CN107976855A - 一种通用线性光学全光逻辑门及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用线性光学全光逻辑门及其实现方法。本发明采用第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口，从而形成全光逻辑门结构，分别调节第一至第三激发光的光强，并调节第一至第三激发光之间的相位差，控制第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口对输出端口所贡献的光场的复振幅，从而在单一的全光逻辑门结构上实现了七种不同的线性光学全光逻辑门；对于或逻辑门、非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门和与非逻辑门，基于线性光学的全光逻辑门其输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”这两种状态下理论上最大的输出信号光强比是无穷大。

Description

一种通用线性光学全光逻辑门及其实现方法

技术领域

本发明涉及线性光学技术，具体涉及一种通用线性光学全光逻辑门及其实现方法。

背景技术

逻辑门是现代信息技术的基础。然而，基于电子学技术的电子学逻辑门正在面临能耗、散热和响应速度的瓶颈。基于光子学技术的全光逻辑门由于其低能耗、低散热和快响应可能成为下一代信息技术的技术基础。目前，关于全光逻辑门的研究主要有两个方向：利用非线性光学效应和基于线性光学方法。由于自然材料的非线性光学系数都比较小，非线性光学效应需要高的工作光强来获得足够的非线性效应，这一点严重限制了这类技术的实用性。相反，线性光学技术原则上可以在任意低的光强下工作，因此更为实用。当前关于线性光学全光逻辑门的研究主要集中在哪些光学结构可以用来实现全光逻辑门，人们通过光子晶体、纳米线网络、缝隙波导、介质加载的表面等离激元波导等各种不同的样品结构实现了几种常用的逻辑门，如与逻辑门、或逻辑门、非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门、与非逻辑门、或非逻辑门。但是，上述研究中缺乏系统的理论分析。因此，输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”这两种状态的输出信号光强比并不是最优的。另外，对应于不同输入逻辑状态的相同输出逻辑状态，其输出信号光强并不相等，例如：与逻辑门通常利用两路输入信号光或者表面等离激元的相干相长来实现，当输入逻辑状态为(1,1)时，输出振幅为2，输出光强为振幅的平方，也就是4；而当输入逻辑状态为(0,0)和(1,0)时，输出光强分别为0和1，对于一个与逻辑门来说，必须将输出逻辑状态的阈值设在1和4之间，从而使0和1这两种不同的输出信号光强全部被视作输出逻辑状态“0”。这类对于相同输出逻辑状态的输出信号光强不一致，给逻辑门的实际应用和逻辑门的级联带来了很多困难。此外，每一种逻辑门都需要一种特定的样品结构来实现，效率比较低。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有高输出信号光强比的通用线性光学全光逻辑门及其实现方法，在单一的样品结构上实现了以上七种不同的全光逻辑门，对于每种全光逻辑门，不同输入逻辑状态下得到的相同的输出逻辑状态具有相同的输出光强。这种具有高输出信号强度比的通用线性光学全光逻辑门有望在未来信息技术中获得广泛应用。

本发明的一个目的在于提出一种通用线性光学全光逻辑门。

本发明的通用线性光学全光逻辑门包括：第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口、输出端口、第一至第三分支波导、主波导、激光光源、第一和第二分束器、第一至第三光强调节器以及相位调节器；其中，第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口，从而形成全光逻辑门结构；激光光源发出的相干光经第一分束器分成两路，其中一路经过第二分束器再分成两路，从而形成三路相干的激发光；在第一至第三路激发光上分别设置第一至第三光强调节器，分别调节第一至第三激发光的光强，并且设置相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差；输出端口的光场的复振幅满足：S＝αA+βB+γ，其中，S为输出端口的光场的复振幅，α和β分别表示来自第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的光场在相应输入逻辑状态为1时对输出端口所贡献的光场的复振幅，二元变量A和B分别表示第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态，这两个变量的取值为1或0，1代表开状态，0代表关状态；γ表示不变量输入端口的光场对于输出端口所贡献的光场的复振幅，对于一个特定的逻辑门，参数γ是一个固定的常数；通过第一至第三光强调节器分别调节第一至第三激发光路的光强，以及通过相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差，控制第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口对输出端口所贡献的光场的复振幅，即分别控制α、β和γ，从而实现七个逻辑门：当α＝1，β＝e^i2π/3，γ＝0时，实现或逻辑门；当α＝2/3，β＝2/3，γ＝-1/3时，实现与逻辑门；当α＝1，β＝0，γ＝-1时，实现非逻辑门；当α＝1，β＝e^i2π/3，γ＝e^-i2π/3时，实现与非逻辑门；α＝2/3，β＝2/3，γ＝-1时，实现或非逻辑门；当α＝1，β＝-1，γ＝0时，实现异或逻辑门；当α＝1，β＝1，γ＝-1时，实现同或逻辑门；从而在单一的全光逻辑门结构上实现了七种不同的线性光学的全光逻辑门。

