بخشی از مقاله
چكیده
در این مقاله یک مدار تفریق کننده نوری با استفاده از تداخل سنج ماخ زندر - - MZI1 ارائه شده است. در طراحی این مدار از روش متمم 2 برای تفریق استفاده شده است. بطوریکه این مدار شامل دو مدار تمام جمع کننده - FA2 - و یک مدار معکوس کننده - استفاده از گیت فایمن - می باشد. در نهایت مدار شامل 14 سویچ ماخ زندر و تاخیر 7 است که نسبت به مدارهای تفریق کننده موجود از سرعت و توان مصرفی مناسبی برخوردار می باشد.
-1 مقدمه
برای اولین بار است که طراحی ساخت تفریق کننده نوری بر اساس دو گیت نوری - ORG-1 - و گیت نوری - ORG-2 - وگیت نوری فایمن توسط تداخل سنج ماخ زندر انجام می شود. در سالهای اخیر محاسبات نوری به جهت سرعت بالا و هدر رفت پایین مورد توجه بسیاری از محققان در سراسر جهان قرار گرفت. تا کنون توسط محققان گیت های مختلف نوری ارائه شده است که سرعت بالا و انرژی کمتری نیاز دارند[2]، [3]، .[4] گیت های نوری که بر اساس تداخل سنج ماخ زندر ساخته شده اند دارای مزایای مهمی هستند که عبارت است از : سرعت بالا، کاهش مصرف، زمان سوئیچینگ سریع و سهولت در ساخت [4]، [5]، .[6] گیت های استفاده شده از کمترین توان و بالاترین سرعت بهره می برند و مدار پیشنهادی تنها مدار تفریق کننده نوری است که تاکنون طرحی شده است .
ادامه مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است . این مقاله شامل5 بخش می باشد. در بخش اول ابتدا سوئیچ نوری ماخ زندر و روش کارکرد آن معرفی شده است سپس گیت نوری فایمن معرفی شده است که توسط ترکیبی از تداخل سنج های ماخ زندر - MZI - ایجاد شده و شرح مختصری از این گیت آورده شده است بعد از آن جمع کننده نوری معرفی شده و شرح مختصری از کارایی و بهبود آن نسبت به سایر جمع کننده ها بیان شده است. در بخش دوم به معرفی مدار تفریق کننده تمام نوری پرداخته شده است که با استفاده از کلیه گیت های بالا ایجاد شده است. در بخش سوم به تجزیه و تحلیل و هزینه نوری مدار پرداخته ایم و نهایتا در بخش چهارم مزایای گیت پیشنهادی و نتیجه گیری بیان شده است.
-2 مبانی گیت های نوری
در این بخش ابتدا تداخل سنج ماخ زندر و نحوه عملکرد آن معرفی شده سپس گیت های فایمن و جمع کننده معرفی شده است که در طراحی مدار تفریق کننده از آنها استفاده کرده ایم.
-2-1 تداخل سنج ماخ زندر
یک سوئیچ تداخل سنج ماخ زندر شامل 2 ورودی و 2 خروجی می باشد که از دو تقویت کننده نوری - SOA-1, SOA-2 - در بازوها و همچنین دو عدد کوپلر جهتی برای اتصال بازوها به پورت های ورودی و خروجی تشکیل شده است. در این مقاله پورت ورودی A سوئیچ ماخ زندر به عنوان پورت ورودی و پورت ورودی B به عنوان پورت کنترلی در نظر گرفته شده است. شماتیک این سوئیچ در شکل - 1 - نشان داده شده است.
نحوه عملکرد سوئیچ تداخل سنج ماخ زندر به این صورت است که :
-1 زمانی که یک سیگنال در ورودی پورت A و یک سیگنال کنترلی درورودی پورت B وجود داشته باشد پس در نتیجه نور در پورت خروجی C وجود دارد و هیچ نوری در خروجی پورت متقاطع D نیست.
-2 هنگامی که سیگنال کنترلی در ورودی پورت B وجود نداشته باشد و سیگنال دریافتی در ورودی پورت A باشد آنگاه خروجی تداخل سنج ماخ زندر تغییر می کند و در نتیجه نور در خروجی پورت متقاطع D ظاهر می شود و هیچ نوری در خروجی پورت اصلی C مشاهده نمی شود. بر این اساس می توان عملکرد منطقی سوئیچ تداخل سنج ماخ زندر را بصورت شکل 2 بیان کرد: گیت فایمن به صورت یک گیت کنترل شده است به اینصورت که وقتی ورودی A=1 باشد آنگاه خروجی تولید شده در Q به ورودی B وابسته می شود که به صورت Q=￣B می باشد. یک گیت فایمن را می توان با استفاده از 2 سوئیچ نوری ماخ زندر ساخت. دو ترکیب کننده پرتو نوری به نام BC و دو شکاف دهنده پرتو نوری به نام BS در این محاسبات نوری استفاده می شوند.
