РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА НА ИОННООБМЕННОЙ СТРУКТУРЕ

DEVELOPMENT OF A MODEL OF A LOGICAL DEVICE BASED ON AN ION EXCHANGE STRUCTURE

Olga Polyutova

master's student, Kuban State University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

В статье описана разработка физико-математической модели оптического логического устройства на ионнообменной структуре. Рассчитаны геометрические параметры волновода, проведён анализ полученной структуры в специализированной программе OptiBPM.

ABSTRACT

The article describes the development of a physical and mathematical model of an optical logic device based on an ion exchange structure. The geometric parameters of the waveguide are calculated, and the resulting structure is analyzed in a specialized program OptiBPM.

Ключевые слова: оптическая логика, битовый контраст, метод распространяющегося пучка, ионнообменные структуры.

Keywords: optical logic, bit contrast, propagating beam method, ion exchange structures.

С развитием связи возросла необходимость большей пропускной способности. Помимо оптоволоконного кабеля, по которому практически моментально передается сигнал, необходимо разрабатывать оборудование, которое ускоряет обработку данных. Интегральная оптика уже сегодня предлагает прототипы устройств, реализующих логические и арифметических операции. Так 16 февраля 2024 года стало известно о разработке полупроводникового чипа, способного реализовать операцию перемножения матриц на вектор. Это устройство ускорит процесс обучения искусственного интеллекта.

Любой чип построен на структурах, совершающих логические операции такие как OR, AND, XOR, XNOR и другие. В линейных оптических устройствах вычисления происходят на явлении интерференции. Два сигнала можно как усилить, получив на выходе мощность, равную логической 1, так и взаимно погасить, получив логический 0. На этом принципе работают многие устройства: и на плазмонных структурах, и на полупроводниковых, и на стеклах. Существует прототип на основе Y-разветвителя с дополнительным входом для сигнала смещения, который уравнивает выходную мощность. Этот сигнал необходим, чтобы зафиксировать определенное значение мощности для каждого из значений (для логического 0 одно, для 1 – другое). Поэтому вероятность возникновения ошибки минимальна. Впервые это устройство разработано в 2020 году и названо ультракоротким Ψ-элементом для линейной оптической логики [1 c. 4], оно представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Ультракороткий 3-входовый логический элемент

На стеклянной подложке кремниевая структура с 3-мя входами. Для реализации той или иной функции подбирается фаза и мощность сигнала, который подается на вход Bias. Рабочая длина волны 1,54 мкм. Однако технология изготовления такого волновода достаточно дорогая, требует специализированных производственных процессов. А изготовление структур в стекле более доступно.

Разработана физико-математическая модель логического элемента в стекле К-8 на ионнообменном волноводе К⁺. Расчеты производились в специализированной программе OptiBPM, реализующую метод распространяющегося пучка. Структура в стекле К-8, работающая на длине волны 0,6328 нм. Показатель преломления К-8 1,515, а у волноводов с примесью ионов калия 1,522 (разница показателей преломления мала 0,0072).

На рисунке 2 представлен чертеж структуры в программе OptiBPM.

Рисунок 2. Чертеж шаблона логического оптического объединителя

Для минимизации потерь использовались S-изгибы. Длина разветвления 600 мкм, общая длина устройства 1000 мкм. Без подачи сигнала на порт смещения удалось реализовать XOR и OR. Благодаря смещению удалось реализовать и элемент AND.

Элемент OR

Для реализации OR нужно, чтобы соблюдалось условие равенства выходных сигналов Р(0,1)=Р(0,1)=Р(1,0). Здесь не нужно использовать порт смещения, достаточно установить фазу между входными А и В таким образом, чтобы уравнять значения мощности при подаче комбинации (1,1).

Таким образом, Pbias = 0, разность фаз между А и В = π/2. В следующей таблице представлены результаты значений мощности на выходе при 4 комбинациях.

Таблица 1

Мощности выходного сигнала элемента OR

Рисунок 3. Результаты расчета выходной мощности и распределения светового поля в элементе ИЛИ при подаче (0,1), (1,0), (1,1)

Как видно из таблицы 1 и по распределению светового поля, удалось реализовать работу устройства, реализующего OR. Мощности для 1 при соответствующих комбинациях достаточно близки. Битовый контраст (отношение мощности сигнала при логической 1 к мощности сигнала при логическом 0) .

Элемент XOR

Для реализации XOR также достаточно манипуляции разностью фаз между А и В, так, чтобы при подаче (1,1) наблюдалась деструктивная интерференция. Установлено, что = 2π/3.

Таблица 11

Мощности выходного сигнала элемента XOR

Последнее значение при подаче (1,1) близко к 0, битовый контраст считался по отношению к 0,05. Так им образом удалось получить хороший битовый контраст равный 10. На следующем рисунке также представлены результаты из OptiBPM, визуализирующие работу устройства.

Рисунок 4. Результаты расчета выходной мощности и распределения светового поля в элементе XOR при подаче (0,1), (1,0), (1,1)

Элемент AND

Для реализации AND нужен сигнал смещения, при этом при подаче 0,0 мощность на выходе не нулевая, а значит этим сигналом необходимо уравнять значения при подаче (0,1) и (1,0). Таким образом для сигнала смещения: =π/2, Pbias=0,4P_A. Полученный битовый контраст 3

Таблица 3

Мощности выходного сигнала элемента И

Рисунок 5. Результаты расчета выходной мощности и распределения светового поля в элементе AND при подаче (0,1), (1,0), (1,1)

Таким образом, разработана физико-математическая модель логического устройства Ψ-топологии в стекле К-8. Рассчитаны его геометрические параметры, проведён анализ распространяющегося в нем оптического излучения при помощи специализированной программы OptiBPM. По результатам расчета был сформирован чертеж этого устройства для фотолитографического процесса с дальнейшей целью его изготовления.

Список литературы:

1. Kita, S., Ultrashort low-loss Ψ gates for linear optical logic on Si photonics platform: / Shota Kita, Kengo Nozaki, Kenta Takata, Akihiko Shinya Masaya Notomi // COMMUNICATIONS PHYSICS. – 2020
2. Prieto-Blanco, X., Quantum projectors implemented with optical directional couplers fabricated by Na/K ion-exchange in soda-lime glass: / Xes´us Prieto-Blanco,Carlos Montero-Orille, Jes´us Li~nares, H´ector Gonz´alez-N´u~nez, Daniel Balado // arXiv:2102.01169v1 [quantum]. – 2021