بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله سه طرح براي گیتهاي منطقی AND، OR و NOT در بستر بلورهاي فوتونی ارائه شده است. بلور فوتونی داراي ساختار مثلثی از جنس میلههاي سیلیکون در هوا انتخاب شده است. در طرحهاي ارائه شده، سعی شده به خروجی یکنواخت به عنوان سطح منطقی مناسب و بهینه سازي جهت کمترین اتلاف توجه شود. طرح کلی گیت ها از یک موجبر و کاواك تشدیدگر تشکیل شده است.
-1 مقدمه
با توجه به پیشرفت علم و تکنولوژي و نیاز روزافزون بشر به وسایل الکترونیکی و افزایش حجم اطلاعات موجود، قطعات الکترونیکی پاسخگوي سرعت انتقال و پردازش مورد نیاز نیستند.[4-1] بلور فوتونی بستر بسیار مناسبی براي طراحی و ساخت قطعات جایگزین است. جهت انتقال فوتونها در بلور فوتونی دو روش وجود دارد: ایجاد نقص و تغییر باند ممنوع بلور فوتونی در یک مسیر خاص[7-5] و استفاده از خاصیت تشدید نوري در بستر بلور.[9-8] در این مقاله به موضوع جایگزینی ساختاري مناسب براي گیتهاي منطقی الکترونیکی در بستر بلورهاي فوتونی پرداخته می شود.
در طرح هاي ارائه شده، تاکنون به خروجی یکنواخت به عنوان "صفر" یا "یک" منطقی توجه نشده است به عبارت دیگر بازه در نظر گرفته شده به عنوان یک منطقی بسیار نزدیک به بازهي صفر منطقی است[10] و در اثر نویز یا خطاي محیطی امکان اشتباه وجود دارد. در بعضی موارد دیگر، طول نقص جهت کمترین اتلاف بهینهسازي نشده است.[11] در این مقاله سعی شده است به این دو نکته توجه شده و طرحی مناسب ارائه شود.
با توجه به اینکه تمامی مدارهاي منطقی از سه گیت پایه AND، OR و NOT تشکیل شده است، بنابراین با طراحی این سه گیت، میتوان همه مدارها را مدلسازي نمود. سه طرح براي ساختار این سه گیت پایه ارائه میشود و نتایج حاصل از شبیهسازيها نیز ارائه میشود. از نکات قابل توجه در این ساختارها، کنترل خروجی، با طراحی مناسب نقصها است. از آثار غیرخطی که در شدتهاي زیاد نمود خواهد داشت، اجتناب شده است. بنابراین شبیهسازيها با استفاده از روش FDTD خطی انجام شده است.
-2 تحلیل ساختار
طرح ارائه شده در یک شبکه مثلثی از جنس سیلیکون با ضریب گذردهی 12 در میان بستري از هوا است. این طرح از تلفیق دو موجبر به عنوان ورودي و خروجی، به علاوه یک کاواك تشدیدگر تشکیل شده است. شعاع میلههاي کوچک به صورت r=0.25a میباشد که در آن a ثابت شبکه است. همچنین شعاع میلههاي بزرگ به صورت r=0.6a است. طرح هاي ارائه شده براي هر یک از گیتهاي AND و OR و NOT در شکل 1 نشان داده شده است. در طرح ارائه شدهي گیت NOT که در شکل -1 ج مشاهده میشود، پرتوي با فاز 180 درجه نسبت به پرتو ورودي I به عنوان مرجع تابیده میشود.
-3 آنالیز و شبیهسازي
شبیهسازيهاي انجام شده به روش FDTD نشان میدهد که از ساختارهاي ارائه شده میتوان به عنوان گیتهاي منطقی استفاده کرد. گیت AND در صورتی در خروجی داراي پرتو نور است که هر دوي پرتوهاي I1 و I2 فعال بوده و داراي ورودي باشند. شکل 2 این موضوع را نشان میدهد. گیت OR نیز با وجود یک سیگنال در ورودي، باید در خروجی نیز سیگنال داشته باشد. به عبارتی چه از کانال I1 چه از کانال I2 و چه از هر دو، پرتو تابیده شود، در خروجی باید پرتو وجود داشته باشد. مهم سطح سیگنال خروجی است که به عنوان "یک"، تغییر نکند و در همه گیتها یکسان باشد. شکل 3 نتایج شبیهسازي این طرح را نیز نشان میدهد.
همانگونه که در شکل -3 الف نشان داده شده است، در مسیر تابش پرتو I1، پرتو I2 نفوذ کرده، که تلفات زیادي را دربرخواهد داشت، ولی چون مقدار سطح انرژي ما براي سطح "یک" منطقی در خروجی مقدار مناسبی است، میتوان از این اتلاف چشمپوشی کرد. گیت NOT، هر ورودي را معکوس کرده و به خروجی انتقال میدهد به عبارتی حضور پرتو نور را به عدم حضور پرتو تبدیل کرده و عدم حضور پرتو را به عنوان حضور پرتو انتقال میدهد.
این عمل با فرستادن پرتو نوري به عنوان پرتو نور مرجع و با اختلاف فاز 180درجه نسبت به پرتو ورودي طراحی شده است، که در صورت وجود پرتو در ورودي قبل از رسیدن به موجبر خروجی با یکدیگر تداخل تخریب کننده خواهند داشت و در خروجی پرتوي دریافت نخواهد شد. شکل 4 نتایج حاصل از در طرح هاي ارائه شده به عنوان گیت AND و OR از یک کاواك تشدیدگر استفاده شده است. طول این نقص، جهت کمترین تلفات و جلوگیري از اثر تخریب نیز بهینهسازي شده است. شکل 5 نتایج حاصل از تاثیر تغییرات این نقص در خروجی را نشان میدهد. تغییرات محور افقی برحسب a ثابت شبکه می- باشد. بهینهسازي نشان میدهد که مناسبترین طول براي حلقه تشدید 8a است.
با استفاده از نمایشگر توان خروجی، نشان داده میشود که در حالت "صفر" منطقی، خروجی داراي توان بسیار کم - در حد چند میکرو - و در بعضی موارد صفر مطلق است. در شکل 6 مقدار توان خروجی مورد قبول به عنوان سطح "یک" منطقی نشان داده شده است که در مقایسه با مقدار توان خروجی در حالت صفر منطقی قابل ملاحظه است. در طرح ارایه شده به عنوان گیت AND زمان تاخیر براي رسیدن به حالت ماندگار برابر 3 پیکو ثانیه است. این زمان براي گیت NOT برابر /5١ پیکو ثانیه است.
-4 نتیجهگیري
در این مقاله سه طرح به عنوان جایگزین گیتهاي منطقی پایه ارائه شده است که فقط براساس طراحی مناسب نقص در ساختار بوجود آمده است و با استفاده از روش FDTD شبیهسازي شده است. نتایج نشان میدهد که طرحهاي مذکور داراي خروجی یکنواخت هستند. این امر مهمی در تعیین سطح منطقی خروجی است. با بهینهسازي کاواك تشدید انتقال، سعی در کاهش تلفات داشته که نتایج تا حدود زیادي رضایتبخش است.