از آنجا که گیت فایمن را می توان با استفاده از دو عدد سوئیچ نوری ماخ زندر MZI ساخت بنابراین هزینه نوری گیت فایمن 2 در نظر گرفته می شود. هنگامی که گیت تمام نوری فایمن کار می کند هر دو سوئیچ نوری ماخ زندر MZI به صورت موازی کار می کنند در نتیجه تاخیر نوری گیت فایمن به عنوان 1 در نظر گرفته می شود. که در اینجا به تاخیر زمانی هر تداخل سنج ماخ زندر اطلاق می شود که بسیار ناچیز می باشد. قبلا با تغییراتی در گیت فایمن دو گیت جدید طراحی شده که بوسیله آنها تمام جمع کننده نوری طراحی شده است .[7]
-2-2 گیت تمام نوری فایمن
گیت فایمن دارای 2 ورودی و 2 خروجی است. که ورودی های A و B را گرفته و خروجی های P=A و Q=A⊕B را به ما می دهد که به ترتیب A و B ورودی و P و Q خروجی هستند که در شکل - 3 - نشان داده شده است.
-2-3 جمع کننده نوری
در مدار تفریق کننده نوری پیشنهاد شده در این مقاله از دو مدار تمام جمع کننده نوری استفاده شده که این مدار تمام جمع کننده قبلا در [7] ارائه شده است. این تمام جمع کننده نوری با استفده از تداخل سنج ماخ زندر ارائه شده است که نسبت به سایر جمع کننده ها از سرعت بیشتر و مصرف توان کمتری بهره می برد .[1] در این مدار جمع کننده از گیت نوری ORG-1 و گیت نوری ORG-2 استفاده شده است. ساختار داخلی این دو گیت به ترتیب در شکل های 5و 6 نشان داده شده است.
-2-4 تفریق کننده نوری پیشنهاد شده
همانطور که می دانیم جهت تفریق اعداد باینری، ابتدا باید از عدد مورد نظر متمم یک گرفته شود، بر این اساس باید تمامی بیت های عدد مورد نظر معکوس گردد و به جهت معکوس کردن بیت ها از یک تداخل سنج ماخ زندر استفاده می کنیم. برای معکوس کردن هر بیت از یک تداخل سنج ماخ زندر استفاده می کنیم و بیت ورودی مورد نظر جهت معکوس کردن را به ورودی دوم تداخل سنج ماخ زندر می دهیم و ورودی اول تداخل سنج ماخ زندر را به یک منطقی متصل می کنیم.
حاصل به صورت ￣B است که معکوس بیت B می باشد که به ورودی تداخل سنج ماخ زندر داده بودیم. طریقه انجام این عمل در شکل - 8 - نشان داده شده است. به جهت معکوس کردن n بیت با استفاده از تداخل سنج ماخ زندر می توانیم تمامی ورودی هایی که مقدار منطقی یک دارند را به یکدیگر متصل نموده و بیت های B1 تا Bn را معکوس نماییم. طریقه انجام این عمل در شکل - 9 - نشان داده شده است.
برای محاسبه متمم 2 عدد مورد نظر، خروجی بدست آمده از عملیات معکوس کردن بیت در مرحله قبلی را به جمع کننده معرفی شده در [7] متصل کرده تا عدد حاصل بدست آمده - متمم - 1 را با عدد یک جمع کنیم. عدد حاصل از این جمع متمم 2 عدد اولیه است. سپس در مرحله بعد با استفاده از نتایج مراحل قبل عدد بدست آمده را بوسیله جمع کننده دیگری با عدد دوم جمع نموده که حاصل این جمع در اصل تفریق عدد دوم از عدد اول می باشد. خروجی نقلی جمع کننده اول به ورودی نقلی جمع کننده دوم وصل می گردد. بلاک دیاگرام تفریق کننده نوری 1 بیتی پیشنهاد شده به صورت کامل در شکل - 10 - نشان داده شده است. در این شکل ورودی اول ماخ زندر را به عدد یک منطقی متصل می کنیم و ورودی دوم با نام A نشان داده شده است و عدد دوم جهت تفریق با نام B در شکل نشان داده شده است.