在衬底上蒸镀金属膜，用聚焦离子束刻蚀方法在金属膜上制备表面等离激元波导，表面等离激元波导包括第一至第三分支波导和主波导，并在第一至第三分支波导的输入端加工纳米孔以及在主波导的输出端加工45°的反射面，分别形成第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口以及输出端口。金属膜采用金或银。

第一至第三光强调节器分别采用可调衰减片；相位调节器分别采用第一和第二半波片、第一和第二索累-巴比涅补偿器与第一和第二偏振分束器的组合。

本发明的另一个目的在于提供一种通用线性光学全光逻辑门的实现方法。

本发明的通用线性光学全光逻辑门的实现方法，包括以下步骤：

1)制备全光逻辑门结构：

制备第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口，分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口，形成全光逻辑门结构；

2)设置激发光路：

通过两个分束器将激光光源发出的相干光分成三路激发光，并且在第一至第三激发光路上分别设置第一至第三光强调节器，调节第一至第三激发光的光强，以及设置相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差；

3)实现七个逻辑门：

输出端口的光场的复振幅满足：S＝αA+βB+γ，其中，S为输出端口的光场的复振幅，α和β分别表示来自第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的信号在相应输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅，二元变量A和B分别表示第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态，这两个变量的取值为1或0，1代表开状态，0代表关状态；γ表示不变量输入端口的信号对于输出端口所贡献的光场的复振幅，对于一个特定的逻辑门，参数γ是一个固定的常数；七个逻辑门如下：

a)或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝e^i2π/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝0；

b)与逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝2/3，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝2/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1/3；

c)非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝0，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1；

d)与非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝e^i2π/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝e^-i2π/3；

e)或非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝2/3，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝2/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1；

f)异或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝-1，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝0；

g)同或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝1，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1。

其中，在步骤1)中，在衬底上蒸镀金属膜，用聚焦离子束刻蚀方法在金属膜上制备表面等离激元波导，表面等离激元波导包括第一至第三分支波导和主波导，并在第一至第三分支波导的输入端加工纳米孔以及在主波导的输出端加工45°的反射面，分别形成第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口以及输出端口。

本发明的优点：

本发明采用第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口，从而形成全光逻辑门结构，分别调节第一至第三激发光的光强，并调节第一至第三激发光之间的相位差，控制第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口对输出端口所贡献的光场的复振幅，从而在单一的全光逻辑门结构上实现了七种不同的线性光学全光逻辑门；对于或逻辑门、非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门和与非逻辑门，基于线性光学的全光逻辑门其输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”这两种状态下理论上最大的输出信号光强比是无穷大；而对于与逻辑门和或非逻辑门，基于线性光学的全光逻辑门其输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”这两种状态下理论上最大的输出信号光强比是9:1，也就是9.5dB。对于每种全光逻辑门，不同输入逻辑状态下得到的相同的输出逻辑状态具有相同的输出光强。

附图说明

图1为本发明的通用线性光学全光逻辑门的一个实施例的示意图；

图2为本发明的通用线性光学全光逻辑门的全光逻辑门结构的一个实施例的电镜图；

图3为本发明的通用线性光学全光逻辑门的全光逻辑门结构的一个实施例得到的或逻辑门的实验结果图；

图4为本发明的通用线性光学全光逻辑门的全光逻辑门结构的一个实施例得到的与逻辑门的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的通用线性光学全光逻辑门包括第一和第二逻辑输入端口in1和in2、不变量输入端口C、输出端口O、第一至第三分支波导、主波导、激光光源L、第一和第二分束器、第一至第三光强调节器以及相位调节器；其中，第一和第二逻辑输入端口in1和in2及不变量输入端口C分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口O，从而形成全光逻辑门结构；激光光源L发出的相干光经第一分束器PBS1分成两路，其中一路经过第二分束器PBS2再分成两路，从而形成三路相干的激发光；在第一至第三激发光路上分别设置第一至第三光强调节器，并且设置相位调节器。

在本实施例中，光强调节器采用可调衰减片A，分别在每一个激发光路上设置一个可调衰减片A，分别调节第一至第三激发光的光强；相位调节器采用第一和第二半波片HWP1和HWP2、第一和第二索累-巴比涅补偿器SBC1和SBC2与第一和第二偏振分束器PBS1和PBS2的组合，调节第一至第三激发光之间的相位差。图1中M1～M6为全反射镜，改变激发光的光路。

