[논문 리뷰] All-optical cascadable universal logic gate with sub-picosecond operation

Anton V. Baranikov, Anton V. Zasedatelev외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 10.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 8인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비공진성 펄스 조명 하에서 유기 반도체 마이크로캐비티 내에서 비기본 상태 동적 엑시톤-폴라리톤 응축을 이용해 피크세컨드 이하의 모든 광학적 보편 NOR 논리 게이트를 구현한다. 이 게이트는 <1 ps의 스위칭 속도를 달성하고 재생 기능을 갖추고 있어 확장 가능한 모든 광학적 논리 회로를 가능하게 하며, 테라헤르츠 수준의 작동 속도와 초저에너지 소비 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

Today, almost all information processing is performed using electronic logic circuits operating with up to several gigahertz frequency. All-optical logic, however, that holds the promise to allow up to three orders of magnitude higher speed [1] has not been able to provide a viable alternative because approaches that had been tried were either not scalable, not energy efficient or did not show a significant speed benefit. Whereas essential all-optical transistor functionalities have been already demonstrated across a range of platforms [2-4], using them to implement the complete Boolean logic gate set and in particular negation - switching off an optical signal with another optical signal - poses a major challenge [5]. Here, we realize a universal NOR logic gate by introducing the concept of non-ground-state dynamic exciton-polariton condensation in an organic semiconductor microcavity under non-resonant pulsed excitation. In the presence of either of the input signals inserted at opposite in-plane momenta, non-ground state dynamic condensation supersedes spontaneous ground-state condensation, resulting in a NOR-operator output signal within less than a picosecond. An additional optical transistor, fed by the output of the NOR gate, is then used to regenerate the output signal such that it is usable as input for cascading gates, a prerequisite for scale up. Our results constitute an essential step towards the realization of more complex logic optical circuitry that could boost future information processing applications.

연구 동기 및 목표

• 전력 밀도와 Dennard 스케일링의 붕괴로 인해 약 3–5 GHz에 머물러 있는 전자 논리 회로의 확장성과 에너지 효율성 한계를 극복하기 위해.
• 실온에서 사용 가능한 확장 가능한 플랫폼을 사용해 모든 광학 시스템에서 보편적인 논리 기능, 특히 부정(논리 NOT) 기능을 실현하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 모든 부울 논리 연산을 지원하는 재생 가능한 모든 광학적 논리 게이트를 개발하여 전자 변환 없이 복잡한 광학 회로를 구성할 수 있도록 하기 위해.
• 냉각이 필요 없고 복잡한 간섭계 제어가 필요 없는, 유기 반도체 내 엑시톤-폴라리톤 응축을 이용해 피코세컨드 이하의 스위칭 속도와 낮은 에너지 소비를 달성하기 위해.
• 다중 게이트의 연결을 가능하게 하는 신호 재생 기능을 제공함으로써 대규모 모든 광학 프로세서를 구축하는 데 필수적인 조건을 충족시키기 위해.

제안 방법

• 분포 브라거 반사판(Distributed Bragg Reflectors, DBRs)을 갖춘 마이크로캐비티 구조 내에서 35 nm 두께의 메틸기 치환 래퍼형 폴리-[페타페닐렌](MeLPPP) 유기 반도체 필름을 사용하여 강한 빛-물질 결합을 달성하기 위해.
• 서로 반대 방향의 평면 내 동역학량을 갖는 비공진성 펄스 조명을 적용하여 비기본 상태 동적 엑시톤-폴라리톤 응축을 유도하고, 입력 신호 중 하나가 존재할 경우 기본 상태 응축을 억제하기 위해.
• 이로 인해 발생하는 거시적 위상 일관성 파동함수를 활용해 NOR 게이트 출력을 생성: 입력이 모두 꺼져 있을 때에만 출력이 켜진다.
• NOR 게이트 출력에 의해 구동되는 별도의 광학 트랜지스터를 활용해 신호를 재생함으로써, 후속 게이트에 연결할 수 있도록 충분한 출력과 정밀도를 확보하기 위해.
• 시간 해상도가 높은 분광법과 스펙트럼 필터링을 사용하여 스위칭 동역학을 특성화하고 피코세컨드 이하의 반응 시간을 확인하기 위해.
• 절연비와 스위칭 에너지를 측정하여 성능 지표를 검증하였으며, 에너지는 약 80 fJ의 스위칭 사건당로 측정됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비기본 상태 동적 엑시톤-폴라리톤 응축이 유기 마이크로캐비티에서 간섭계 제어나 냉각이 필요 없이 보편적인 모든 광학 논리 게이트를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이 메커니즘이 낮은 에너지 소비와 높은 절연비를 유지하면서 피코세컨드 이하의 스위칭 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 통합 광학 트랜지스터를 이용한 신호 재생이 다수의 논리 게이트를 연결하는 데 가능할 수 있는가?
• RQ4 이 접근법이 이전의 모든 광학 논리 플랫폼이 겪었던 한계—낮은 속도, 높은 에너지 소비, 스케일업이 불가능한 점—을 극복하면서 실온에서 작동할 수 있는가?
• RQ5 비공진성 펄스 조명이 실용적인 논리 응용을 위해 엑시톤-폴라리톤 응축을 견고하고 간섭계 제어 없이 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 광학적 NOR 게이트는 0.5 피코세컨드 이내에 작동하여 측정된 반응 주기 약 0.5 ps로 피코세컨드 이하의 스위칭 속도를 달성한다.
• 게이트는 약 20 dB의 절연비를 나타내어 논리 상태 간 강한 대비를 보이며, 스위칭 에너지는 약 80 fJ(전체 시스템, 재생 포함 기준 약 10 pJ)로 측정된다.
• 비기본 상태 동적 엑시톤-폴라리톤 응축은 입력 신호 중 하나가 존재할 경우 기본 상태 응축을 억제하여 간섭계를 통한 빛의 간섭 없이도 NOR 논리 기능을 실현한다.
• 통합 광학 트랜지스터를 통한 신호 재생은 출력 전력과 정밀도를 복원하여 다수의 게이트 연결이 가능하게 하며, 확장 가능한 광학 논리 회로에 필수적인 조건을 충족시킨다.
• 플랫폼는 실온에서 작동하며, 유기 반도체 마이크로캐비티를 사용하여 냉각이 필요 없고 복잡한 에pitaxial 성장 공정도 필요로 하지 않는다.
• 결과적으로, 테라헤르츠 수준의 작동 속도와 아토주울 이하의 에너지 효율성을 지닌 모든 광학 논리 회로를 향한 실현 가능한 길을 제시하며, 현재의 전자 및 광학 대안들보다 속도와 확장성 면에서 뛰어나다.