[发明专利]二元相移键控编码的亚波长通用线性逻辑门及其实现方法

说明书

本发明提供的是一种二元相移键控编码的亚波长通用线性逻辑门及其实现方法。其特征是：二元相移键控编码的亚波长通用线性逻辑门包括衬底1、纳米金属膜2、矩形纳米槽3、输入信号光4‑1和4‑2、激发的表面等离子体波(SPP_S)5以及输出端口6。具体实现方法是从衬底1下方垂直输入两束具有不同圆偏振态的圆偏振光作为输入信号光，通过调控输入信号的相移来定义输入逻辑态的“1”和“0”。输入圆偏振信号光在矩形纳米槽3激发SPPs，SPPs在纳米金属膜表面传输。选取特定SPPs传输方向上的特定区域作为输出端口，通过输出端口处不同的SPPs强度值定义不同的输出逻辑态。该通用线性逻辑门通过调节输入信号的相对相位差可在单一的结构上实现七种基本逻辑门。

(一)技术领域

本发明涉及的是全光计算、全光信息处理领域，尤其适用于制造高集成化的全光逻辑器件。

(二)背景技术

大数据时代，只有实现超高速的网络数据交换以及信息处理才能匹配大容量的数据传输需求。然而，传统电学信息处理设备由于电学响应时间的限制已达到速度瓶颈，全光信息处理是解决这一瓶颈问题的有效方法，被认为是下一代信息处理技术的有力候选者。全光逻辑门是实现全光信息处理的关键元器件，因而是近年来人们广泛研究的前沿热点【Journal ofoptics 47.3(2018):365-376.】

全光逻辑门可以分为基于非线性效应的全光逻辑门和基于线性相干效应的全光逻辑门两大类。然而，基于非线性效应的光学逻辑门需使用非常高的光功率才能激发传统非线性材料的非线性响应，是实际应用的一大障碍。而基于线性相干效应的全光逻辑门可以不受功率限制。在线性相干全光逻辑门中，减少器件尺寸可以显著地降低光在器件中的传输延迟并降低功耗，从而提高逻辑运算的整体性能。因此，研究人员在全光逻辑器件集成化方面进行了很多研究，例如通过利用等离子激元结构将光场限制到子波长范围内来构建小体积、高稳定性的全光逻辑门。但是，大多数基于SPPs的线性相干逻辑门的实现依赖于路径模式相干。这些逻辑门的实现方案是在光子芯片上刻蚀两条相互分离的SPPs传输波导，并将在两条波导中传输的两路SPPs定义成两路输入信号。尽管SPPs波导的横向尺寸可以达到亚波长尺度，但纵向一般都需要若干微米的长度，因而将逻辑结构的尺寸限制在微米量级。进一步将逻辑器件小型化至纳米级仍然存在挑战。除了利用不同的路径模式之外，全光逻辑门的两个输入信号也可以是在其他维度上两个相互正交的模式，例如不同的轨道角动量模式【Nanomaterials 9.12(2019):1649,Quantum information processing 18.8(2019):256】或者不同的偏振模式【Nanoscale 10.9(2018):4523-4527】。通过使用这些自由度来构建全光逻辑门，可以获得一些优于路径模式相干全光逻辑门的优异性能。论文【Nanoscale 10.9(2018):4523-4527】已经证明，利用偏振态来编码全光逻辑门的输入逻辑态可以将逻辑器件的尺寸缩小到300nm规模，并实现了OR，AND，NOT，NOR，NAND以及XNOR等逻辑门。然而，由于论文作者使用偏振移位键控来编码输入逻辑态“1”和“0”，他们需通过L形纳米槽天线来实现OR和AND门，通过翻转的L形纳米槽天线来实现NOT，NAND和NOR门，并通过矩形纳米槽天线来实现XNOR门。因此，他们的全光逻辑器件不是通用的。另外，在论文报道的OR，AND，NOR和NAND门中，当输入逻辑态不同时，相同输出逻辑态的输出强度不一致，这十分不利于实际应用中多个逻辑门的级联设计。因而，通过利用光场偏振自由度开发超紧凑且能够克服论文【Nanoscale 10.9(2018):4523-4527】中逻辑门的各种缺陷的新型逻辑器件将具有十分重要的实际应用意义。