在线性光学中，最主要的物理量是光场的振幅和相位，这二者可以联合起来用光场的复振幅统一描述。基于线性光学的全光逻辑门，其输出光场的复振幅具有可加性，总等于各个输入光场的复振幅的线性叠加。七种逻辑门，也就是与逻辑门、或逻辑门、非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门、与非逻辑门和或非逻辑门，全部都是具有两个逻辑输入端口一个逻辑输出端口的逻辑门，因此，在线性光学的范围内，其输出光场的复振幅总满足以下方程：

S＝αA+βB+γ (1)

其中，S为输出端口的光场的复振幅，α和β分别表示来自第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的光场在相应输入逻辑状态为1时对输出端口所贡献的光场的复振幅，二元变量A和B分别表示第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态，这两个变量的取值为1，即开状态，或者为0，即关状态；γ表示不变量输入端口的光场对于输出端口所贡献的光场的复振幅，对于一个特定的逻辑门，参数γ是一个固定的常数，通过加入不变量输入端口，并将不变量输入端口的输入状态固定不动来实现。根据方程(1)，可以得到在不同输入逻辑状态下输出端口处所对应的输出光场，结果如表(1)所示。很明显，输出光场与参数α、β、γ有关，因此，调整参数α、β、γ的值可以在相同的输入逻辑状态下获得不同的输出光场，从而实现不同的逻辑门。具体的逻辑运算结果实际上取决于不同输入逻辑下输出光强的信号比，因此，有效的物理量是参数α、β和γ的相对值，也就是说当参数α、β和γ同时乘以任意一个相同的复数时，逻辑门的逻辑操作保持不变，只有绝对的输出信号光强在成比例的变化。因此，后面的分析中只提供各个逻辑门的最优参数的一个特解。另外，上述方程(1)和相应的理论分析与具体的样品结构无关，适用于所有具有两个逻辑输入端口一个逻辑输出端口的线性光学全光逻辑门。

或逻辑门：

或逻辑门在第一和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态均为“0”时，输出逻辑状态为“0”，因此，一个理想的或逻辑门在这个输入状态下输出光强应该为零。也就是说，当(A,B)＝(0,0)时，输出振幅满足|S|＝|γ|＝0,从而可以得出γ＝0。另外，一个理想的或逻辑门应该在另外三种输入逻辑状态，也就是(A,B)＝(1,0)、(0,1)和(1,1)时，输出一个均匀的非零光强，从而对应输出逻辑状态为“1”。不失一般性，不妨假定当(A,B)＝(1,0)、(0,1)和(1,1)时，输出光强满足|S|＝1，这分别给出|α+γ|＝1、|β+γ|＝1和|α+β+γ|＝1。考虑到前面根据第一个条件已经得出γ＝0，后面三个条件变为|α|＝|β|＝1和|α+β|＝1，这三个条件在α和β的模等于1，相位差为2π/3的情况下得到满足。也就是说，一个理想的或逻辑门原则上是可以实现的，可以将α＝1、β＝e^i2π/3、γ＝0作为一组满足条件的特解。对于四种不同的输入逻辑状态，也就是(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)，输出的信号光强分别为0、1、1、1，对应于或逻辑门的四种输出逻辑状态“0”、“1”、“1”、“1”。可以看到，对于输出逻辑状态“0”，对应的实际输出信号光强为0；而对于三个输出逻辑状态“1”，对应的实际输出信号光强都等于1。输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比理论上可以达到无穷大，同时，不同输入逻辑状态下得到的相同的输出逻辑状态具有相同的输出光强。

与逻辑门：

与逻辑门在输入逻辑状态为(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)时，获得的输出逻辑状态应为“0”、“0”、“0”、“1”，因此一个理想的与逻辑门在这四种状态下的输出信号光强应该分别为0、0、0、1。第一个条件给出|γ|²＝0，从而可以得出γ＝0。接下来，第二个条件|α+γ|²＝0和第三个条件|β+γ|²＝0分别给出α+γ＝0和β+γ＝0。再考虑到第一个条件得出的γ＝0，可以得到α＝β＝0。这样，第四个条件，也就是|α+β+γ|²＝1不可能得到满足。这一矛盾意味着采用线性光学方法不可能获得一个理想的与逻辑门。但是，可以得到一个不理想但是相对具有最佳性能的与逻辑门。这里，将输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比作为衡量逻辑门性能的指标。对于与逻辑门，此时输出逻辑状态为“0”时对应的输出信号光强可能不再是0，假设三个输出逻辑状态“0”中输出光强的最大值为μ²，这里μ是一个非负的实数，则这三个输出逻辑为“0”的状态其输出振幅满足如下不等式：

|γ|≤μ, |α+γ|≤μ, |β+γ|≤μ. (2)

