بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از رزوناتورهای حلقوی مبتنی بر کریستال فوتونیکی یک گیت NOT تمام نوری طراحی و شبیه سازی شده است. برای پیاده سازی ساختار مورد نظر ابتدا یک سویچ نوری با ترکیب اثر غیر خطی کر و رزوناتور حلقوی طراحی شده است. سپس ساختار گیت NOT با اعمال تغییرات مناسب در ساختار سویچ ارایه شده طراحی و پیاده سازی شده است.
میزان شدت توان نور لازم برای روشن شدن این سویچ نوری 300 W/ m2 می باشد. گیت طراحی شده دارای یک ورودی بایاس و یک ورودی کنترل و یک پایه خروجی است. ورودی بایاس در تمام حالت های کاری روشن است. ولی ورودی کنترل دارای دو حالت خاموش و روشن است. نتایج نشان داد که وقتی ورودی کنترل خاموش است پورت خروجی روشن خواهد بود اما با روشن شدت ورودی کنترل، پورت خروجی خاموش می شود که این رفتار یک گیت NOT نوری را پیاده سازی می کند.
-1 مقدمه
گیت NOT یک مدار منطقی ساده است که فقط یک ورودی و یک خروجی دارد . این مدار را مدار معکوس کننده یا متمم کننده نیز می نامند .خروجی این گیت همواره عکس مقدار ورودی است.اگر ورودی یک یا HIGHباشد،خروجی آنLOW یا صفر است.و اگر ورودی آن LOW یا صفر باشد.خروجی آن HIGH یا یک می شود.امروزه برای تحقق گیت های منطقی از ساختارهای تمام نوری استفاده میکنند.یکی از ساختارهای تمام نوری رایج در عصر حاضر بلورهای فوتونیکی است. به هر ساختاری که ضریب شکست آن به طور متناوب تغییر کند، بلورهای فوتونیکی گفته می شود. اگر این تکرار در یک بعد باشد به بلور تشکیل شده، بلورهای فوتونیکی یک بعدی می گوییم. تکرار ساختار متناوب در دو و سه بعد نیز بلورهای فوتونیکی دو و سه بعدی را بوجود خواهد آورد. این ساختارها در واقع دوگان بلورهای نیمه هادی هستند.
معادله هلمهلتز بیانگر این موضوع هست که از مشابهت معادله شرودینگر در فیزیک حالت جامد و معادله هلمهولتز در الکترومغناطیس ناشی میشود. ضریب شکست در معادله هلمهولتز همان نقش پتانسیل الکتریکی در معادله شردینگر را دارد. بنابراین عملکرد بلورهای فوتونیکی - ساختارهای با ضریب شکست متناوب - در برابر فوتونها مشابه عملکرد بلورهای نیمه هادی - ساختارهای با پتانسیل الکتریکی متناوب - در برابر الکترونها است. در عصرحاضر طراحی ادوات الکترونیک نوری مبتنی بر کریستال های فوتونیکی از جمله ساختارهای رایج برای طراحی ادوات الکترونیک نوری می باشد. مقیاس پذیری حتی در حدود چند نانومتر،اندرکنش نور و ماده، سرعت عملکرد و حبس شدگی نور در فضای های بسیار کوچک از جمله ویژگیهایی هستند که این ساختار ها را مناسب طراحی مدارات مجتمع نوری وگیتهای منطقی نموده است .
برای تحقق گیتهای منطقی از بلورهای فوتونیکی غیر خطی مبتنی بر اثر کر استفاده میشود . اثر کر منجر به تغییر ضریب شکست بصورت تابعی خطی از شدت توان نور می شود. تاکنون ادوات الکترونیک نوری مبتنی بر کریستالهای فوتونیکی با استفاده از اثر کر ارایه شده است. سوییچهای نوری-[1 4] ، گیتهای منطقی[5-7]، مبدل آنالوگ به دیجیتال[8] و دیکدر نوری [9-10]از جمله قطعات دیجیتالی نوری است که اخیرا ارایه شده است. در سال 2009 معمار زاده و همکارانش [7]توسط کریستالهای فوتونیکی غیر خطی توانستند گیت منطقی NOR را طراحی و شبیه سازی کنند . گیتهای nand , norدیگری توسط علیپور بنایی و همکارانش در سال 2014 ارایه شده است .
-2سویچ نوری پایه
برای طراحی فیلتر پیشنهادی کریستال فوتونیکی دو بعدی با شبکه مربعی متشکل از یک آرایه 30*40 از میله های دی الکتریک در بستر هوا درنظر گرفته شده است. ضریب شکست دی الکتریک 3.46 می باشد. شعاع میله های دی الکتریک R=0.19a است، که در آن a=623 nm ثابت شبکه ساختارکریستال فوتونیکی است. نمودار ساختار باند با مشخصات مذکور بصورت شکل 1-4 بدست آمده است. همانطور که مشاهده می شود سه نوار باند ممنوعه فوتونیکی در نمودار ساختار باند وجود دارد. دو باند ممنوعه در مد TM و یک باند ممنوعه در مد TEوجود دارد. محدوده های باندهای ممنوعه فوتونیکی به شرح زیر است که دو محدوده اول مربوط به مد TM و محدوده سوم مربوط به مد TE است:
با توجه به مقدار ثابت شبکه a=623nm اولین باند ممنوعه در مد TM که محدوده طول موج های 1448nm < < 2148 nm را تحت پوشش قرار میدهد برای اهداف مخابراتی مناسب است . چون باند ممنوعه مورد نظردر مد TM است پس تمامی شبیهسازیها در مد TM انجام خواهد شد.
شکل1 ساختار باند کریستال پایه.
در شدت توان های بالای نور ضریب شکست مواد دی الکتریک دارای رفتار غیر خطی می باشد که ضریب شکست بصورت تابعی از شدت توان نور تابش تغییر می کند. برای طراحی این سویچ از یک فیلتر نوری T شکل با استفاده از رزوناتور با هسته شبه کریستال 12 تایی استفاده شده است. ضریب اثر کر میله های دی الکتریک 1.5*10-16 m2/W در نظر گرفته شده است. شکل ساختار سویچ در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2 ساختار سویچ T شکل با هسته شبه کریستال 12 تایی
در سویچ پیشنهادی، پورت ورودی - A - پورت خروجی - B - و پورت دراپ - C - میباشد . این ساختار طوری طراحی شده است که در طول موج 1550 nm دارای مد تشدید میباشد بدین صورت که در توانهای پایین امواج نوری از طریق پورت A وارد ساختار می شود در طول موج مورد نظرتوسط حلقه تشدید رخ می دهد و موج به پورت C دراپ می شود و از آن خارج می شود لذا در پورت B توان نوری موجود نبوده و سویچ خاموش است.
با افزایش شدت توان نور ورودی با توجه به اثر غیر خطی کر ضریب شکست میله های هسته افزایش مییابد با افزایش ضریب شکست مد رزونانسی حلقه به سمت طول موجهای بالاتر جابجا میشود این جابجایی مد رزونانسی باعث میشود که نور ورودی با طولموج 1550 nm دیگر نتواند از طریق حلقه به موجبر دراپ کوپل شود و لذا به ناچار به سمت پورت B رفته و باعث روشن شدن سویچ میشود. میزان شدت توان نور لازم برای روشن شدن این سویچ نوری 300 W/ m2 می باشد. نحوه توزیع میدان نوری برای دو حالت روشن و خاموش سویچ در شکل 3 نشان داده شده است.
