[論文レビュー] 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)|Feb 11, 2020

Photonic Crystals and Applications参考文献 43被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、シリコンロッドベースのフォトニクス・クリスタル（PhC）正方形格子構造に線形欠陥を導入し、非線形 Kerr 効果を活用して高入力パワーを必要とせずに信号ルーティングを行う、コンactな全光的ハーフアダーを提案する。シミュレーションにより、最大0.7 psの伝搬遅延、Sum出力で16 dB、Carry出力で14 dBのON-OFF対比比、総面積158 µm²を達成しており、高速全光計算応用に適している。

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.

研究の動機と目的

• フォトニクス・クリスタルマイクロ構造を用いて、高速かつコンactな全光的ハーフアダーを設計すること。
• デバイス内で非線形 Kerr 効果を発現させるために必要な入力光パワーを最小限に抑えること。
• PhC 内の線形欠陥を介して、光信号を正しい出力ポート（Sum および Carry）に効率的にルーティングすること。
• 高速オプトエレクトロニクスシステムとの互換性を確保するため、高い対比比および低伝搬遅延を達成すること。
• フォトニクス帯域ギャップ設計分野における数値シミュレーション手法を用いて、設計の実現可能性を示すこと。

提案手法

• シリコンロッドからなる正方形格子フォトニクス・クリスタルを設計し、線形欠陥を導入して波導を形成する。
• 線形欠陥は光の伝搬経路を提供し、入力および出力波導との結合を可能にする。
• 光の伝搬および信号ルーティングをシミュレートするために、有限差分時間領域（FDTD）法を用いる。
• フォトニクス帯域構造を計算し、完全なバンドギャップの存在を確認するために平面波拡張（PWE）法を適用する。
• 非線形 Kerr 効果を活用して屈折率を変調し、低入力パワーでもスイッチング動作を実現する。
• 論理状態に応じて入力信号を Sum および Carry 出力にルーティングするようデバイスを最適化し、クロストークは最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス・クリスタルを用いたハーフアダーは、低入力光パワーで効率的に動作させることができるか？
• RQ2 PhC 構造内で非線形 Kerr 効果をどのように活用すれば、全光的論理演算を実現できるか？
• RQ3 コンパクトな全光的ハーフアダーで達成可能な伝搬遅延および対比比はどの程度か？
• RQ4 デバイスのフォームファクタサイズは、性能およびスケーラビリティにどの程度影響を及えるか？
• RQ5 正方形格子 PhC 内の線形欠陥は、論理演算に適した信頼性が高く損失が小さい信号ルーティングを実現できるか？

主な発見

• 提案された全光的ハーフアダーは最大0.7 psの伝搬遅延を達成しており、超高速動作を示している。
• Sum 出力の ON-OFF 対比比は16 dB、Carry 出力は14 dBであり、信号の明確な識別が可能である。
• デバイスの総面積は158 µm²であり、高い集積密度を示している。
• 非線形 Kerr 効果を活性化するために入力光パワーの増加が不要であり、エネルギー効率の向上が図られている。
• 低遅延、高対比比、小型化の組み合わせにより、デバイスは全光的中央処理ユニットへの統合に適している。
• FDTD および PWE 法を用いたシミュレーションにより、さまざまな入力条件下でも安定した光の伝搬および正しい論理動作が確認された。