طراحی گیت منطقی AND تمام نوری مبتنی بر بلور فوتونی با ابعاد بسیار کم و مناسب برای مدارهای مجتمع نوری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی دانشگاه شهید رجایی، آزمایشگاه تحقیقاتی نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک

2 دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی

چکیده

در این مقاله با استفاده از شبکه بلور فوتونی دو بعدی یک ساختار فشرده و ساده به‌منظور ایجاد گیت منطقی تمام نوری AND معرفی شده است. ساختار طراحی شده متشکل از سه موجبر بلور فوتونی است که توسط یک نانو تشدیدگر به هم متصل شده‌اند. نانو تشدیدگر با افزایش شعاع میله‌ دی‌الکتریک شکل گرفته است. تحلیل و بررسی‌ها با استفاده از روش تفاضل متناهی در حوزه زمان و بسط امواج تخت صورت گرفته است که روش بسط امواج تخت برای به‌دست آوردن شکاف باند فوتونی و روش تفاضل متناهی در حوزه زمان برای بررسی رفتار میدان الکترومغناطیس در ساختار بلور فوتونی استفاده شده است. مزایای این طراحی ابعاد کوچک، بالا بودن امکان تحقق، هماهنگی با فن‌آوری سیلیکون و بالا بودن توان خروجی در حالت یک منطقی است. زمان تاخیر این گیت برابر با ps 32/0 است. نسبت کمینه توان نوری دریافت شده به توان ورودی در حالت یک منطقی برابر با 968/1 و نسبت بیشینه توان نوری به توان ورودی در حالت صفر منطقی 492/0 است. در نتیجه میزان نسبت کنتراست برای گیت طراحی شده برابر با dB 6 است. بالا بودن توان نور در خروجی، گیت منطقی طراحی شده را قادر می‌سازد گیت‌های منطقی طبقه بعدی را فعال سازد و در مدارات مجتمع قرار گیرد. با توجه به ویژگی‌های مطرح شده این گیت منطقی می‌تواند در مدارات مجتمع تمام نوری استفاده شود.

