جلسه پیش دفاع آقای آرین سلمان پور دانشجوی دکتری فعال در مرکز تحقیقات نانوپترونیکس با عنوان تحلیل، طراحی و شبیه­سازی ادوات منطقی تمام نوری فوتونیک کریستالی با بررسی اثر غیرخطی در روز یکشنبه مورخ 10/08/94 در سالن خوارزمی برگزار می گردد.

چکیده

  در این پایان­نامه از ساختارهای فوتونیک کریستالی به­منظور دست­یابی به اداوات منطقی تمام نوری بهره گرفته ­شده ­است. در فصل اول این پایان­نامه مطالعات صورت گرفته تاکنون و مزایا و معایب هر یک از آنها به­صورت کامل مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. به­منظور رسیدن به نسبت تباین و سرعت عملکرد بالا و حداقل نشت سیگنال درگاه­های ورودی به یکدیگر با توجه به نقش اساسی موج‌برهای نوری و کاواک­های فوتونیک کریستالی در پیاده­سازی ادوات مجتمع نوری، برخی از طراحی­هایی که به­­منظور بهینه­سازی عملکرد این ادوات ارائه شده، در فصل دوم تشریح شده است و برهم­کنش کاواک­های تشدید با موج‌برها و سازوکار­های مرتبط و ادواتی که به این وسیله قابل پیاده­سازی­اند، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با توجه به استفاده از خم­ها، تشدیدگرهای حلقوی و تزویج­گرهای مستقیم در ساختار­های پیشنهاد شده، طراحی آنها تحلیل شده است. فوتونیک کریستال­ها هندسه­های متفاوتی دارند که در این پایان­نامه از فوتونیک کریستال­های دو بعدی مربعی و مثلثی برای طراحی ساختارها استفاده شده است. از روش­های بسط موج صفحه­ای و تفاضل­ متناهی در حوزه زمان برای محاسبه شکاف باند و تحلیل ساختارهای فوتونیک کریستالی بهره گرفته شده است، که در فصل سوم تشریح شده­اند. در این پایان­نامه از اثرات غیرخطی برای پیاده­سازی ادوات منطقی استفاده شده است. در مواد غیرخطی پاسخ ماده به تغییرات شدت میدان به­صورت غیرخطی تغییر می­کند. قطبش یا پلاریزاسیون غیرخطی می­تواند از مرتبه دوم، سوم و یا بالاتر باشد. در فوتونیک کریستال­ها وابستگی ضریب شکست به شدت پدیده غالب است که تحت عنوان اثر kerr نامیده می­شود. در فصل چهارم ادوات منطقی طراحی شده ارائه گردیدند. یکی از ساختارهای بیان شده گیت منطقی AND ، XOR و OR با استفاده از اثر غیرخطی و تشدیدگرهای حلقوی است. برای پیاده­سازی آن از شبکه فوتونیک کریستالی مثلثی دو بعدی از حفره­ها در زیر لایه GaAs با بهره­گیری از ماده غیرخطی استفاده شده است و منحنی پاشیدگی آن محاسبه شده است. طرح مذکور با طراحی قطعاتی که قادر به اجرای توابع مستقیم، پایین­گذر و بالاگذر باشند شکل گرفته است. با سری نمودن توابع مذکور با انشعاب Y عملیات AND ، OR و XOR پیاده­سازی شد و به­صورت کامل مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج تحلیل نشان می­دهد که نسبت تباین ساختارهای AND-XOR و AND-OR پیشنهادی حدود 20.29dB و 16.7dB هستند و پاسخ زمانی آن حدود 3psاست. در ادامه گیت منطقی XOR کم­مصرف با استفاده از تزویج­گرهای سمتی طراحی و تحلیل شده است. ساختار شبکه فوتونیک کریستالی ارائه شده شامل شبکه مربعی از میله­های GaAs در هوا است که ساختار فرکانسی آن به­دست آمده است. ساختار پیشنهادی شامل دو تزویج­گر سمتی و یک ترکیب­کننده شاخه T است. برای پیاده­سازی عملیات منطقی XOR ، ضمن طراحی تزویج­گر مطلوب، طول­های تزویج مناسب برای ایجاد تداخل مخرب بین سیگنال­های ورودی محاسبه شد. نتایج شبیه­سازی حاکی از آن است که نسبت تباین و نرخ بیت گیت مذکور به­ترتیب حدود 37.56dBو 1.63Tbit/s است و حساسیت آن به پارامترهای ساخت حداقل است. یکی از راه­های تولید عملیات منطقی استفاده از ساختارهای سوییچینگ است، سوییچ­های دو حالته طراحی شده بدین منظور در فصل چهارم تشریح شده است و سپس گیت منطقی XOR طراحی شده مبتنی بر کاواک درون و کنار موج­بر، تحلیل و شبیه­سازی شده است. در پیاده­سازی این ساختار از شبکه مربعی از میله­های _0.25 ­ Ge ­_0.75 Si در زیرلایه شیشه­ای بوروسیلیکات استفاده شده است. از میله­های غیرخطی نانوکریستال سیلیکون به­عنوان کاواک بهره گرفته شده است. با انتخاب شعاع بهینه کاواک­ها و بهینه­سازی انشعاب Y به­گونه­ای که حداکثر سیگنال در زمان حضور تنها یک ورودی، به خروجی انتقال یابد گیت منطقی XOR پیاده­سازی شده است؛ که جزئیات روش طراحی در فصل چهارم بیان شده است. نشان داده شده است نسبت تباین و نرخ بیت آن به­ترتیب حدود 22.8dBو 250Gbits/sمی­باشد. در بخش انتهایی گیت­های منطقی طراحی شده برای پیاده­سازی عملیات منظقی NOT و OR با استفاده از اثر غیرخطی و تشدیدگرهای حلقوی ارائه گردید. ساختار پیشنهادی از یک شبکه مربعی از میله­های Si در هوا تشکیل شده است و نانوکریستال­های سیلیکون با اثر غیرخطی بالا به­عنوان ماده غیرخطی استفاده شده­اند. محدودکننده­های مبتنی بر تشدیدگرهای حلقوی و ترکیب­کننده­ها بخش­های اصلی ساختار پیشنهادی هستند که طراحی و شبیه­سازی شده­اند. تشدیدگر حلقوی غیرخطی برای ایجاد جابجایی فرکانسی استفاده شده است. در ابتدا با سری نمودن یک ترکیب­کننده و محدودکننده طراحی شده یک گیت منطقی NOT تمام نوری پیاده­سازی گردید و سپس با اتصال آینه­ای دو ساختار NOT با سیگنال مرجع یکسان گیت منطقی OR طراحی گردید. نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد نسبت تباین ساختار پیشنهادی 18.7dBو پاسخ زمانی آن حدود 3psمی­باشد.