Complementary photonic crystal integrated logic devices and circuits

Abstract

Nos últimos anos temos testemunhado um incremento na demanda por maior poder com- putacional para dar suporte a à aplicações do mundo moderno. Portanto, diversas abor- dagens têm sido investigadas para aprimorar as tecnologias computacionais atuais. Es- pecificamente, a fotônica visa utilizar fótons ao invés de elétrons com a promessa de desenvolver componentes e dispositivos mais eficientes, mais rápidos e de baixo consumo energético. Neste contexto, esta tese explora as propriedades fundamentais de um tipo de dispositivos, conhecidos como os Cristais Fotônicos (CF), com o intuito de projetar circuitos e sistemas fotônicos integrados (CI). Essencialmente, propomos uma nova abordagem para criar CI baseada na conexão dos switches N e P, dispositivos lógicos complementares baseados em CF (CPCL) equiv- alentes aos transistores NMOS e PMOS, respectivamente. Estes dispositivos ocupam um área menor que 25 μm × 15 μm, apresentam uma taxa de perda de energia (ELR) menor que 0,045, tempo de resposta de 50 ps, razão ON-OFF (CR) maior que 6 dB e operam com o mesmo cumprimento de onda de entrada/saı́da (1550 nm aproximadamente). Supor- tam deslocamentos na ordem de (λ/28) nas fontes de entrada, mudanças na potência de entrada de ±5 mW e deslocamentos na região das cavidades na ordem dos ±20 nm. Estes resultados garantem as principais caracterı́sticas para o cascateamento dos switches, per- mitindo pela primeira vez a projeção de circuitos e sistemas integrados em CF, superando as limitações e barreiras identificadas em trabalhos prévios. Projetamos um conjunto de portas lógicas baseadas exclusivamente em CPCL at- uando como componentes de hardware base. Apresentamos os desenhos para as portas AND, OR, NAND, NOR, XOR, para o componente FAN-OUT, e adicionalmente os cir- cuitos Half-Adder e Full-Adder (Carry and Sum). Para estes circuitos obtemos um CR maior que 5,5 dB, tempo de resposta menor que 120 ps e um ELR menor que 0,06. Além disso, nossos circuitos ocupam um area menor que 75 μm × 46 μm. Considerando o exposto anteriormente, destacamos que o paradigma de com- putação em CF atinge um nı́vel de abstração mais alto, passando de componentes para CI. De fato, utilizando a abordagem proposta baseada em CPCL, podemos construir qualquer circuito combinacional em CF. Isto representa uma contribuição significativa do nosso projeto para o domı́nio de portas lógicas e circuitos em CF. Como observação final, os desenhos aqui propostos possuem grande potencial para microfabricação, apresentam baixa dissipação de energia e alta velocidade de processamento de dados.