[发明专利]一种基于等离激元实现逻辑计算的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离激元构建逻辑和计算回路的方法，特别涉及利用金属纳米波导构建逻辑和计算网络的方法。

背景技术

随着现代纳米加工技术的发展，集成电路上晶体管的数量已经接近于其物理极限，器件之间的连接问题和功耗问题成为制约芯片性能的重要因素。因此探索新的可用于信息处理的材料和方法就成为一个重要的课题。与电子相比，光子作为信息的载体具有很多优点，如高速度、高带宽、高密度等。

金属纳米结构在入射光的作用下可以产生表面等离激元-自由电子的集体振荡，在一维金属纳米波导中表面等离激元可沿纳米波导传播。当波导的直径变得比较小时，介质波导已经不能将能量束缚在波导内，而是在波导外的空间会有严重的扩展。而金属纳米波导由于表面等离激元的特性，能量可以被限制在纳米波导附近。近年来表面等离激元光子学的发展使其展现出了用于信息科技的潜力。

发明内容

本发明提供了一种基于等离激元的逻辑和计算回路的实现方法：通过金属纳米波导中传播的表面等离激元的干涉效应，实现对等离激元元件中输出信号强度的调控，从而实现基本的逻辑运算和二进制计算。基于这些逻辑运算，可以实现更复杂的计算。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种基于等离激元实现逻辑计算的装置，包括输入模块、计算模块和输出模块，其中：

所述输入模块由光源和一维金属纳米波导的一端构成，用于将预定强度的光输入到计算模块中；

所述计算模块是由几条金属纳米波导组成的特定结构，通过等离激元干涉对输入的信号进行处理；

所述输出模块，由一维金属纳米波导的另一端和探测器构成，用于对计算处理的结果进行输出和探测。

在上述装置中，所述一维金属纳米波导为纳米线、纳米带或纳米沟槽。

在上述装置中，所述一维金属纳米波导的材料为金、银、铂、铜和铝中的任意一种或多种。

在上述装置中，所述一维金属纳米波导通过化学方法或者微纳米加工方法制备。

在上述装置中，输入模块中的光源是激光，电激发的纳米光源。

在上述装置中，所述化学方法为溶液方法或气相方法，所述微纳米加工方法为光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀或纳米压印。

根据本发明的第一方面，提供一种基于等离激元实现逻辑计算的方法，其中：

(1)如权利要求1所述的装置是实现逻辑计算的基本单元；

(2)输入光信号的特定偏振和相位决定输出信号的强度；

(3)实现逻辑与、或、非、异或、与非、或非；

(4)实现二进制的计算。

在上述方法中，对输入光信号相位的调制通过对金属纳米波导长度的特定设计来实现。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过金属纳米波导实现器件网络(集成电路、芯片)中光信号的传输，在同一个纳米波导中可以实现多个光学信号的同时传输，可以极大地减少器件之间连线的数量，增加带宽，减少功耗，并且可以提高信息传输的速度。

发明原理

光可以激发金属纳米结构中的表面等离激元，在一维金属纳米波导中，表面等离激元可以沿着纳米波导传播。在传播过程中，表面等离激元沿纳米波导形成一定的电场分布，通过改变输入光的偏振方向，以及改变两束激发光的相位差，可以改变纳米波导周围电场的分布。在由多个纳米波导组成的分支结构或网络中，通过控制纳米波导上的电场分布，可以控制光在纳米波导中传播时的强度和方向，从而控制输出的光强。将某一光强值设定为阈值，输出强度小于此阈值时为0，输出强度大于此阈值时为1，有了对输出为0或1的控制，则可以设计各种逻辑门，实现逻辑运算和更高级的计算。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，其中：

图1a是根据本发明的实施例用银纳米线构建的四端器件的SEM图；

图1b是根据本发明示例1实现与门的结构示意图；

图2是根据本发明示例2实现或门的结构示意图；

图3是根据本发明示例3实现非门的结构示意图；

图4是根据本发明示例4实现异或门的结构示意图；

图5是根据本发明示例5实现或非门的结构示意图；

图6是根据本发明示例6实现与非门的两种结构示意图；

图7是根据本发明示例7实现两位二进制数加法器的结构示意图；

图8是根据本发明示例8实现两位二进制数减法器的结构示意图。

具体实施方式