[论文解读] 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 9

一句话总结

本文通过在非共振脉冲激发下，利用有机半导体微腔中非基态动态激子-极化子凝聚，实现了亚皮秒全光通用NOR逻辑门。该门实现<1 ps的开关速度并具备可级联再生功能，使可扩展的全光逻辑电路成为可能，具备太赫兹工作速度和超低能耗的潜力。

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.

研究动机与目标

• 克服电子逻辑电路因功率密度和Dennard缩放失效而停滞在~3–5 GHz的可扩展性和能效限制。
• 解决在室温、可扩展平台上实现全光系统中通用逻辑功能（特别是非运算NOT）的长期挑战。
• 开发一种可级联的全光逻辑门，支持完整的布尔逻辑运算，实现在无需电子转换的情况下构建复杂光电路。
• 利用有机半导体中的激子-极化子凝聚实现亚皮秒开关速度和低能耗运行，避免对低温环境或复杂干涉控制的需求。
• 实现信号再生，以支持多个门的级联，这是构建大规模全光处理器的先决条件。

提出的方法

• 在分布式布拉格反射镜（DBRs）构成的微腔结构中使用35 nm厚的甲基取代的梯型聚[对苯ylene]（MeLPPP）有机半导体薄膜，实现强光-物质耦合。
• 在相反面内动量方向施加非共振脉冲激发，诱导非基态动态激子-极化子凝聚，当任一输入信号存在时，可抑制基态凝聚。
• 利用由此产生的宏观相干波函数生成NOR门输出：仅当两个输入均关闭时，输出才为开启状态。
• 采用由NOR门输出驱动的独立光晶体管实现信号再生，确保输出功率和保真度足以级联至后续门。
• 利用时间分辨光谱和光谱滤波表征开关动力学，并确认亚皮秒响应时间。
• 测量消光比和开关能量以验证性能指标，能量测量值约为每开关事件80 fJ。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有机微腔中，非基态动态激子-极化子凝聚是否能在无需相干干涉或低温运行的条件下，实现通用全光逻辑门？
• RQ2 该机制是否能在保持低能耗和高消光比的同时实现亚皮秒开关速度？
• RQ3 是否可通过集成光晶体管实现信号再生，以在全光电路中实现多个逻辑门的级联？
• RQ4 该方法是否能克服以往全光逻辑平台的局限性——如速度低、能耗高或难以扩展——同时在室温下运行？
• RQ5 非共振脉冲激发是否能实现对激子-极化子凝聚的鲁棒、非干涉式控制，以适用于实际逻辑应用？

主要发现

• 全光NOR门开关时间小于0.5皮秒，实测响应周期约为0.5 ps，实现亚皮秒开关速度。
• 该门具有约20 dB的消光比，表明逻辑状态间对比度强，开关能量测量值约为80 fJ（全系统包括再生部分约为10 pJ）。
• 非基态动态激子-极化子凝聚在任一输入信号存在时可抑制基态凝聚，从而在无需相干光束干涉的情况下实现NOR逻辑功能。
• 通过集成光晶体管实现的信号再生可恢复输出功率和保真度，实现多个门的级联，这是可扩展光逻辑电路的关键要求。
• 该平台在室温下运行，采用有机半导体微腔，避免了低温冷却或复杂外延生长工艺的需求。
• 结果表明，该方法为实现具有太赫兹工作速度和亚阿托焦能效的全光逻辑电路提供了可行路径，其速度和可扩展性优于当前的电子和光学生态。