بخشی از مقاله
طراحی و شبیه سازی گیتهای منطقی نوری NOR و XNOR تمام نوری با استفاده بلور فوتونی بر روی زیر لایه InP
خلاصه
این مقاله با استفاده از بلورهای فوتونی بر روی زیر لایه InP و ساختار نقص خطی و مشدد حلقوی نامتقارن در شبکه مثلثی میلهای، گیتهای NOR و XNOR تمام نوری طراحی شده است. ساختار استفاده شده برای این گیت بدون استفاده از اثرغیرخطی کر بر روی میلهها و با استفاده از کنترل توان نوری در ورودیها و ایجاد تداخل مخرب و سازنده موجهای ورودی، منجر به جابهجایی فرکانس تشدید مشددها میشود. در این پژوهش از دو مشدد حلقوی استفاده شده که با استفاده از آنها میتوانیم جدول صحت این گیت را پیاده سازی کنیم. مواد استفاده شده در این ساختار به گونهای انتخاب شده است که قابلیت مجتمع سازی با ادوات فعال و غیرفعال نوری (لیزر و آشکارساز) را دارد.
کلمات کلیدی: بلورهای فوتونی،گیت NOR و XNOR، مشدد حلقوی نامتقارن.
.1 مقدمه
بالاترین سرعتی که تا کنون بدست آمده است، سرعت نور میباشد. پس منطقی به نظر میرسد که نور را به عنوان راهی کامل و بدون نقص برای انجام محاسبات به حساب آوریم. محاسبه نوری در دهه 0891 مورد تحقیق وسیعی قرار گرفته است. اما به دلیل محدودیتهای مواد استفاده شده برای ساخت آنها، که از کوچک و ارزان شدن تراشههای نوری در تحقیقات آزمایشگاهی جلوگیری میکرد، کاسته شد. اما امروزه پیدایش تکنولوژی بلورهای فوتونی نوید تراشههای تمام نوری بسیار ریز را میدهند. تکنولوژی محاسبه نوری به طور کلی در دو جهت در حال گسترش است: یک جهت آن، ساخت محاسبهگرهایی است که ساختمانی مشابه با محاسبهگرهای امروزی دارند و قسمتی از آنها نیز الکترونیکی میباشد. جهت دیگر آن تولید کامل یک نوع محاسبهگر جدید است که میتواند تمام اعمال کاربردی در حالت نوری را انجام دهد.[0]
تحقیقات در زمینه ادوات فوتونیکی معمولا بر روی سه نوع مواد سیلیکونی (SOI)، پلیمری و III-V متمرکز میباشد. استفاده از مواد InP/InGaAs که از گروه III-V میباشند دارای مزیت قابلیت ساخت همه ادوات فعال (لیزر، آشکارساز، مدولاتور) و غیرفعال را بر روی زیر لایه
InP در دو پنجره m 0/55 و m 0/3 داراست [2]، در حالی که قابلیت ساخت بعضی از ادوات نوری با دو دسته دیگر مواد وجود ندارد.
برای ساخت گیتهای نوری روشها و مواد مختلفی استفاده شده است. [3] Andalib با استفاده از پنج مشدد حلقوی و با استفاده از اثرغیرخطی Kerr یک گیت NOR در پنجره طول موج 0/ 55 m و زیر لایه InP طراحی نموده است. در مرجع [4] مجموع گیتهای ترکیبی منطقی با استفاده از کاواک واثرغیرخطی کر بر روی زیر لایه سیلیکونی طراحی شده است. [5]Kabilian گیتهای XNOR و NAND را با استفاده از روش خود موازی سازی و انتقال دهنده فاز طراحی نموده است. در تمامیروشهای فوق با استفاده از تداخل سازنده یا مخرب بر روی سیگنالهای ورودی در داخل یکی از ادوات غیرفعال همچون MZI، تزویجگر، اتصال Y و مشدد حلقوی، سیگنال خروجی را کنترل نمودهاند. در این مقاله، گیت طراحی شده توسط تشدید کننده بلور فوتونی و استفاده از اثرتداخل مخرب و سازنده موجهای ورودی، توانستهایم جدول صحت گیتهای NOR و XNOR را با بالاترین ضریب انتقال طراحی کنیم. در ابتدا ساختمان لایهای ارائه شده است که بتوان گیت NOR را با سایر ادوات فعال و غیرفعال
نوری در پنجره طول موج m 0/55 بر روی زیر لایه InP مجتمع سازی نمود. سپس ساختار هندسی بلور فوتونی و طرح شمایی گیتهای NOR و
XNOR، نحوه عملکرد این افزارهها نشان داده شده است.
