طراحی و شبیه‌سازی مقایسه‌کننده تک‌بیتی تمام نوری فوق سریع با استفاده از تشدیدگرهای حلقوی بلور فوتونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرکرد، ایران

چکیده

در این مقاله یک طرح جدید از یک مقایسه‌کننده تک‌بیتی تمام نوری فوق سریع ارائه می‌شود که بر اساس تشدیدگرهای حلقوی بلور فوتونی متشکل از شیشه‌های آلائیده با ضریب غیرخطی بالا ساخته می‌شود. ساختار کلی این مقایسه‌کننده شامل دو ورودی، چهار تشدیدگر حلقوی همراه با تعدادی موج‌بر برای مقایسه و سه خروجی برای ارائه نتیجه است که همه در بستر بلور فوتونی ایجاد شده‌اند. با استفاده از روش عددی بسط امواج تخت ساختار باندی آن محاسبه و نتایج حاصل شده نشان می‌دهند که بلور فوتونی پایه دارای شکاف باند فوتونی در مد پلاریزه TM در پنجره  طول‌موجی باند S، C و L است و برای کاربردهای مخابراتی ابزاری مناسب می‌باشد. برای حل معادلات ماکسول از روش تفاضلی محدود در حوزه زمان استفاده شده است که هدف از آن بررسی رفتار انتشاری نور درون ساختار نهایی است. نتایج مطالعات عددی نشان می‌دهند ساختار طراحی شده دارای پاسخ زمانی بسیار کوتاه 3 پیکوثانیه است که نسبت به تمامی مقایسه‌کننده­های طراحی‌شده تاکنون شامل مقایسه­کننده‌های الکترونیکی، و تمام نوری از سرعت بالاتری برخوردار است. همچنین مساحت نسبتاً کوچک آن‌که در حدود 826 میکرومتر مربع است، استفاده از آن در طراحی مدارهای فوتونیکی مجتمع را ممکن می‌سازد.

کلیدواژه‌ها


[1]   E. Yablonovitch, T. J. Gmitter, and K. M. Leung, “Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms,” Physical Review Letters, vol. 67, no. 17, pp. 2295–2298, 1991.##
[2]   E. Yablonovitch, “Photonic band-gap crystals,” Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 5, no. 16, p. 2443, 1993.##
[3]   E. Yablonovitch, “Photonic crystals,” Journal of Modern Optics, vol. 41, no. 2, pp. 173–194, 1994.##
[4]   S. Mukherjee, R. Maiti, A. Midya, S. Das, and S. K. Ray, “Tunable direct bandgap optical transitions in MoS2 nanocrystals for photonic devices,” Acs Photonics, vol. 2, no. 6, pp. 760–768, 2015.##
[5]   C. Trigona, B. Ando, and S. Baglio, “Design, fabrication, and characterization of BESOI-accelerometer exploiting photonic bandgap materials,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 63, no. 3, pp.      702–710, 2014.##
[6]   R. M. Younis, N. F. F. Areed, and S. S. A. Obayya, “Fully integrated and and or optical logic gates,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 26, no. 19, pp. 1900–1903, 2014.##
[7]   P. Andalib and N. Granpayeh, “All-optical ultracompact photonic crystal and gate based on nonlinear ring resonators,” Journal of the Optical Society of America B, vol. 26, no. 1, p. 10, 2009.##
[8]   H. M. E. Hussein, T. A. Ali, and N. H. Rafat, “New designs of a complete set of Photonic Crystals logic gates,” Optics Communications, vol. 411, pp. 175–181, 2018.##
[9]   M. Hosseinzadeh Sani, A. Ghanbari, and H. Saghaei, “An ultra-narrowband all-optical filter based on the resonant cavities in rod-based photonic crystal microstructure,” Optical and Quantum Electronics, vol. 52, no. 6, p. 295, 2020.##
[10] M. Zamani, “Photonic crystal-based optical filters for operating in second and third optical fiber windows,” Superlattices and Microstructures, vol. 92, pp. 157–165, 2016.##
[11] A. Foroughifar, H. Saghaei, and E. Veisi, “Design and analysis of a novel four channel optical filter using ring resonators and line defects in photonic crystal microstructure,” Optical and Quantum Electronics, vol. 53, no. 2, 2021.##
[12] S. Naghizade,  H. Khoshsima, “Low input power an all optical 4×2 encoder based on triangular lattice shape photonic crystal,” Journal of Optical Communications, vol. 1, pp. 1–8, 2018.##
[13] T. A. Moniem, “All-optical digital 4 × 2 encoder based on 2D photonic crystal ring resonators,” Journal of Modern Optics, vol. 63, no. 8, pp. 735–741, 2016.##
[14] F. Mehdizadeh, M. Soroosh, and H. Alipour-Banaei, “Proposal for 4-to-2 optical encoder based on photonic crystals,” IET Optoelectronics, vol. 11, no. 1, pp. 29–35, 2017.##
[15] T. Daghooghi, M. Soroosh, and K. Ansari-Asl, “Ultra-fast all-optical decoder based on nonlinear photonic crystal ring resonators,” Applied Optics, vol. 57, no. 9, p. 2250, 2018.##
[16] Z. Chen, Z. Li, and B. Li, “A 2-to-4 decoder switch in SiGe/Si multimode inteference,” Optics Express, vol. 14, no. 7, p. 2671, 2006.##
[17] F. Parandin, M. M. Karkhanehchi, M. Naseri, and A. Zahedi, “Design of a high bitrate optical decoder based on photonic crystals,” Journal of Computational Electronics, vol. 17, no. 2, pp. 830–836, 2018.##
[18] G. Manzacca, D. Paciotti, A. Marchese, M. S. Moreolo, and G. Cincotti, “2D photonic crystal cavity-based WDM multiplexer,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol. 5, no. 4, pp. 164–170, 2007.##
[19] M. Koshiba, “Wavelength division multiplexing and demultiplexing with photonic crystal waveguide couplers,” Journal of Lightwave Technology, vol. 19, no. 12, pp.   1970–1975, 2001.##
[20] V. Fakouri-Farid and A. Andalib, “Design and simulation of an all optical photonic crystal-based comparator,” Optik, vol. 172, pp. 241–248, 2018.##
[21] H. Jile, “Realization of an all-optical comparator using beam interference inside photonic crystal waveguides,” Applied Optics, vol. 59, no. 12, p. 3714, 2020.##
[22] C. Lu, X. Hu, H. Yang, and Q. Gong, “Chip-integrated ultrawide-band all-optical logic comparator in plasmonic circuits,” Scientific Reports, vol. 4, no. 1, pp. 1–8, 2014.##
[23] R. Moradi, “All optical half subtractor using photonic crystal based nonlinear ring resonators,” Optical and Quantum Electronics, vol. 51, no. 4, p. 119, 2019.##
[24] E. Kuramochi  et al., “Large-scale integration of  wavelength-addressable all-optical memories on a photonic crystal chip,” Nature Photonics, vol. 8, no. 6, pp. 474–481, 2014.##
[25] T. Alexoudi, G. T. Kanellos, and N. Pleros, “Optical RAM and integrated optical memories: a survey,” Light: Science and Applications, vol. 9, no. 1, pp. 1–16, 2020.##
[26] T. Uda, A. Ishii, and Y. K. Kato, “Single Carbon Nanotubes as Ultrasmall All-Optical Memories,” ACS Photonics, vol. 5, no. 2, pp. 559–565, 2018.##
[27] A. Poustie, R. J. Manning, A. E. Kelly, and K. J. Blow, “All-optical binary counter,” Optics Express,