Complementary photonic crystal integrated logic devices and circuits
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Circuitos e dispositivos lógicos integrados complementares em cristais fotônicos
Circuitos y dispositivos lógicos integrados complementarios en cristales fotónicos
Circuitos y dispositivos lógicos integrados complementarios en cristales fotónicos
Primeiro orientador
Membros da banca
Patrícia Lustoza de Souza
Jhonattan Cordoba Ramirez
Luiz Filipe Menezes Vieira
Gilberto Medeiros Ribeiro
Lucas Heitzmann Gabrielli
Jhonattan Cordoba Ramirez
Luiz Filipe Menezes Vieira
Gilberto Medeiros Ribeiro
Lucas Heitzmann Gabrielli
Resumo
In recent years we have seen an increasing demand for higher computational power in
order to support modern world applications. Therefore, several approaches have been
investigated to improve current computational technologies. Specifically, photonics aims
to use photons instead of electrons, promising the development of components and devices
with high efficiency, high speed of data processing, and low power consumption. In this
context, this thesis explores the fundamental properties of a kind of photonic device,
known as Photonic Crystals (PhC), targeting to project photonics systems and integrated
circuits (PIC).
Essentially, we proposed a new approach to build IC based on applying switches N
and P, Complementary Photonic Crystal Integrated Logic Devices (CPCL), equivalents
to NMOS and PMOS transistors, respectively. These devices have a footprint area less
than 25 μm × 15 μm, exhibit an Energy Loss Ratio (ELR) lower than 0.045, a response
time of 50 ps, ON-OFF Contrast Ratio (CR) of at least 6 dB and operate within the same
input/output wavelength (about 1550 nm). They can support small phase delay (λ/28)
at the input sources, changes in their Input power levels (± 5 mW), and hole disorder
effects around the cavity (± 20 nm), the most sensitive region. These results ensure the
main features to connect the CPCL allowing for the first time the development of PhC
integrated circuits and systems by their adjacent connection, breaking the limitations of
the previous works.
We designed a complete set of logic gates by exclusively applying the CPCL acting
as core hardware devices. Specifically, we presented PhC designs for the AND, OR,
NAND, NOR, XOR logic gates, for the FAN-OUT component, plus the Half-Adder and
Full-Adder (Carry and Sum) circuits. The logic gates and circuits presented here have CR
higher than 5.5 dB, a response time of 120 ps, and an ELR lower than 0.06. Additionally,
the footprint area is less than 75 μm × 46 μm for all of our circuits.
Considering the above, we highlight that the PhC computing paradigm reaches
a high abstraction level, switching up from components to PIC. Indeed, by using our
proposed approach based on CPCL, we can build any combinational circuit in a PhC
platform. This is a significant contribution of our project to the domain of logic gates
and circuits based on PhC. As a final remark, our circuit designs have great potential for
microfabrication, present low energy dissipation, and high speed of data processing.
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.
Assunto
Computação – Teses, Arquitetura de computador– Teses, Nanocomputação – Teses, Cristais fotônicos – Teses, Circuitos integrados – Teses
Palavras-chave
Computer Architecture, Nanocomputing, Photonic Crystals, Logic Systems, Integrated Circuits