.2 ساختمان شبکه
از آنجایی که ساختمان لایه و تکنولوژی ساخت، و طراحی مدارات مجتمع مدنظر ما میباشد[3] از تکنولوژی شبکه مربعی میلهای استفاده شده است. در شکل 0 شمای کلی شبکه و یک میله نشان داده شده است.
شکل : 1 شمای کلی ساختار میلهای بلور فوتونی با شبکه مربعی مشخصات لایهها
ساختار از میلههای دی الکتریک با سطح مقطع دایره ای شکل با زمینه هوا تشکیل شده است که در شبکه دو بعدی مثلثی تعبیه شده است. همانطور که در شکل 0 مشاهده میشود جنس، اندازه و ضریب شکست لایهها مشخص شده است، لذا از انجا که تحلیل ما دو بعدی است دانستن ضریب شکست معادل برای انها ضروری است که با استفاده از نرم افزار COMSOL مقدار ضریب شکست موثر را محاسبه میکنیم، که این مقدار برای مود TMبرابر با 3/2334 میباشد چون در شبکه مثلثی فوقالذکر شکاف باند فوتونی قابل توجهی برای مود TE وجود ندارد. زیر لایه و لایه پوششی میله-ها از جنس InP و لایه فیلم از جنس InGaAsP میباشد. که با مرجع [5] تطابق دارد. برای محاسبه شکاف باند فوتونی و محل قرارگیری آن از روش بسط امواج صفحهای (PWEM) استفاده نمودهایم. برای محاسبه مقادیر بهینه شعاع میلهها و شکاف باند فوتونی (در پنجره طول موج 0551nm و در محدوده گسترده) ، نمودار شکاف باند، با استفاده از قابلیت اسکن نرم افزار Rsoft، با تغییر شعاع از 51nm تا 211 nm برای ثابت شبکه311nm درشکل 2 رسم شده است، در جایی که پهنای باند شکاف، ما کزیمم باشد آن مقدار شعاع را شعاع بهینه انتخاب میکنیم، که در اینجا شکاف باند ماکزیمم در میلهای به شعاع 002 nm در محدوده فرکانس نرمالیزه 1/23-1/43 معادل با طول موجهای 2/13-0/314μm برای مود TE و TMبه دست میآید. در شکل 3، ساختمان باند در مسیر ( -M-K- ) K برای مودهای TE و TM نشان داده شده است . همان طور که در شکلهای 2 و
3 دیده میشود در یک شبکه مثلثی استوانهای، مودهای TM در محدوده طول موج مخابرات نوری 0/ 55 m قابل انتشار است.
شکل: 2 نمودار شکاف باند فوتونی برای مودهای TM و TE بر حسب شعاع
شکل: 3 نمودار ساخت شکاف باند فوتونی،محاسبه شده از مقادیر شعاع بهینه و ثابت شبکه
.3 ساختاری طراحی شده از گیتها و مقادیر بهینه آنها
ساختار ما در این مقاله از یک شبکه مثلثی 09×30 بلورهای فوتونی میباشد که با استفاده از دو مشدد حلقوی و سه موجبر ایجاد شده است. در این ساختار ثابت شبکه که فاصله بین دو میله مجاور میباشد برابرa= 311nm است و شعاع میله برابر 1/2 ثابت شبکه((021nm انتخاب شده است که با این شعاع، بیشترین شکاف باند را داریم. همچنین این ساختار از میلههای دیالکتریک دایرهای شکل با زمینه هوا ساخته شده است که در شبکه دو بعدی مثلثی تعبیه شده است. همانطور که در شکل 4، نمای ساختار رامشاهده میگردد در این مشدد حلقوی برای داشتن ضریب انتقال بالاتر و جلوگیری از بازتابش داخلی چهار میله اضافی در چهار گوشه مشدد قرار داده شده است به طوری که میلههای رئوس به اندازه1 / 3 aبه سمت افقی و 1 / 5 a در جهت عمودی به بیرون در صفحه XZ انتقال میدهیم که به این میلهها اسکاتر میگویند. همچنین از 3 میلهی دیگر با شعاع 1/08 ثابت شبکه در داخل مشددها برای ایجاد اثری مشابه شیفت فرکانسی را برای مشدد ایجاد میکند و باعث ایجاد تداخل مخرب و سازنده برای رسیدن به عملکرد گیتهای فوق الذکر را دارند.
این ساختار دارای سه موجبر میباشد که دو موجبر ورودی A و B، برای اعمال پالسهای نوری گاوسین در پنجره طول موج 1550nm می-باشد. همچنین موجبر C، موجبر پراب، که یک جریان نور CW با است که به صورت دائم به این موجبر اعمال میشود.با کنترل شدت نوری در ورودیهای A و B و مجبر پراپ میتوان به قابلیتهای گیتها رسید. همچنین این ساختار دارای خروجی F میباشد.
شکل :4 ساختار گیت NOR مبتنی بر بلورهای فوتونی