کلیدواژه‌ها


[1] A. Mohebzadeh-Bahabady, S. Olyaee, “Designing low power and high contrast ratio all-optical not logic gate and investigating its use in optical integrated circuits,” Optical and Quantum Electronics, Vol. 51, No. 3, pp. 1-13, 2019.
[2] S. C. Xavier, B. E. Carolin, A. P. Kabilan, W. Johnson, “Compact photonic crystal integrated circuit for all-optical logic operation,” IET Optoelectronics., Vol. 10, No. 4, pp. 142-147, 2016.
[3] M. Mansouri-Birjandi, M. Ghadrdan, “Full-optical tunable add/drop filter based on nonlinear photonic crystal ring resonators,” Photonic and Nanostructures-Fundamentals and Applications, Vol. 21, pp. 44-51, 2016.
[4] S. Olyaee, A. Mohebzadeh-Bahabady, “Designing a novel photonic crystal nano-ring resonator for biosensor application,” Optical and Quantum Electronics, Vol. 47, No. 7, pp. 1881-1888, 2015.
[5] H. Alipour-Banaei, S. Serajmohammadi, F. Mehdizadeh, “Effect of scattering rods in the frequency response of photonic crystal demultiplexers,” Journal of Optoelectronics Advanced Materials., Vol.17, No. 3-4, pp. 259-263, 2015.
[6] F. Mehdizadeh, M. Soroosh, H. Alipour-Banaei, “A proposal for 4-to-2 optical encoder based on photonic crystals,” IET Optoelectronics, Vol. 11, No. 1, pp. 29-35, 2017.
[7] F. Parandin, R. Malmir, M. Naseri, A. Zahedi, “Reconfigurable all-optical NOT, XOR, and NOR logic gates based on two dimensional photonic crystals,” Superlattices and Microstructures, Vol. 113, pp. 737-744, 2018.
[8] Y. C. Ghadrdan, S. B. Liua, H. F. Zhanga, X. K. Konga, “Reconfigurable design of logic gates based on a two-dimensional photonic crystals waveguide structure,” Optics Communications, Vol. 332, pp. 359–3653, 2014.
[9] T. Baba, “Slow light in photonic crystals,” Nature Photonics, Vol. 2, no. 8, pp. 465-473, 2008.
[10] J. Ma, C. Jiang, “Demonstration of Ultraslow Modes in Asymmetric Line-Defect Photonic Crystal Waveguides,” IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 20, pp. 1237-1239, 2008.
[11] M. Ghadrdan, A. Mansouri-Birjandi, “Concurrent implementation of all-optical half-adder and AND & XOR logic gates based on nonlinear photonic crystal,” Optical and Quantum Electronics, Vol. 45, pp. 1027–1036, 2013.
[12] R. M. Younis, N. F. F. Areed, S. S. A. Obayya, “Fully Integrated AND and OR Optical Logic Gates,” IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 26, No. 19, 2014.
[13] N. M. D'souza, V. Mathew, “Interference based square lattice photonic crystal logic gates working with different wavelengths,” Optics and Laser Technology, Vol. 80, pp. 214–219, 2016.
[14] F. Parandin, M.M. Karkhanehchi, “Terahertz all-optical NOR and AND logic gates based on 2D photonic crystals,” Superlattices and Microstructures, Vol. 101, pp. 253-260, 2017.
[15] M. Hussein, A. Tamer, N. Rafat, “New designs of a complete set of photonic crystals logic gates,” Optics Communications, Vol. 411, pp. 175-181, 2018.
[16] K. Goudarzi, A. Mir, I. Chaharmahali, D. Goudarzi, “All-optical XOR and OR logic gates based on line and point defects in 2-D photonic crystal,” Optics and Laser Technology, Vol. 78, pp. 139-142, 2016.
[17] P. Rani, Y. Kalra, R.K. Sinha, “Design and analysis of polarization independent all optical logic gates in silicon-on-insulator photonic crystal,” Optics Communications, Vol. 374, pp. 148–155, 2016.
[18] P. Rani, S. Fatima, Y. Kalra, R. K. Sinha, “Realization of all optical logic gates using universal NAND gates on photonic crystal platform,” Superlattices and Microstructures, Vol. 129, pp. 619-625, 2017.
[19] E. Shaik, N. Rangaswamy, “Realization of XNOR logic function with all-optical high contrast XOR and NOT gates,” Opto-Electronics Review, Vol. 26, pp. 63-72, 2018.
[20] M. Hussein, A. Tamer, N. Rafat, “A review on the techniques for building all-optical photonic crystal logic gates,” Optics and Laser Technology, Vol. 106, pp. 385-397, 2018.
[21] S. Afzal, V. Ahmadi, M. Ebnali-Heidari, “All-optical tunable photonic crystal NOR gate based on the nonlinear Kerr effect in a silicon nanocavity,” Journal of Optical Society America B, Vol. 30, No. 9, pp. 2535-2539, 2013.
[22] Z. Mohebbi, N. Nozhat, M. Khodadadi, “All-optical simultaneous AND & XOR logic gates based on nonlinear micro-ring resonator,” Journal of Modern Optics, Vol. 65, No. 21, pp. 2326-2331, 2018.
[23] Y. C. Jiang, S. B. Liu, H. F. Zhang, X. K. Kong, “Realization of all optical half-adder based on self-collimated beams by two-dimensional photonic crystals,” Optics Communications, Vol. 348, pp. 90–94, 2015.
[24] A. Mohebzadeh-Bahabady, S. Olyaee, “All-optical NOT and XOR logic gates using a photonic crystal nano-resonator and based on interference effect,” IET Optoelectronics, Vol. 12, No. 4, pp. 191-195, 2018.
[25] E. H. Shaik, N. Rangaswamy, “Single photonic crystal structure for realization of NAND and NOR logic functions by cascading basic gates,” Journal of Computational Electronics, Vol. 17, No. 1, pp. 337–348, 2018.
[26] Q. Liu, Z. Ouyang, C. Jung Wu, C. P. Liu, J. C. Wang, “All-optical half adder based on cross structures in two-dimensional photonic crystals,” Optics Express, Vol. 16, No. 23, pp. 18992-19000, 2008.
[27] M. Seifouri, S. Olyaee, M. Sardari, A. Mohebzadeh-Bahabady, “Ultra-fast and compact all-optical half adder using 2D photonic crystals,” IET Optoelectronics, Vol. 13, No. 3, pp. 139-143, 2019.
[28] M. Seifouri, V. Fallahi, S. Olyaee, “Ultra-high-Q optical filter based on photonic crystal ring resonator,” Photonic Network Communications, Vol. 35, No. 2, pp. 225-230, 2018.
[29] A. Seyedfaraji and V. Ahmadi, “Improvement of hybrid photonic crystal Raman amplifier using optofluidic materials,” Journal of Applied Electromagnetics, Vol. 4, No. 3, pp. 56-64, 2016 (in Persian).
[30] S. Olyaee, M. Seifouri, A. Mohebzadeh-Bahabady, M. Sardari, “Realization of all-optical NOT and XOR logic gates based on interference effect with high contrast ratio and ultra-compacted size,” Optical and