CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NHÃN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
2.2 Thiết kế cổng logic toàn quang sử dụng cấu trúc plasmonic
2.2.2 Kết quả mô phỏng
Thực hiện mô phỏng, sự truyền ánh sáng (light propagation) qua các cổng logic được nghiên cứu. Các phương pháp số được sử dụng cho các mô
Độ dài dịch pha m Độ dài dịch pha m
Dịch pha (rad)
Hàm truyền chuẩn hóa
70
phỏng. Hình 2.9 hiển thị phân bố trường của cổng logic XOR ở bước sóng 1550nm cho các giá trị logic đầu vào lần lƣợt là 00, 01, 10 và 11. Các mô phỏng cho thấy có sự phù hợp tốt với phân tích lý thuyết trong Bảng 2.2.
(a) Đầu vào 00 (b) Đầu vào 01
(c) Đầu vào 10 (d) Đầu vào 11
Hình 2.9 Cổng XOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic Hình 2.10 cho thấy các phân bố trường của cổng logic XNOR cho các giá trị logic đầu vào lần lƣợt là 00, 01, 10 và 11. Các mô phỏng cho thấy có sự phù hợp tốt với các kết quả lý thuyết trong Bảng 2.3.
(a) Đầu vào 00 (b) Đầu vào 01
(c) Đầu vào 10 (d) Đầu vào 11
Hình 2.10 Cổng XNOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic
Công suất đầu ra chuẩn hóa tại các cổng đầu ra và cho một tín hiệu ở cổng đầu vào x4 đƣợc thể hiện trong Hình 2.11 (a). Việc truyền tổng thể của cấu trúc bao gồm bộ ghép 4x4 MMI đƣợc nối tiếp với bộ ghép 2x2 MMI đƣợc thể hiện trong Hình 2.11 (b). Kết quả chỉ ra chiều dài tối ƣu của 4x4 MMI là 14.75àm và chiều dài tối ƣu của bộ ghộp 2x2 MMI đƣợc tỡm thấy là 3àm.
71
(a) b)
Hình 2.11 Thiết kế tối ưu cho cấu trúc 4x4 và 2x2 MMI dùng plasmonic Trong nghiên cứu này, Hình 2.11 minh họa sự thay đổi công suất đầu ra chuẩn hóa tại các cổng y1 và y2 khi chiều dài của cấu trúc 4x4 MMI thay đổi.
Mục tiêu của nghiên cứu là xác định phạm vi dung sai chế tạo khả thi khi chế tạo dùng công nghệ CMOS hiện thời. Đây là yếu tố quan trọng vì dung sai chế tạo cao sẽ giúp quá trình sản xuất linh hoạt hơn và tăng khả năng ghép nối các cổng logic trong mạch quang học. Kết quả mô phỏng cho thấy khi chiều dài của MMI thay đổi trong phạm vi ±100nm so với chiều dài tối ƣu, công suất đầu ra tại các cổng y1 và y2 chỉ thay đổi khoảng 0.02 đơn vị chuẩn hóa.
Điều này có nghĩa là: Dung sai chế tạo rộng cho phép sai lệch lớn trong quá trình sản xuất, giúp giảm yêu cầu khắt khe về độ chính xác của thiết bị chế tạo. Đồng thời, dung sai này lớn hơn đáng kể so với các cấu trúc khác nhƣ cấu trúc ghép có hướng, thường có dung sai chỉ khoảng ±50nm. Điều này giúp dễ dàng ghép nối các thành phần logic mà không cần điều chỉnh chính xác từng linh kiện.
Nhƣ vậy, với phạm vi sai lệch ±100nm, cấu trúc MMI trong công nghệ CMOS có thể đáp ứng yêu cầu chế tạo mà vẫn đảm bảo tính năng xử lý tín hiệu theo thiết kế, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các mạch quang học tích hợp trên diện rộng.
72
Hình 2.12 cho công suất đầu ra chuẩn hóa của các cổng XNOR và XOR cho bit 1 và 0 tương ứng ở các bước sóng khác nhau. Có thể thấy công suất đầu ra không đổi trong một dải bước sóng lớn (khoảng 70nm).
Hình 2.12 (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa đối với logic 1 và 0 cho (a) cổng XOR và (b) cổng XNOR dùng plasmonic
Hình 2.13 Tỷ lệ phân biệt của cổng XOR và XNOR
Hiệu năng của các cổng logic quang đƣợc đánh giá bằng cách sử dụng tỷ lệ tương phản (CR). Khi tỷ lệ CR càng cao thì phân biệt giữa bit 0 và 1 càng tốt, tức hoạt động của cổng logic càng tốt. Không mất tính tổng quát, đối với cổng logic quang, CR đƣợc biểu thị bằng:
logi 1 10
logi 0
10log ( c )(dB)
c
CR P
P (0.1)
73
Kết quả là tỷ số phân biệt CR (Contrast Ratio) đối với các cổng XOR và XNOR đƣợc hiển thị trong Hình 2.13. Kết quả cho thấy, đối với băng thông 70nm từ 1530nm đến 1600nm, CR thay đổi từ 16dB đến 22dB.
(a) Đầu vào 00 (b) Đầu vào 01
(c) Đầu vào 10 (d) Đầu vào 11 Hình 2.14 Cổng NAND với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11
dùng plasmonic
Hình 2.14 cho công suất đầu ra chuẩn hóa của cổng NAND cho bit 1 và 0 tương ứng ở các bước sóng khác nhau. Có thể thấy công suất đầu ra không đổi trong một phạm vi bước sóng lớn (khoảng 70nm).
Hình 2.15 (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa cho mức logic 1 và 0 và (b) tỷ lệ phân biệt của cổng NAND
(a) (b)
74
Kết quả CR tỷ lệ phân biệt cho các cổng NAND đƣợc chỉ ra đối với băng thông 70nm từ 1530nm đến 1600nm, CR thay đổi từ 13dB đến 25.8dB.