[00493804]基于纳米光学的光逻辑运算研究

该项目为国家自然科学基金资助面上项目（项目批准号：11574035）。

该项目研究内容为：掌握了银纳米线、银纳米三角片、金纳米棒、银包金等金属纳米结构的化学制备方法，还可以通多物理刻蚀方法刻蚀多种金属波导结构，为研究全光逻辑器件提供了材料基础。

通过理论推导发现在金属波导中引入各向异性介质，由于各向异性介质的引入使得解析解中出现了能对表面等离激元的相位进行调制的特殊项。该特殊项会对表面等离激元在两个电场分量组成的界面上对其相位进行线性调制，会导致表面等离激元的场出现倾斜的现象。

利用这一特性，设计了新型的微纳结构，并研究了在该结构中填充各向异性介质的矩形腔的共振波长的获得方法，讨论了不同通道中的表面等离激元特性的异同。在上下对称的结构中引入各向异性介质导致输出非对称，意味着各向异性介质可以引起类对称破缺的现象，这为未来设计光学对称破缺结构提供了新的思路。同时，利用这一特性，在该结构中实现了异或逻辑门的功能。当结构中的表面等离激元的共振模式为三阶共振时，该结构又可以实现或逻辑门的功能。这种同时在两个工作波段上实现两个逻辑运算的能力，具有实现并行光逻辑计算的潜力。

还设计了基于硅基混合波导的逻辑器件。首先提出一种基于多模干涉原理的二进制振幅键控多功能逻辑门，它是由一个 3×3 的多模式干涉耦合器组成。通过设置不同的输入，在该金属结构上，可以同时实现与、或、异或逻辑运算。该结构的整体尺寸仅为 1000nm×3200nm， 比传统光逻辑门小很多。还进一步提出一种基于 2×2 的多模式干涉耦合器的二进制相位键控

逻辑门。对于单个 2×2 的多模式干涉耦合器可以实现异或、同或、非门三种逻辑运算。当将

3 个 2×2 的多模式干涉耦合器级联，通过设置控制端光的相位，可以实现与非、或门运算。利用多模式干涉效应逻辑门的设计为实现更复杂的全光计算器件提供了很好的思路。

该项目主要研究了基于表面等离激元效应的全光逻辑运算。利用时域有限差分方法、有限元法等数值仿真方法和单模耦合模理论、多模耦合模理论等理论推导研究了纳米矩形腔、圆形腔和对称十字形谐振腔结构以及硅基混合多模式干涉波导的电磁场分布特点和光学透射响应，实现了多种全光逻辑运算。还提出一种基于多模式干涉原理的二进制振幅键控多功能逻辑门和一种基于 2×2 硅基混合多模式干涉波导耦合器的二进制相位键控逻辑门，可以同时实现或、与、异或等全光逻辑运算。