارد و قابلیت مهندسی و هدایت نور را فراهم میکند5]و .[6این ساختارها بیشترین شانس را برای استفاده در طراحی و پیاده سازی ادوات نوری سریع مانند موجبرها، کاواکها، دروازهها و سوییچهای منطقی دارند.[10- 7] با ایجاد نقص در ساختار شبکه بلور فوتونی میتوان موجبرها و کاواکهای بلورفوتونی را ایجاد کرد که برای کاربردهای سوییچینگ استفاده میشوند11]و.[12
در این مقاله از اثر غیر خطی کر 2 برای طراحی دروازههای منطقی تمام نوری استفاده شده است. این ساختارها حساسیت زیادی نسبت به یک تغییر کوچک در ضریب شکست و مشخصه ساختار دارند. اعمال توان عملیاتی مناسب در مواد دارای اثر غیرخطی کر باعث ایجاد تغییرات در ضریب شکست مواد و تغییر در مشخصات انتقال نور در مواد غیرخطی مرتبه سوم میشود. در اینجا از ساختار بلور فوتونی دو بعدی مربعی از میلههای سیلیکون در هوا استفاده شده است. ساختارهای بلور فوتونی دوبعدی به دلیل شباهت فرآیند ساخت آنها با فرآیند ساخت مدارهای مجتمع الکترونیک، جذابیت زیادی پیدا کردهاند و در بسیاری از طراحی ها برای ایجاد دروازههای منطقی و سوییچهای تمام نوری بکار گرفته شدهاند. اخیرا طراحی دروازههای منطقی بلور فوتونی توجه زیادی را به خود جلب کردهاند.[17-13]
در این مقاله دروازه های منطقی تمام نوری AND و XOR طراحی شدهاند که کاربرد بسیار زیادی در طراحی مدارهای منطقی و حسابی تمام نوری دارند. با بکارگیری مواد غیرخطی در ساختارهای بلور فوتونی بسیاری از پدیده های جالب مانند پدیه پایداری دوسویه1 را میتوان بصورت بسیار کارا طراحی و پیاده سازی کرد. در این سیستم ها توان خروجی تابعی از توان ورودی است بطوریکه با افزایش توان ورودی، میزان توان خروجی نیز با یک الگوی خاص تغییر میکند. با افزایش توان ورودی، توان خروجی در ابتدا به آرامی افزایش مییابد اما زمانیکه توان ورودی به یک مقدار مشخص برسد، توان خروجی به یکباره افزایش مییابد. این مقاله به این صورت سازماندهی شده است که در قسمت 2 روش طراحی دروازه منطقی تمام نوری AND توضیح داده شده است. روش طراحی دروازه منطقی XOR تمام نوری در قسمت 3 آورده شده است و در انتها نتیجه گیری مقاله انجام شده است
.2 دروازه منطقی تمام نوری AND
ساختار پیشنهادی برای طراحی دروازههای منطقی تمام نوری پیشنهادی این مقاله یک شبکه مربعی بلور فوتونی دوبعدی از میلههای سیلیکون در هوا است. ضریب شکست ماده سیلیکون مورد استفاده در شبیهسازی ساختار برای طول موجهای اطراف 1550 نانو متر برابر 3/4 میباشد که یک گاف فوتونی قابل توجه ارائه میدهد و همچنین شعاع میلهها برابر 0.2a میباشد. برای محاسبه گاف فوتونی ساختار از روش بسط امواج تخت استفاده شده است و ساختار داری دو گاف فوتونی برای نور TM میباشد که بازه بزرگتر در محدوده - 0.290 - D/ و - 0.416 - D/ است - شکل . - 1 ساختار دروازه منطقی AND تمام نوری پیشنهادی شامل یک آشکارساز آستانه و اتصال بلور فوتونی است که در شکل1 نشان داده شده است. در این ساختار دو ورودی و یک خروجی وجود دارد و از موجبرها برای انتقال نور از ورودی به خروجی استفاده شده است. با استفاده از مواد غیرخطی کر در ساختار موجبر بلور فوتونی، ویژگی پایداری دوسویه و آشکارساز آستانه مناسب طراحی شده است. ماده غیرخطی Si-nc در این ساختار استفاده شده است
که دارای ضریب غیرخطی 10-16 m2/W است. در مواد دارای اثر غیرخطی کر، ضریب شکست با شدت نور رابطه خطی دارند بطوریکه با افزایش شدت نور میزان ضریب شکست ماده نیز افزایش مییابد طبق رابطه :1 در رابطه1کمیت n0 ، مقدار ضریب شکست در ناحیه خطی میباشد و n2 شدت نور میباشند. فرض شده است که ناحیه غیرخطی کاواک دارای ضریب شکست نیز به ترتیب ضریب اثر غیرخطی کر و در ادامه ساختار پیشنهادی برای دروازه منطقی تمام نوری AND را شبیهسازی میکنیم و ساختار مورد نظر را از لحاظ کیفیت و پارامترهای مورد نیاز مورد بررسی قرار میدهیم. شبیهسازیها با استفاده از روش تفاضل محدود در حوزه زمان انجام شده است و ناحیه شبیهسازی توسط یک ناحیه 1 PMLبا ضخامت ' ' a احاطه شده است تا نور تابشی را جذب کند و همچنین مقاومت ثابت برای موج داشته باشد و از بازتابهای ناخواسته اجتناب شود. ' ' a مقدار ثابت شبکه و برابر 551 نانومتر میباشد و همچنین اندازه مش در شبکه بلور فوتونی برای شبیهسازی a / 20 در نظر گرفته شده است.
با استفاده از تحلیل DFT مشخصه میزان انتقال توان به خروجی موجبر در ساختار پیشنهادی محاسبه شده است. در فرکانس 0 . 356 - a/ - میزان انتقال توان به خروجی موجبر نزدیک به صفر است. این فرکانس را بعنوان فرکانس کاری دروازه AND پیشنهادی انتخاب میکنیم. بنابراین عملکرد این دروازه منطقی تمام نوری به اینصورت است که، زمانیکه هر دو ورودی خاموش هستند بنابراین هیچ نوری در ساختار منتشر نمیشود و بنابراین خروجی نیز مقدار منطقی " 0" را خواهد داشت. زمانیکه فقط یکی از ورودیها مانند شکل 2 - الف - روشن باشد بنابراین میزان توان مورد نیاز برای تغییر ضریب شکست ماده غیرخطی و شیفت فرکانسی طیف انتقال به اندازه کافی نیست بنابراین نور به خروجی موجبر منتقل نخواهد شد و خروجی مقدار منطقی " 0" را خواهد دارشت. اما زمانیکه هردو ورودی مانند شکل 2 - ب - روشن هستند، میزان توان برای تغییر ضریب شکست ماده غیرخطی و شیفت طیف فرکانسی فراهم میشود و بنابراین طیف فرکانسی به سمت چپ جابجا میشود و میزان انتقال توان به خروجی ساختار زیاد میشود. بنابراین خروجی مقدار منطقی "1" را خواهد داشت. طبق شبیهسازی های انجام شده، ساختار پیشنهادی عملکرد دروازه منطقی تمام نوری AND را به درستی نشان میدهد.
