МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКОМ ЛОГИЧЕСКОМ КОМПАРАТОРЕ НА ОСНОВЕ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА GaAs
Аннотация
Фотонные кристаллы – полупроводниковые структуры с фотонной запрещенной зоной –
вызывают большой интерес у научного сообщества. Они представляют собой новый класс опти-
ческих материалов, обладающих пространственной периодической модуляцией диэлектрической
проницаемости с периодом, близким к длине волны излучения. Интерес к этим структурам объяс-
няется их значимостью для фундаментальных исследований взаимодействия излучения с вещест-
вом и потенциалом создания оптоэлектронных устройств следующего поколения. В данной рабо-
те представлены результаты моделирования компактного оптического логического компаратора
на фотонном кристалле GaAs, работающем во втором окне прозрачности оптического волокна
(длина волны 1.3 мкм). Модельный компаратор представляет собой среду с двумя входными и
двумя выходными оптическими каналами. При вводе излучения в один из входов компаратора со-
ответствующий выходной канал пропускает излучение, символизируя логическую единицу. В слу-
чае отсутствия сигналов на входных каналах либо ввода сигналов в оба входа, оба выходных кана-
ла не пропускают излучение, символизируя логические нули. Каналы в компараторе создаются с
помощью пересекающихся волноводов, сформированных в двумерном фотонном кристалле GaAs,
который состоит из набора цилиндрических кристаллов (столбцов) GaAs с диаметром от 130 до
170 нм, встроенных в вакуумную среду с периодом от 450 до 750 нм. Для обеспечения затухания
электромагнитных волн, вводимых в компаратор в оба входных канала, в месте пересечения вол-
новодов встроены дефектные столбцы GaAs с меньшим диаметром. Проведено исследование
влияния диаметра столбцов и периода между столбцами фотонного кристалла GaAs на законо-
мерности распространения электромагнитного излучения в среде оптического компаратора. На
основании анализа отношения уровней интенсивности сигналов на входах и выходах устройства,
установлено, что оптимальный диаметр столбцов GaAs и расстояние между ними, при которых
структура в наибольшей степени соответствует требованиям работы оптического логического
компаратора, составляет 155 и 600 нм соответственно.
Литература
Lett., 1987, Vol. 58, No. 20, pp. 2059-2062.
2. Dyachenko P.N., Miklyaev Y.V., Dmitrienko V.E. Three-dimensional photonic quasicrystal with a
complete band gap, JETP Lett., 2007, Vol. 86, No. 4, pp. 240-243.
3. Chutinan A., Kherani N.P., Zukotynski S. High-efficiency photonic crystal solar cell architecture, Opt.
Express., 2009, Vol. 17, No. 11, pp. 8871.
4. Shekari Firouzjaei A., Salman Afghahi S., Ebrahimi Valmoozi A.-A. Emerging Trends, Applications,
and Fabrication Techniques in Photonic Crystal Technology, Recent Advances and Trends in Photonic
Crystal Technology. IntechOpen, 2024.
5. Vetluzhskiy A.Yu. Volnovodnye ustroystva na osnove lineynykh defektov v metallicheskikh
elektromagnitnykh kristallakh [Waveguide devices based on linear defects in metallic electromagnetic
crystals], Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics], 2017, Vol. 87, No. 1, pp. 150.
6. Xavier S.C. et al. Compact photonic crystal integrated circuit for all‐optical logic operation, IET
Optoelectron, 2016, Vol. 10, No. 4, pp. 142-147.
7. Hassan S., Chack D., Pavesi L. High extinction ratio thermo-optic based reconfigurable optical logic
gates for programmable PICs, AIP Adv., 2022, Vol. 12, No. 5.
8. Salmanpour A., Mohammadnejad S., Omran P.T. All-optical photonic crystal NOT and OR logic gates
using nonlinear Kerr effect and ring resonators, Opt. Quantum Electron, 2015, Vol. 47, No. 12,
pp. 3689-3703.
9. Bjarklev A., Chinlon Lin. Applications of photonic crystal fibers in optical communications - What is
in the future?, 2005 IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proceedings. IEEE, 2005, pp. 812-813.
10. Welch D.F. et al. High power, AlGaAs buried heterostructure lasers with flared waveguides, Appl.
Phys. Lett., 1987, Vol. 50, No. 5, pp. 233-235.
11. Babichev A.V. et al. Heterostructures of Quantum-Cascade Lasers Based on Composite Active
Regions, Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., 2023, Vol. 87, No. 6, pp. 839-844.
12. Tuchin V.V., Skibina J.S., Malinin A.V. Photonic crystal fibers in biophotonics, ed. Popp J., 2011,
pp. 83110N.
13. Tamer A. Moniem. All-optical XNOR gate based on 2D photonic-crystal ring resonators, Quantum
Electron, 2017, Vol. 47, No. 2, pp. 169-172.
14. Sun Xiao-Wen et al. Design and analysis of logic NOR, NAND and XNOR gates based on interference
effect, Quantum Electron, 2018, Vol. 48, No. 2, pp. 178-183.
15. Parandin F. Ultra-compact terahertz all-optical logic comparator on GaAs photonic crystal platform,
Opt. Laser Technol., 2021, Vol. 144, pp. 107399.
16. Olyaee S., Naraghi A., Ahmadi V. High sensitivity evanescent-field gas sensor based on modified
photonic crystal fiber for gas condensate and air pollution monitoring, Optik (Stuttg), 2014, Vol. 125,
No. 1, pp. 596-600.
17. Brès C.-S. et al. Supercontinuum in integrated photonics: generation, applications, challenges, and
perspectives, Nanophotonics, 2023, Vol. 12, No. 7, pp. 1199-1244.
18. Gorelik V.S. et al. Three-dimensional quantum photonic crystals and quantum photonic glasses, Russ.
J. Gen. Chem., 2013, Vol. 83, No. 11, pp. 2125-2131.
19. Gorbatsevich A.A., Friman A.V., Gorelik B.C. Dvumernyy geksagonal'nyy fotonnyy kristall s novoy
geometriey elementa [Two-dimensional hexagonal photonic crystal with a new element geometry],
Kratkie soobshcheniya po fizike FIAN [Brief communications on physics of the Lebedev Physical Institute],
2014, Vol. 6, pp. 37-38.
20. Drachev V.P. Kremnievaya fotonika: status i perspektivy razvitiya [Silicon photonics: status and development
prospects], Mater. X Mezhdunarodnogo seminara po volokonnym lazeram 2022. Institut
avtomatiki i elektrometrii SO RAN, 2022 [Proceedings of the X International Seminar on Fiber Lasers
2022. Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 2022], pp. 200-201.
