25894

طراحي و شبيه ‌سازي مبدل تمام-نوري هار براي فشرده ‌سازي داده

دكتري

مهندسي برق مخابرات-ميدان

1400-1401

1400/09/27

دكتر محمد هاشم واجد سميعي

دكتر آنتونيو تيشيرا

مهندسي برق

تبديل هار يكي از انواع تبديل‌ موجك است كه كارآيي و سرعت بالايي داشته و به سادگي مي‌تواند به صورت تمام-نوري توسط مدارات مجتمع نوري پياده سازي گردد. از طرفي، تحقق نوري تبديل هار، به دليل حذف تبديلات نوري-الكتريكي-نوري و در نتيجه افزايش سرعت محاسباتي، در حوزه پردازش و فشرده سازي داده‌هاي نوري با حجم بالا، به ويژه در ارتباطات بي‌درنگ، بسيار مورد توجه قرار گرفته است. در اين رساله، يك واحد ساختاري جديد براي پياده سازي تبديل هار نوري پايه، بر اساس تزويج كننده تداخل چند-مدي، طراحي شده است. مزيت مبدل هار پيشنهادي نسبت به نمونه‌هاي قبلي اين است كه طراحي آن، براي طول موج‌ها و تكنولوژي‌هاي مواد مختلف، مبتني بر روابط تحليلي و نه شبيه سازي‌هاي مكرر بوده و داراي تلرانس ساخت بالايي مي‌باشد. سه واحد ساختاري، بر اساس طرح ارائه شده، بر روي سه پلتفرم مادۀ شفاف در طيف مرئي: Di-Ureasil (Di-U)، Ge:SiO2 و TriPleX، در طول موج نور سبز رنگ (532 نانومتر) طراحي و شبيه سازي شده است كه ابعاد آنها به ترتيب برابر 3440×30، 1509×24 و 1200×18 ميكرومتر مربع مي‌باشد. با استفاده از نتايج شبيه ‌سازي، نرخ‌هاي تزويج 1:99 درصد براي دو پلتفرم Di-U و Ge:SiO2 و 0:100 درصد براي پلتفرم TriPleX و تلفات اضافي 0.26، 0.22 و 0.18 دسي‌بل به ترتيب براي هر سه پلتفرم به دست آمده است كه ضمن اثبات عملكرد خوب، نشان مي‌دهد با افزايش كنتراست ضريب شكست، كارآيي نيز بهبود مي‌يابد. يك تراشه فوتوني، بر اساس واحد ساختاري پيشنهادي، بر روي پلتفرم Di-U كه داراي كنتراست ضريب شكست پاييني (حدود 0.2 درصد) مي‌باشد، در طول موج 532 نانومتر طراحي و شبيه سازي شده كه مدارات موجود در آن به پياده سازي تبديلات هار نوري مرتبه اول و مرتبه دوم مي‌پردازند. نرخ‌هاي تزويج 1:99 درصد براي تبديل هار مرتبه اول دو نقطه‌اي و 1:2:46:1:1:46:2:1 درصد براي تبديل هار مرتبه دوم هشت نقطه‌اي به دست آمده و براي يك آرايۀ خطي 8 تايي از پيكسل¬هاي يك تصوير ورودي، يك نرخ فشرده ‌سازي نوري برابر با 75 درصد حاصل شده است. با استفاده از تكنولوژي TriPleX، كه داراي كنتراست ضريب شكست نسبتاً بالايي (حدود 27 درصد) مي‌باشد و ابعاد طراحي كوچكتري را ارائه مي‌دهد، تراشه نوري ديگري در طول موج 532 نانومتر طراحي و ساخته شده و مشخصات آن اندازه گيري شده است. نتايج حاصل از شبيه سازي و اندازه‌ گيري به خوبي با هم مطابقت داشته و صحت عملكرد و كارآيي بالاي تراشه طراحي شده را تأييد مي‌كنند. به عنوان مثال، نرخ‌هاي تزويج شبيه سازي شده و اندازه گيري شده براي تبديل هار مرتبه اول به ترتيب برابر با 0:100 و 2:98 درصد و براي تبديل هار مرتبه دوم به ترتيب برابر 0:0:50:0:0:50:0:0 و 1:3:42:4:5:40:3:2 حاصل شده است. جهت كنترل فاز سيگنال‌هاي ورودي در مرحله تست تراشه در آزمايشگاه، تعديل كننده‌هاي فاز فعال (PM) در ورودي مدارات طراحي گرديده كه موجب بهبود نتايج اندازه گيري شده است. به عنوان نمونه، با فعال سازي PM در يكي از مدارات تراشه، بهبود 7 درصدي در نرخ تزويج اندازه گيري شده به دست آمده است.

1400/10/25

Design and Simulation of All-Optical Haar Transform Converter for Data Compression

12/18/2022 12:00:00 AM

Haar Transform (HT) is one of the wavelet transforms that has high efficiency and speed and can easily be realized in all-optical form by photonic integrated circuits. Furthermore, the optical implementation of HT has attracted great attention in the field of processing and compression of high-volume optical data, especially in real-time communications, due to the elimination of Optical-to-Electrical-to-Optical (OEO) conversions and thus increasing the computational speed. In this thesis, a new building block, based on the multimode interference coupler, has been designed to implement the basic optical HT. The advantage of the proposed HT converter over previous models is that its design, for different material platforms in various wavelengths, is based on the analytical equations rather than a trial and error method using the repetitive simulations and has a high manufacturing tolerance. Three building blocks, based on the proposed design, have been introduced and simulated in the wavelength of green light (532 nm) on three different material platforms that are transparent in the visible spectrum: Di-Ureasil (Di-U), Ge:SiO2 and TriPleX, whose dimensions are 3440×30, 1509×24 and 1200×18 µm2, respectively. Using the simulation results, the coupling ratios (CR) of 99:1% for the Di-U and Ge:SiO2 platforms and 100:0% for the TriPleX platform and the excess losses (EL) of 0.26, 0.22 and 0.18 dB are obtained for three platforms, respectively. The results, while proving good performance, show that by increasing the refractive index contrast, the efficiency also improves. A photonic chip, based on our proposed building block, has been designed and simulated on the Di-U platform with a low refractive index contrast (about 0.2%) at the wavelength of 532 nm, in which the designed circuits implement 1st and 2nd order optical HT. The CRs of ~99:1% and ~1:2:46:1:1:46:2:1% are attained for 2-point 1st order and 8-point 2nd order HT, respectively, and for a 1×8 pixels array of a grayscale sample image, an optical compression rate of 75% is achieved. Using TriPleX technology, which has a relatively high refractive index contrast (~27%) and offers a smaller footprint, another photonic chip has been designed, fabricated and characterized at the wavelength of 532 nm. The simulation and measurement results are well matched and verify the high performance and efficiency of the designed chip. For instance, the simulated and measured CRs for 1st order HT are 100:0% and 98:2%, respectively, and for 2nd order HT are 0:0:50:0:0:50:0:0 and 2:3:40:5:4:42:3:1, respectively. In order to control the phase of the input signals when testing the chip in the laboratory, active phase modulators (PM) have been designed at the input of the circuits, which has improved the measurement results. For example, by activating PM in one of the chip circuits, a 7% improvement in the measured CR is obtained.

مدارات مجتمع نوري , تبديل هار نوري , تداخل چند-مدي , فشرده‌ سازي نوري , تكنولوژي TriPleX

Photonic integrated circuits , Optical Haar transform , Multimode interference , Optical compression , TriPleX technology