Complementary photonic crystal integrated logic devices and circuits
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...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2022 |
| País: | Brasil |
| Institución: | Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) |
| Repositorio: | Repositório Institucional da UFMG |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.ufmg.br:1843/45983 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/1843/45983 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Computer Architecture Nanocomputing Photonic Crystals Logic Systems Integrated Circuits Computação – Teses Arquitetura de computador– Teses Nanocomputação – Teses Cristais fotônicos – Teses Circuitos integrados – Teses |
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Complementary photonic crystal integrated logic devices and circuits Circuitos e dispositivos lógicos integrados complementares em cristais fotônicos Circuitos y dispositivos lógicos integrados complementarios en cristales fotónicos |
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Complementary photonic crystal integrated logic devices and circuits Luis Eduardo Pedraza Caballero Computer Architecture Nanocomputing Photonic Crystals Logic Systems Integrated Circuits Computação – Teses Arquitetura de computador– Teses Nanocomputação – Teses Cristais fotônicos – Teses Circuitos integrados – Teses |
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Omar Paranaiba Vilela Neto http://lattes.cnpq.br/6799776599317117 Paulo Sérgio Soares Guimarães Patrícia Lustoza de Souza Jhonattan Cordoba Ramirez Luiz Filipe Menezes Vieira Gilberto Medeiros Ribeiro Lucas Heitzmann Gabrielli |
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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. |
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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.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.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorUniversidade Federal de Minas GeraisBrasilICX - DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃOPrograma de Pós-Graduação em Ciência da ComputaçãoUFMGOmar Paranaiba Vilela Netohttp://lattes.cnpq.br/6799776599317117Paulo Sérgio Soares GuimarãesPatrícia Lustoza de SouzaJhonattan Cordoba RamirezLuiz Filipe Menezes VieiraGilberto Medeiros RibeiroLucas Heitzmann Gabrielli2022-10-05T22:32:03Z2022-10-05T22:32:03Z2022-03-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1843/45983enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGLuis Eduardo Pedraza Caballero2022-10-05T22:32:03Zoai:repositorio.ufmg.br:1843/45983Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oairepositorio@ufmg.bropendoar:2022-10-05T22:32:03Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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