بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک ساختار مناسب برای طراحی دروازههای منطقی تمام نوری AND و XOR دو ورودی بلور فوتونی پیشنهاد شده است. در ساختار پیشنهادی از تشدیدگرهای حلقوی و همچنین اثر غیرخطی کر استفاده شده است. برای فراهم کردن مقادیر بزرگتر سطح آستانه، تعداد دو عدد از تشدیگرها بصورت آبشاری پست سر هم قرار داده شده است. از یک اتصال بلور فوتونی و یک آشکارساز آستانه برای طراحی دروازههای منطقی استفاده شده است. از روش تفاضل محدود در حوزه زمان و همچنین روش بسط امواج تخت برای شبیهسازی استفاده شده است. بیشترین توان مورد نیاز برای عملیات سوییچینگ مقدار 5 وات میباشد و دروازههای منطقی پیشنهادی داری نرخ بیت 333 مگا بیت بر ثانیه میباشند.
واژگان کلیدی: آشکار ساز آستانه، منطق آستانه، بلور فوتونی، دروازه منطقی تمام نوری، اثر غیرخطی کر
.1 مقدمه
با توجه به اینکه پیشبینی شده است که آینده مداراهای الکترونیک با محدودیت سرعت مواجه میشود، مدارهای مجتمع تمام نوری بعنوان یکی از بهترین روشهای جایگزین برای مواجه با این مساله مطرح میشوند. سوییچها و دروازههای منطقی تمام نوری بلور فوتونی سریع از جمله اجزاء اساسی برای طراحی سیستمهای پردازش اطلاعات و شبکههای نوری آینده میباشند.[4-1]بلورهای فوتونی ساختارهایی هستند که در آنها ضریب شکست ماده بصورت متناوب میباشد که گاف فوتونی1 را فراهم میکنند-یک بازه فرکانسی که در محدوده آن موج الکترومغناطیس قابلیت انتشار ندارد و قابلیت کنترل و مهندسی مسیر حرکت نور را فراهم میکند5]و.[6 بلورهای فوتونی به دلیل قابلیت متراکم سازی کلی بعنوان یک ساختار مناسب در مدارهای مجتمع نوری مطرح هستند. بلورهای فوتونی را میتوان بصورت یک بعدی، دوبعدی و سه بعدی ایجاد کرد اما به دلیل شباهت فرآیند ساخت بلورهای فوتونی دوبعدی با فرآیند ساخت مدارهای مجتمع الکترونیک مسطح، این ساختارها جذابیت بسیار زیادی پیدا کردهاند.
این ساختارها بیشترین شانس را برای استفاده در طراحی و پیادهسازی افزارههای نوری سریع مانند موجبرها، کاواکها، دروازهها و سوییچهای منطقی دارند.[10-7]با ایجاد نقص در ساختار شبکه بلور فوتونی کامل میتوان موجبرها و کاواکهای بلورفوتونی را ایجاد که کاربردهای زیادی در مدارهای تمام نوری دارند.11]و.[12 برای تنظیم مشخصات سوییچ از اثر غیرخطی کر2 استفاده میشود که برای طراحی مدارهای تمام نوری مناسب است. اخیرا طراحی دروازههای منطقی بلور فوتونی توجه زیادی را به خود جلب کردهاند.[17-13] اما مهمترین مشکل آنها ورودیها و خروجیهای ناهمگن میباشد. به این معنی که ورودیها و خروجیها دارای مشخصات متفاوتی هستند. با استفاده مفهوم منطق آستانه میتوان دروازهها و توابع منطقی طراحی کرد که در آنها فرکانس ورودیها و خروجیها یکسان باشند.
در این مقاله یک ساختار برای طراحی دروازههای منطقی AND و XOR دو ورودی تمام نوری براساس بلور فوتونی غیرخطی پیشنهاد شده است. این دروازههای منطق با استفاده از یک آشکار ساز آستانه و اتصال بلور فوتونی3 طراحی شده اند. یک مولفه اساسی برای طراحی مدارات برمبنای منطق آستانه میباشد. برای ساختار پیشنهادی از یک شبکه بلور فوتونی دوبعدی مربعی با میلههای سیلیکون در هوا استفاده شده است. با کاربرد مواد غیرخطی در ساختار بلور فوتونی بسیاری از پدیدههای جالب توجه از جمله پایداری دوسویه4 ایجاد میشود. در سیستمهایی که پایداری دوسویه را فراهم میکنند توان خروجی تابعی از توان ورودی میباشد.
هنگامی که توان ورودی کم است، توان خروجی یک مقدار کمی از توان سیگنال ورودی میباشد در حالیکه 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 رفتار، اساس مفهوم منطق آستانه میباشد که بعنوان روش طراحی دروازهها و توابع منطقی پیشنهاد شده است.این مقاله به اینصورت سازماندهی شده است که در در قسمت2، ساختار بلور فوتونی مورد استفاده توضیح داده شده است. در قسمت 3 ساختار دروازههای منطقی بلور فوتونی پیشمهادی توصیف شده است. روش طراحی و نتایج شبیهسازی و تحلیل آنها در قسمت4 آورده شده است. در قسمت5 نتیجه گیری مقاله انجام شده است.
.2 ساختار پیشنهادی
ساختار اصلی برای طراحی ادوات منطقی بر مبنای منطق آستانه پیشنهادی در شکل1 نشان داده شده است. این ساختار یک شبکه مربعی بلور فوتونی دوبعدی میلههای سیلیکون در هوا میباشد. ضریب شکست ماده سیلیکون مورد استفاده در شبیهسازی ساختار برای طول موجهای اطراف 1550 نانو متر برابر 3.46 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 قطبش TM میباشد که بازه بزرگتر در محدوده - 0.2823 - D/ و 0.4172 - D/ - است - شکل. - 2موجبرها مورد استفاده در این ساختار با حذف یک سطر از میلهها در ساختار بلور فوتونی دوبعدی ایجاد شده است.
موجبر ورودی با یک تشدیدگر حلقوی غیرخطی تزویج شده است. با استفاده از این ساختار میتوان پدیده پایداری دوسویه را مشاهده کرد که یک جنبه اساسی از مکانیزم سوییچینگ مورد استفاده در این مقاله است. پدیده پایداری دوسویه یک حالت موثر برای سوییچینگ نوری میباشد که باعث ایجاد حلقه پسماند1 میشود. ماده غیرخطی نانو کریستالهای سیلیکون - Si-nc - که داری اثر کر میباشد، در تشدیدگر حلقوی نهفته شده است18]و.[19 در موادی که دارای اثرغیرخطی کر هستند، ضریب شکست ماده متناسب با شدت سیگنال بصورت خطی تغییر میکند.در رابطه3 کمیت n0 ، مقدار ضریب شکست در ناحیه خطی میباشد و n2 و I نیز به ترتیب ضریب اثر غیرخطی کرو شدت نور میباشند. فرض شده است که ناحیه غیرخطی نقص دارای ضریب شکست 1.5 و ضریب غیرخطی 10 16 m2 / W است.
