بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله گیت منطقی تمام نوری XOR با استفاده از آرایهای از نانودیسک های پلاسمونی طراحی و شبیهسازی شده است. ابتدا عملکرد آرایهای متناوب از نانودیسکها بررسی شده و سپس یک آرایه نامتناوب به منظور تقویت سیگنال خروجی و در نتیجه دستیابی به عملکرد گیت XOR پیشنهاد شده است. نسبت سطح روشن به خاموش این گیت 24dB بدست آمده است. ساختار گیت منطقی XOR پیشنهادی، به علت ابعاد کوچک و تلفات سیگنال کم، می-تواند در مدارهای مجتمع نوری مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژه- گیت منطقی XOR، نانوذرات پلاسمونی
-1 مقدمه
پلاریتونهای پلاسمون سطحیٌ امواج الکترومغناطیسی ناشی از تزویج بین فوتونها و الکترونهای آزاد سطح فلز هستند که در مرز بین فلز و دی الکتریک منتشر میشوند، و دامنه آنها به طور نمایی با فاصله گرفتن از سطح کاهش مییابد. در مقابل پلاسمونهای سطحی موضعیٍ، تحریکی غیرانتشاری از الکترونهای اجسام رسانا با ابعاد نانومتری هستند. نور تابیده شده به نانوذرات به داخل آنها نفوذ و الکترونهای هدایتی را نسبت به یونهای مثبت جابهجا میکند. در فرکانس خاصی که نانوذره بیشترین قطبیدگی را بدست میآورد، حالت تشدید رخ میدهد که به آن پلاسمون سطحی موضعی میگویند. فرکانس تحریک پلاسمونهای سطحی موضعی برای یک نانوذره به جنس نانوذره، اندازه، شکل ساختار و همچنین ضریب شکست دی-الکتریک محیط اطراف آن وابسته است. علاوه بر این در یک آرایه از نانوذرات این فرکانس توسط برهمکنش ذرات نیز تحت تاثیرقرار میگیرد .[1]
در سالهای اخیر به دلیل کاربرد پلاسمونهای سطحی موضعی در ساخت طیف وسیعی از ادوات مداری از قبیل سوئیچها [2]، کوپلرها، تشدیدگرها، موجبرها [3] و [4] فیلترها و حسگرها [5] و [6] این پدیده مورد توجه محققان قرار گرفته است. از آنجایی که در ادوات نوری از فوتونها به عنوان حامل اطلاعات استفاده میشود، سرعت و ظرفیت بالاتر و تلفات کمتری دارند ] [7، به همین دلیل اخیرا طراحی و تحلیل گیتهای منطقی تمام نوری در ابعاد نانومتری مورد استقبال محققان قرار گرفته است. در این مقاله گیت منطقی XOR بر پایه آرایهای از نانودیسک-های طلا بر روی زیر لایهای از جنس دیاکسیدسیلیکون - SiO2 - طراحی و شبیهسازی شدهاست. شبیهسازی ساختار با استفاده از روش عددی تفاضل محدود در حوزه زمانَ انجام شده است. طراحی سایر ساختارهای پیچیده منطقی مانند شیفترجیسترها و فلیپفلاپها میتواند با ترکیب گیتهای منطقی پایه صورت گیرد و عملکرد مطلوب آنها نیز با تغییر پارامترهای ساختاری حاصل میشود. گیتهای منطقی بر پایه نانوذرات پلاسمونی می-توانند تلفات سیگنال و اندازه ساختار را کاهش دهند و موجب افزایش سرعت سوئیچینگ ادوات نوری شوند.
