[論文レビュー] All-optical cascadable universal logic gate with sub-picosecond operation

Anton V. Baranikov, Anton V. Zasedatelev+6 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2020

Strong Light-Matter Interactions参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、非共鳴パルス励起下での有機半導体マイクロカビティ内における非基底状態の動的励起子極子凝縮を用いて、1ピコ秒未塔の全光的ユニバーサルNOR論理ゲートを実証している。このゲートは<1 psのスイッチングを達成し、再生成可能でカスケード接続が可能であり、スケーラブルな全光的論理回路を実現する。これにより、テラヘルツ帯域の動作速度と超低消費電力が実現可能となる可能性を有する。

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.

研究の動機と目的

• 電力密度の制限やDennardスケーリングの崩壊により、3–5 GHzに停滞している電子論理回路のスケーラビリティとエネルギー効率の限界を克服すること。
• 室温で動作するスケーラブルなプラットフォームを用いて、全光的システムにおけるユニバーサル論理機能（特に否定（NOT））を実装するという長年の課題に取り組むこと。
• 完全なブール論理演算をサポートするカスケード接続可能な全光的論理ゲートを開発し、電子変換を伴わずに複雑な光回路を構築すること。
• 有機半導体における励起子極子凝縮を用いて、ピコ秒未塔のスイッチング速度と低エネルギー消費を実現し、冷却温度や複雑な干渉制御を必要としないこと。
• 複数のゲートをカスケード接続できる信号再生成を可能にし、大規模な全光的プロセッサの構築に不可欠な条件を満たすこと。

提案手法

• 強い光・物質結合を実現するため、分散ブレグ・レフレクタ（DBRs）を有するマイクロカビティ構造に35 nm 厚のメチル置換ラダーライクポリ[パラフェニレン]（MeLPPP）有機半導体膜を用いる。
• 逆方向の面内運動量を持つ非共鳴パルス励起を実施し、非基底状態の動的励起子極子凝縮を誘発し、入力信号のいずれかが存在する際に基底状態凝縮を抑制する。
• 得られたマクロなコherent波関数を活用し、両入力がオフのときのみ出力がオンとなるNORゲート出力を生成する。
• NORゲート出力を供給源とする別個の光トランジスタを用いて信号を再生成し、次のゲートに接続可能な十分な出力パワーと忠実度を確保する。
• 時間分解分光法とスペクトルフィルタリングを用いてスイッチングダイナミクスを特徴付け、ピコ秒未塔の応答時間を確認する。
• 消光比とスイッチングエネルギーを測定し、性能指標を検証する。エネルギーは1回のスイッチングイベントあたり約80 fJで測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機マイクロカビティ内での非基底状態の動的励起子極子凝縮は、干渉制御を必要とせず、冷却温度を必要としない条件下で、ユニバーサル全光的論理ゲートを実現可能か？
• RQ2 このメカニズムは、ピコ秒未塔のスイッチング速度を達成しながら、低エネルギー消費と高い消光比を維持可能か？
• RQ3 統合された光トランジスタによる信号再生成は、複数の論理ゲートをカスケード接続可能にし、全光的回路における実用的応用を可能にするか？
• RQ4 この手法は、従来の全光的論理プラットフォームが抱える課題（低速、高エネルギー、スケーリング不能）を克服できるか。室温で動作可能か？
• RQ5 非共鳴パルス励起は、実用的応用に適した非干渉的制御を可能にするか、励起子極子凝縮を安定的に制御できるか？

主な発見

• 全光的NORゲートは0.5ピコ秒未塔で動作し、測定された応答周期は約0.5 psで、ピコ秒未塔のスイッチング速度を達成した。
• ゲートは約20 dBの消光比を示し、論理状態間の強い対比を示しており、スイッチングエネルギーは約80 fJ（信号再生成を含めた全システムでは約10 pJ）で測定された。
• 非基底状態の動的励起子極子凝縮は、入力信号のいずれかが存在する際に基底状態凝縮を抑制し、干渉制御を必要としないNOR論理機能の実現を可能にした。
• 統合された光トランジスタによる信号再生成により、出力パワーと忠実度が回復され、複数のゲートのカスケード接続が可能となり、スケーラブルな光論理回路に不可欠な要件を満たした。
• プラットフォームは室温で動作し、有機半導体マイクロカビティを用いており、冷却や複雑なエpitaxial成長プロセスを必要としていない。
• 本結果は、テラヘルツ帯域の動作速度とアトジュール未満のエネルギー効率を有する全光的論理回路への実現可能性を示しており、現在の電子的および光的代替手法を速度とスケーラビリティの面で凌駕する。