基于纳米光学的光逻辑运算研究

The subwavelength properties of surface plasmon polarization makes it possible to obtain nanoscale photonics devices, which are expected to realize the optical calculation and the light nano device integration module. So it is greatly to improve the information processing capacity in the future. Combining with research hot spot and development trend in domestic and foreign, We're going to be carried out optical logic operations research based on surface plasmon polarization. We investigate optical logic operations by using mode couping、stanging wave and interference theory. We are Interested in research physical methods in realization logic operations . Nonlinear optics and photoelectric effects will be used to realize different logic operation fuction by using a single structure. We also investigate technology of material preparation to obtain good qualities of a new metal micro-nano structure. Optical experment will be done to observe the phenomenon of optical logic operation realization.

表面等离激元亚波长特性使获得纳米尺度的光子学器件成为可能，未来有望实现光计算和全光纳米器件集成模块，极大提升信息处理能力。结合国内外研究热点、发展趋势以及我们前期已有的工作基础，我们拟开展基于表面等离激元效应的光逻辑运算研究。我们的研究将从表面等离激元的特性出发，利用模式激发条件、模式耦合规律、驻波场分布特点和干涉原理等，通过解析分析和数值模拟等手段，研究实现基本光逻辑运算的物理思想和方法；进一步利用非线性光学效应和光电效应，通过调控表面等离激元的特性，实现单一结构中不同逻辑运算的切换；探索精密制备金属微纳结构的工艺和技术，获得具有优良特性的新型金属微纳结构；利用共聚焦扫面光学系统和泵浦-探测光学系统，实验上展示光逻辑运算，获得具有功能性的逻辑运算物理模型。

表面等离激元是一种自由电子和外界光子相互作用而形成的束缚在金属和介质界面上的表面电磁波。它具有亚波长束缚特性和突破衍射极限的特点，因此基于表面等离子体光波导的光子器件的尺寸可在亚波长尺度内，为未来实现光计算和全光纳米器件集成提供了可能。我们利用表面等离激元的这些特性展开了光逻辑运算的研究。我们从表面等离激元的特性出发，通过解析分析和数值模拟等手段，利用多模干涉理论和驻波场分布特点等，研究并实现了全光逻辑运算的物理思想和方法。.我们设计多种金属纳米波导结构，通过研究波导内部的模式分布、光学透射响应，揭示出了金属纳米波导结构的耦合规律，发现了实现全光逻辑运算的方法；在样品制备方面，我们成功制备了多种金属微纳结构，这些结构包含丰富模式和光学响应，可以用于全光逻辑运算探索与研究；在光学系统搭建发面，我们搭建了多种光学系统，包括共聚焦扫描显微系统、傅里叶成像系统、暗场显微系统等。利用上述理论研究、光学系统和制备的样品，我们在全光逻辑运算方面取得突出成果。我们研究了纳米矩形腔、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，实现了每种结构中不同的逻辑运算。我们还通过在表面等离激元在金属波导中引入各向异性介质，利用具有上下对称结构的各向异性介质实现了输出非对称的结果，获得了异或逻辑门的功能。我们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。