[論文レビュー] Analog Computing with Metatronic Circuits

Mario Miscuglio, Yaliang Gui+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、可変性のある亜鉛酸亜鉛酸化物（ITO）を用いた、エプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）材料を用いた、チップスケールかつCMOS互換性を有するナノフォトニクスプラットフォームを提案する。このプラットフォームは光の速度で偏微分方程式（PDE）を解くことでアナログ計算を実現する。ENZ媒体における波長ストレッチングと電束密度制御を活用することで、非局所的かつ再構成可能でエネルギー効率の高い計算が可能となり、キャリア注入によるプログラマブルな光学応答が実現される。

ABSTRACT

Analog photonic solutions offer unique opportunities to address complex computational tasks with unprecedented performance in terms of energy dissipation and speeds, overcoming current limitations of modern computing architectures based on electron flows and digital approaches. The lack of modularization and lumped element reconfigurability in photonics has prevented the transition to an all-optical analog computing platform. Here, we explore a nanophotonic platform based on epsilon-near-zero materials capable of solving in the analog domain partial differential equations (PDE). Wavelength stretching in zero-index media enables highly nonlocal interactions within the board based on the conduction of electric displacement, which can be monitored to extract the solution of a broad class of PDE problems. By exploiting control of deposition technique through process parameters, we demonstrate the possibility of implementing the proposed nano-optic processor using CMOS-compatible indium-tin-oxide, whose optical properties can be tuned by carrier injection to obtain programmability at high speeds and low energy requirements. Our nano-optical analog processor can be integrated at chip-scale, processing arbitrary inputs at the speed of light.

研究の動機と目的

• エネルギー効率と速度の点でデジタル電子計算に限界があるのを克服し、スケールに応じたアナログフォトニクスコンピューティングを実現すること。
• 既存のフォトニクスプラットフォームにおけるアナログ計算のモジュラリティと再構成可能性の欠如に応えること。
• リアルタイムに広範な偏微分方程式（PDE）クラスを解けるナノフォトニクスプロセッサを実証すること。
• エプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）領域における亜鉛酸亜鉛酸化物（ITO）のキャリア注入チューニングにより、高速かつ低エネルギーのプログラマブル性を達成すること。
• 任意の入力を処理可能なすべて光のアナログプロセッサをチップスケールで統合することを可能にすること。

提案手法

• プラットフォームは、波長ストレッチングを介して強い非局所的光学的相互作用を可能にする、エプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）材料、特に可変性のある亜鉛酸亜鉛酸化物（ITO）を用いる。
• ENZ媒体内を電束密度場が伝播することで、PDEを解くために不可欠な長距離・非局所的結合が可能になる。
• キャリア注入によりITOの光学的特性を制御することで、高速かつ低エネルギーの動的再構成が可能となり、回路のプログラマブル性が実現される。
• システムはCMOS互換性を備えており、既存の電子インfraストラクチャと統合可能である。
• プロセッサは、与えられたPDEの解に対応する出力場をモニタリングするように構成されており、ENZ媒体内での光の波動的挙動を活用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エプシロン・ニア・ゼロ材料に基づくナノフォトニクスプラットフォームは、高い効率と速度でアナログドメインで偏微分方程式（PDE）を解くことができるか？
• RQ2 フォトニクスアナログコンピューティングシステムにおいて、再構成可能性とモジュラリティはどのように達成できるか？
• RQ3 ITOにおけるキャリア注入は、プログラマブルで低エネルギーな動作を実現するために、どの程度光学応答をチューニングできるか？
• RQ4 このようなシステムは、スケーラブルなチップレベル統合を実現するためにCMOSプロセスでプロセス可能か？
• RQ5 このシステムは、光の速度で任意のPDEと任意の入力に対して、どの程度の性能を示すのか？

主な発見

• メタトロニック回路は、ENZ材料内での光の伝播を用いて、広範な偏微分方程式（PDE）クラスをアナログドメインで効率的に解いている。
• ENZ媒体内での波長ストレッチングにより、PDEの解における複雑な空間的・時間的依存関係を捉えるために不可欠な高次元の非局所的相互作用が実現されている。
• 可変性のある亜鉛酸亜鉛酸化物（ITO）により、キャリア注入による高速かつ高効率の再構成が可能となり、低エネルギーでのプログラマブル性が実現されている。
• プラットフォームはCMOS互換性を有しており、アナログ光プロセッサのスケーラブルかつチップスケール統合が可能である。
• システムは光の速度で任意の入力を処理でき、最小限の散逸でリアルタイムかつエネルギー効率の高い計算を実現している。