Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Χάρης Μεσαριτάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Μηχανικών, Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων, Πανεπιστήμιο Αιγαίου
Περίληψη:
Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό την μελέτη της διεγερσιμότητας των λέιζερ κβαντικών τελειών με σκοπό την προσομοίωση ενός βιολογικού νευρώνα. Οι συνεχείς απαιτήσεις για αύξηση της ταχύτητας επεξεργασίας και του εύρους ζώνης, σε συνδυασμό με τον κορεσμό των επιδόσεων των ηλεκτρονικών συστημάτων, έχουν ωθήσει την σημερινή επιστημονική κοινότητα στη μελέτη και ανάπτυξη ριζοσπαστικών συστημάτων επεξεργασίας δεδομένων τα οποία βασίζονται σε βιομιμιτικές τεχνικές επεξεργασίας. Θεμέλιος λίθος των συστημάτων αυτών αποτελεί ο νευρώνας. Τα ενδογενή πλεονεκτήματα των λέιζερ αλλά και οι πρόσφατες έρευνες που υπέδειξαν την βιομιμιτική τους συμπεριφορά, τα καθιστούν ως μια πολλά υποσχόμενη δομή για την υλοποίηση των τεχνητών νευρώνων.
Η δομή που προσομοιώθηκε στην παρούσα εργασία αποτελείται από δύο μονότροπα λέιζερ κβαντικών τελειών, συνδεδεμένα σε Master-Slave συνδεσμολογία. Τα δυο λέιζερ έχουν σταθερες συνθήκες πόλωσης, οι οποίες προκαλούν εκπομπή μόνο από τη Ground State (GS) ενεργειακή στάθμη. Η έξοδος του Master εγχέεται στο Slave, διαταρράσοντας την λειτουργία του τελευταίου, με αποτέλεσμα να αλλάζει η έξοδος αυτού. Τα δυο λέιζερ έχουν μια μικρή συχνοτική απόσταση df σε ότι αναφορά την συχνότητα εκπομπής τους, ενώ το πλάτος του πεδίου που εγχέεται στο Slave καθορίζεται από την τιμή του συντελεστή έγχυσης rinj. Για τη μελέτη της δομής, αναπτύχθηκε κώδικας στο πρόγραμμα MATLAB, βασισμένο σε αριθμητικό μοντέλο που κάνει χρήση πολυπληθυσμιακών εξισώσεων για τις ενεργειακές ζώνες του υλικού.
Αρχικά προσομοιώθηκε η λειτουργία ενός ανεξάρτητου λέιζερ κβαντικών τελειών όπου παρατηρήθηκε ότι η αύξηση του ρεύματος άντλησης προκαλεί έναρξη της εξαναγκασμένης εκπομπής αρχικά από τη GS και μετέπειτα από την Excited State (ES) ενεργειακή στάθμη με ταυτοχρονη αύξηση της εκπεμπόμενης ισχύος. Το σημαντικότερο φαινόμενο που παρατηρήθηκε είναι ότι μετά μετά την έναυση του ES πεδίου, αύξηση του ρεύματος άντλησης επιφέρει μείωση του GS πεδίου, η οποία οφείλεται στην ασυμμετρία των χρόνων μεταφοράς οπών και ηλεκτρονίων.
Σε ότι αναφορά την περίπτωση των δυο λέιζερ παρατηρείται ότι το εγχυόμενο πεδίο μπορεί να αλλάξει ριζικά την λειτουργία του Slave. Πιο συγκεκριμένα, η έγχυση GS πεδίου στο Slave, ανάλογα με τις τιμές των df και rinj, μπορεί να προκαλέσει αύξηση του πλάτους του πεδίου του Slave, αλλαγή της εξόδου του από σταθερή σε περιοδική ή άναμα του ES πεδίου με ταυτόχρονο σβήσιμο του GS πεδίου. Η τελευταία περίπτωση εμφανίζεται εντονότερα στα αρνητικά df και είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς αποτελεί τη βάση για την υλοποίηση του κατασταλτικού νευρώνα. Το παραγώμενο ES πεδίο μπορεί να παρουσιάσει σταθερή, περιοδική ή παλμική συμπεριφορά ανάλογα με τις τιμές των df και rinj.
Τέλος πολώνοντας τη δομή κοντά στην περιοχή ανάματος του ES και εισάγοντας τετραγωνικούς παλμούς μείωσης του rinj, παράγονται στενοί παλμοί στo ES με ταυτοχρονή παραγωγή αρνητικών παλμών στο GS. Επιπλέον μεταβάλλοντας την συχνότητα, το πλάτος και τη διάρκεια των παλμών μείωσης προκύπτει ότι η δομή μπορεί να προσομοιάσει τη fire-and-integrate λειτουργία, η οποία αποτελεί βασικό χαρακτηριστικό των βιολογικών νευρώνων.
