[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种基于硅杆基光子晶体（PhC）正方晶格结构中线性缺陷的紧凑型全光半加法器，利用非线性克尔效应实现信号路由，且无需高输入功率。仿真结果表明，最大传输延迟为0.7 ps，Sum输出的关断对比度为16 dB，Carry输出为14 dB，总尺寸仅为158 µm²，适用于高速全光计算应用。

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.

研究动机与目标

• 设计一种高速、紧凑的全光半加法器，基于光子晶体微结构。
• 最小化实现器件中非线性克尔效应所需的输入光功率。
• 通过光子晶体中的线性缺陷，实现光学信号向正确输出端口（Sum和Carry）的高效路由。
• 实现高对比度比和低传输延迟，以适配高速光电子系统。
• 通过光子带隙工程中的数值仿真方法，验证该设计的可行性。

提出的方法

• 设计由硅杆组成的正方晶格光子晶体，并引入线性缺陷以形成波导。
• 线性缺陷作为光传播路径，实现输入与输出波导之间的耦合。
• 采用有限差分时域（FDTD）方法模拟光传播与信号路由过程。
• 应用平面波展开（PWE）方法计算光子带结构，确认完整带隙的存在。
• 利用非线性克尔效应调制折射率，实现在低输入功率下的开关行为。
• 对器件进行优化，使其根据逻辑状态将输入信号准确路由至Sum和Carry输出端口，同时最小化串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种基于光子晶体的半加法器，使其在低输入光功率下仍能高效运行？
• RQ2 如何在光子晶体结构中利用非线性克尔效应实现全光逻辑运算？
• RQ3 在紧凑型全光半加法器中，可实现的传输延迟和对比度比分别为多少？
• RQ4 器件尺寸对性能和可扩展性的影响程度如何？
• RQ5 正方晶格光子晶体中的线性缺陷能否支持可靠且低损耗的信号路由以实现逻辑运算？

主要发现

• 所提出的全光半加法器最大传输延迟为0.7 ps，表明其具备超高速运行能力。
• Sum输出的关断对比度为16 dB，Carry输出为14 dB，表明具有优异的信号区分能力。
• 器件总尺寸为158 µm²，展示了极高的集成密度。
• 该设计无需增加输入光功率即可激活非线性克尔效应，显著提升了能效。
• 低延迟、高对比度比与小尺寸的结合，使该器件适合集成于全光中央处理器中。
• 基于FDTD和PWE方法的仿真结果证实，在各种输入条件下，光的传播稳定且逻辑运算正确。