[논문 리뷰] A novel design of all-optical half adder using a linear defect in a square lattice rod-based photonic crystal microstructure

Saleh Naghizade, Hamed Saghaei|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 11.

Photonic Crystals and Applications참고 문헌 43인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반의 포토닉 크리스탈(PhC) 정사각형 격자 구조에서 선형 결함을 이용하여, 높은 입력 전력이 필요로 하지 않는 비선형 킬러 효과를 활용해 신호 루팅을 수행하는 컴act한, 전적으로 광학적인 반가산기를 제안한다. 시뮬레이션 결과 최대 전파 지연은 0.7 ps이며, ON-OFF 대비비는 Sum에 대해 16 dB, Carry에 대해 14 dB이며, 총 면적은 158 µm²로, 고속 광학 계산 응용 분야에 적합하다.

ABSTRACT

In this paper, we propose an all-optical high-speed half adder based on linear defects in a photonic crystal (PhC) structure composed of silicon rods. The proper design of half adder results in no need to increase the intensity of the input optical signal for the appearance of the nonlinear Kerr effect, which leads to diverting the incoming light toward the desired output. The proposed device consists of four optical waveguides and a defect in a square lattice PhC. Two famous plane wave expansion and finite difference time domain methods are used to study and analyze photonic band structure and light propagation inside the PhC, respectively. The presented structure, the ON-OFF contrast ratios for Sum and Carry, are 16dB and 14dB, respectively. Our simulation results reveal the proposed half adder has a maximum delay time of 0.7 ps with a total footprint of 158 um2. Due to very low delay time, high contrast ratio, and small footprint that they are more crucial in modern optoelectronic technologies, this structure can be used in the next generation of all-optical high-speed central processing units.

연구 동기 및 목표

• 포토닉 크리스탈 마이크로구조를 이용해 고속이고 컴팩트한 광학적 반가산기를 설계하기.
• 장치에서 비선형 킬러 효과를 유도하기 위해 필요한 입력 광학적 전력의 최소화하기.
• PhC 내 선형 결함을 통해 광신호를 정확한 출력 포트(Sum 및 Carry)로 효율적으로 루팅할 수 있도록 하기.
• 고속 온오프 전자계통과의 호환성을 위해 높은 대비비와 낮은 전파 지연을 달성하기.
• 포토닉 밴드 갭 설계 분야의 수치 시뮬레이션 방법을 통해 설계의 실현 가능성을 입증하기.

제안 방법

• 실리콘 기반의 실린더로 구성된 정사각형 격자 포토닉 크리스탈을 선형 결함을 포함하도록 설계하여 파이프웨이브를 형성한다.
• 선형 결함은 빛의 전파 경로를 제공하며, 입력 및 출력 파이프웨이브 간의 커플링을 가능하게 한다.
• 유한 차분 시간 영역(FDTD) 방법을 사용하여 빛의 전파 및 신호 루팅을 시뮬레이션한다.
• 평면파 확장(PWE) 방법을 적용하여 포토닉 밴드 구조를 계산하고 완전한 밴드 갭 존재 여부를 확인한다.
• 비선형 킬러 효과를 활용하여 굴절률을 변조함으로써 저입력 전력에서도 스위칭 동작을 가능하게 한다.
• 논리 상태에 따라 입력 신호를 Sum 및 Carry 출력으로 루팅할 수 있도록 장치를 최적화하며, 교차 채널 간섭을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포토닉 크리스탈 기반의 반가산기가 낮은 입력 광학적 전력으로도 효율적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 PhC 구조에서 비선형 킬러 효과를 어떻게 활용하여 전적으로 광학적인 논리 연산을 달성할 수 있는가?
• RQ3 컴팩트한 광학적 반가산기에서 달성 가능한 전파 지연과 대비비는 얼마인가?
• RQ4 기판 면적 크기가 장치의 성능과 확장성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 정사각형 격자 구조의 포토닉 크리스탈에서 선형 결함이 논리 연산을 위한 신뢰성 있고 저손실의 신호 루팅을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 광학적 반가산기는 최대 전파 지연 0.7 ps를 달성하여 초고속 작동을 보였다.
• Sum 출력의 ON-OFF 대비비는 16 dB, Carry 출력의 경우 14 dB로 강력한 신호 식별 능력을 보였다.
• 장치의 총 면적은 158 µm²로 높은 통합 밀도를 입증하였다.
• 비선형 킬러 효과를 활성화하기 위해 입력 광학적 전력의 증가가 필요로 하지 않아 에너지 효율성이 향상되었다.
• 낮은 지연, 높은 대비비, 소형 면적의 조합으로 인해 장치는 광학 중심 처리 장치에 통합하기에 적합하다.
• FDTD 및 PWE 방법을 사용한 시뮬레이션을 통해 다양한 입력 조건 하에서도 안정적인 빛의 전파와 정확한 논리 작동이 확인되었다.