-2 معرفی ساختار و روش تحلیل
ساختار اولیه بر پایه یک آرایه از نانودیسکهای طلا بر روی زیر لایهای از SiO2 است. ساختار با اعمال موجی با قطبش TM که میدان الکتریکی آن در راستای محور z نانوذرات است، تحریک شده است. میدانهای تابشی، پراکنده شده و انتقالی با اعمال شرایط مرزی برای میدانهای مماسی الکتریکی و مغناطیسی در سطح احاطه کننده دیسک برابر است با :[8]
بالانویسهای i، s و t متناظر با میدانهای تابشی، پراکنده شده و انتقالی، ضرایب ain ، asn و atn به ترتیب دامنه میدانهای تابشی پراکنده شده و انتقالی، d و نیز به ترتیب امپدانس ذاتی دیالکتریک و فلز هستند. عدد موج در دیالکتریک و فلز است. همچنین aشعاع دیسک، J nو H n - 1 - توابع بسل و هنکل نوع اول از مرتبه n وJ 'nو' - H n - 1 نیز مشتقهای توابع بسل و هنکل نوع اول هستند. جنس فلز، طلا انتخاب شده است، که ضریب دیالکتریک آن توسط مدل درود به صورت زیر تعریف میشود :[9]
ضریب گذردهی دیالکتریک در فرکانس بینهایت،نیز بهترتیب فرکانسهای زاویهای پلاسما و ضریب میرایی هستند. پارامترهای مدل درود برای فلز طلا برابر با 9.1Hz 10.5 1012وHz10161.pانتخاب شده است .[10]با حل معادلههای - 1 - و - 2 - خواهیم داشت:
که با حل معادله - 4 - فرکانسهای تشدید دیسک بدست میآید. با استفاده از یک آرایه میتوان خروجی قویتری نسبت به یک نانوذره ایجاد کرد.
-3 نتایج شبیه سازی گیت منطقی XOR با استفاده از آرایهای از نانو دیسکهای پلاسمونی
ابتدا یک آرایه 5 5 از نانودیسکهای طلا به شعاع 50 نانومتر و فاصله 5 نانومتر از هم که بر روی زیر لایهای از جنس SiO2 قرار گرفته است، مطابق شکل - 1الف - شبیهسازی شده است. با توجه به طیف انتقال نشان داده شده در شکل - 1ب - ، ساختار 5 5 میزان انتقال کمی در خروجی دارد.با توجه به نتایج بدست آمده، آرایه منظم نانوذرات در حالت روشن - ON - دامنه خروجی بالایی را ایجاد نمیکند. برای تقویت میدان در خروجی تعدادی از نانوذرات را به صورت تصادفی حذف و ساختاری با عملکرد بهتر پیشنهاد شده است.در شکل - 2الف - ساختار گیت منطقی XOR پیشنهادی با ساختار غیرمتناوب نشان داده شده است. ابتدا با ارسال یک پالس گوسی به ورودی ساختار و بدست آوردن طیف انتقال مطابق با شکل - 2ب - طول موج تشدید 451/8nm بدست آمده است.
یک سیگنال سینوسی با طول موج تشدید ساختار به پورت A اعمال شده است. طیف انتقال ساختار و توزیع میدان مغناطیسی - Hz - در شکل 3 رسم شده است. همان طور که از شکل پیداست دامنه سیگنال خروجی برابر است با 0/92 است، که یک منطقی را نشان میدهد.برای نشان دادن عملکرد گیت در حالت 01 یک موج سینوسی با طول موج 451/8 nm به پورت B اعمال شده است که مطابق با طیف انتقال ساختار - شکل 4الف - دامنه خروجی برابر است با 0/95 است که متناظر با یک منطقی است. توزیع میدان مغناطیسی - Hz - در شکل 4 - ب - رسم شده است.در طرح پیشنهادی گیت منطقی XOR برای ایجاد تداخل مخرب و خنثیکردن اثر دو سیگنال در خروجی از اختلاف مسیر حرکت دو سیگنال ورودی استفاده شده است. با اعمال دو سیگنال بهطور همزمان به پورت های ورودی A و B تداخل مخرب بین دو سیگنال اتفاق میافتد و دامنه سیگنال در پورت خروجی به شدت کاهش مییابد. طیف انتقال ساختار و توزیع میدان مغناطیسی در این حالت در شکل 5 نشان داده شده است.
