بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله ساختاری جدید برای طراحی گیت منطقی XOR تمام نوری مبتنی بر بلور فوتونیکی با استفاده از موجبر و همچنین اثرات تداخل امواج در بلور فوتونیکی خطی ارائه شده است. بلور فوتونیکی در این تحقیق از شبکه دوبعدی مربعی متشکل از میلههای دیالکتریک سیلیکون در بستر هوا تشکیل شده است. برای این که ساختار در طول موج 1.55 m کارایی داشته باشد ثابت شبکه 0.52 m انتخاب شده است. از آنجاییکه در طرح پیشنهادی فقط از تعداد 25*25 میله دیالکتریک با شعاع r = 104nm استفاده شده، ساختار بسیار فشرده است. به دلیل سادگی و مساحت کوچک، طرح پیشنهادی قابلیت استفاده در مدارهای مجتمع نوری را دارا است.
.1 مقدمه
گسترش سیستمهای مخابراتی با سرعت و ظرفیت انتقال اطلاعات بالا، تقاضا برای پردازش سیگنالها با استفاده از نور را به طور چشمگیری افزایش داده است. محققان بر این باور هستند که در آینده، الکترونیک دیجیتال توانایی پاسخگویی به این تقاضا را ندارد. به همین خاطر در سالهای اخیر روشهای پردازش سیگنالها به صورت تمامنوری توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است.[1-3] گیتهای منطقی تمامنوری با سرعت عملکرد بسیار بالا نقش اساسی را در سیستمهای پردازش سیگنال و شبکههای نوری ایفا میکنند. تاکنون ساختارهای مختلفی برای بررسی عملکرد گیتهای منطقی تمامنوری ارائه شدهاند.
این ساختارها در پیچیدگی، سرعت عملکرد، دقت، قابلیت اعتماد و آسانی مجتمعسازی با یکدیگر تفاوت دارند. ساختارهای مبتنی بر بلورهای فوتونی بیشترین شانس را برای استفاده در طراحی و پیادهسازی افزارههای نوری سریع مانند موجبرها، کاواکها، دروازهها و سوئیچهای منطقی دارند. ساختارهای گیتهای منطقی بلور فوتونی از خواص مختلف بلور نظیر اثرات دو حالته، محیطهای غیرخطی، پرتوهای خودموازی، پخش نور دو فوتونی و اثر غیر خطی کر بهره میبرند.[4-5] بلورهای فوتونی به دلیل قابلیت متراکمسازی به عنوان یک ساختار مناسب در مدارهای مجتمع نوری مطرح هستند.
بلورهای فوتونی را میتوان به صورت یکبعدی، دوبعدی و سهبعدی ایجاد کرد اما به دلیل شباهت فرایند ساخت بلورهای فوتونی دوبعدی با فرایند ساخت مدارهای مجتمع الکترونیک مسطح، این ساختارها جذابیت بسیار زیادی پیدا کردهاند. تمامی خواص جالب بلورهای فوتونی، ناشی از وجود باند ممنوعه فوتونیکی است. باند ممنوعه فوتونیکی به ناحیهای در ساختار باند کریستال فوتونیکی گفته میشود که هیچ موج الکترومغناطیسی در این محدوده مجاز به انتشار نیست.
به عبارت دیگر اگر پرتوی از نور که طول موجش در محدوده باند ممنوعه فوتونیکی کریستال فوتونیکی است به سطح کریستال بتابد نمیتواند وارد کریستال شده و در آن منتشر شود بلکه از سطح کریستال منعکس میشود. در مطالعات و تجربیات قبلی گیتهای منطقی مختلف از قبیل AND، NOT، NOR و غیره با روش-های متفاوت شبیهسازی شدهاند. در این مقاله یک گیت منطقی XOR مبتنی بر بلور فوتونیکی خطی طراحی شده و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. باند ممنوعه فوتونیکی توسط روش بسط موج صفحهای - PWE - و انتشار امواج در سطح بلور توسط روش عددی تفاضل متناهی حوزه زمان - FDTD - محاسبه شده اند.[6-8]
.2 ساختار گیت پیشنهادی
در ساختار این گیت از بلور فوتونیکی 2 بعدی مربعی، متشکل از میلههای دیالکتریک سیلیکون در بستر هوا استفاده شده است. ضریب شکست میلهها n=2.45 و ثابت شبکه a=0.52 m در نظر گرفته شده و مساحت گیت برابر 25a*25a میباشد. شکل 1 نمایانگر محدوده باند ممنوعه فرکانسی ساختار میباشد. همانطور که در شکل 1 قابل مشاهده است ساختار مورد نظر دارای 3 محدوده باند ممنوعه است که شامل 1 محدوده در مد قطبش TM و 2 محدوده در مد قطبش TE میباشد.
باند ممنوعه فرکانسی در مد قطبش TM شامل محدوده c<0.829 a/2 0.816< و باند ممنوعه در مد قطبش TE دارای 2 محدوده فرکانسی شامل F<0.739 D/2 0.719< و D/2 F<0. 417 0.284< میباشد. بزرگترین محدوده بانده ممنوعه در مد قطبش TE موجود میباشد بنابراین جهت طراحی گیت XOR از مد قطبش TE استفاده شده است. با توجه به ثابت شبکه طول موج کاری ساختار برابر < 1830nm 1247nm < بوده که بیانگر طول موج میباشد. در شکل 2 طرح توصیف شده برای پیاده سازی گیت XOR به نمایش درآمده است.
شکل.2 ساختار کلی گیت XOR پیشنهادی
در این گیت، ورودیها در موجبر سرتاسری افقی و روبروی هم قرار گرفته اند و خروجی گیت نیز در پایین ساختار و در امتداد یک موجبر حلقوی قرار گرفته است. در موجبر ورودی جهت ایجاد تداخل مناسب بین ورودیها از یک نقص نقطهای به شعاع ra=1.52r استفاده شده است که ضریب شکست آن برابر ضریب شکست کل ساختار یعنی n=2.45 میباشد.
.3 نتایج و بحث
برای تحریک ساختار و مشخص نمودن واکنش آن به سیگنالهای اعمال شده از یک موج سینوسی با فرکانس 1550nm استفاده شده است. جدول 1 جدول درستی گیت XOR را نشان میدهد. برای شبیهسازی گیت پیشنهادی و و بررسی نتایج اعمال سیگنال به این گیت از روش تفاضل محدود حوزه زمان بهره برده شده است. نتیجه اعمال سیگنال به ورودیهای A و B در ادامه توضیح داده خواهد شد . ابتدا حالتی را در نظر میگیریم که هر دو ورودی off باشند. در این حالت به علت وجود نداشتن منبع نور جهت تحریک ساختار خروجی off خواهد بود که امری بدیهی است.