为了尽可能提高输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比，希望输出状态为逻辑“1”时的输出信号光强越大越好。然而，这一输出光强存在一个上限：

|α+β+γ|＝|α+γ+β+γ-γ|≤|α+γ|+|β+γ|+|-γ|≤3μ. (3)

也就是说输出状态为逻辑“1”时的输出信号振幅最大只能达到3μ，因此，输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号振幅比最大只能达到3:1。相应的输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比，也就是振幅比的平方，最大可以达到9:1。不等式(3)中的等号当且仅当|α+γ|＝|β+γ|＝|γ|＝μ且α+γ＝β+γ＝-γ时得到满足，其中前一个条件意味着三个输出逻辑为“0”的状态其输出信号光强在输出光强比达到最大的最佳条件下自然相等，而后一个条件可以给出最佳条件对应的一组具体的特解：α＝β＝2/3、γ＝-1/3。这里，选择参数α、β、γ的绝对大小使得刚好在输出逻辑为“1”的状态下的输出信号光强为1，如果参数α、β、γ被同时乘以一个常数，输出逻辑状态“1”和输出逻辑状态“0”的绝对输出光强成比例的变化，但相对强度不变，因此不改变输出的逻辑状态，逻辑状态总是由输出信号光强的相对大小所决定的。对于四种不同的输入逻辑状态，也就是(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)，输出的信号光强分别为1/9、1/9、1/9、1，只要将输出信号的逻辑阈值设定在1/9和1之间，就可以分别对应于与逻辑门的四种输出逻辑状态“0”、“0”、“0”、“1”。此时输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比达到理论上的最大值9:1，也就是9.5dB；并且三个输出逻辑为“0”的状态具有相等的输出信号光强度1/9。作为对比，典型的传统线性光学全光与逻辑门通常用两路输入信号的相干相长来实现，这种逻辑门在以上理论模型中对应于α＝β＝1/2、γ＝0，对于四种不同的输入逻辑状态，也就是(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)，输出的信号光强分别为0、1/4、1/4、1，通过将输出信号的逻辑阈值设定在1/4和1之间，可以分别对应于与逻辑门的四种输出逻辑状态“0”、“0”、“0”、“1”。可以看到，这种情况下三个输出逻辑状态“0”所对应的输出信号光强并不一致，一个为0、两个为1/4；更重要的是，输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比只能达到4:1，也就是6.0dB，不如最佳条件下的光强比9:1。输出信号的高光强比可以有效降低误码率并极大增加实际使用中的灵活性，因此，上述比较说明，在两个逻辑状态输入端口之外增加一个固定的不变量端口可以有效提高线性光学全光逻辑门的性能。

类似的分析也可以应用到其它五种逻辑门。可以看到，最佳状态下的或逻辑门、非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门和与非逻辑门，其输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”状态下的输出信号光强比理论上是无穷大，也就是可以做到理想状态，这些逻辑门在输出逻辑状态为“0”时对应的输出信号光强等于0，输出逻辑状态为“1”时对应的输出信号光强等于1，满足相同输出逻辑状态下具有相同的输出信号光强。而对于与逻辑门和或非逻辑门这两种三个输出状态为逻辑“0”、一个输出状态为逻辑“1”的逻辑门，由于线性条件的限制，是不可能做到理想状态的，它们能获得的输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”状态下的输出信号光强比最大只能达到9:1，也就是9.5dB，这种最佳状态下三个输出逻辑“0”的状态具有相同的输出信号光强，正好是输出逻辑“1”时的输出信号光强的1/9。七种逻辑门的最佳条件如下表所示。

为了在实验上验证上述理论模型，本实施例设计和制备了一个基于表面等离激元波导的全光逻辑门结构。首先在玻璃衬底上蒸镀厚度为450nm的金膜，然后用聚焦离子束刻蚀方法在金膜上制备样品，样品的大小为8μm×11μm，是一个超小的尺寸，这归功于表面等离激元波导的亚波长特性。图2给出了全光逻辑门结构的电镜图，全光逻辑门结构主要包括三个表面等离激元分支波导共同连接到一个表面等离激元主波导上。波导的宽度和深度分别为约200和250nm，保证波导中只有基模是传播模式。在每一个表面等离激元分支波导的最下端，分别加工了100nm×300nm的纳米孔，这三个纳米孔穿透金膜，并分别作为第一和第二输入逻辑端口in1和in2以及不变量输入端口C。第一至第三激发光从衬底面入射聚焦到三个纳米孔上，并激发表面等离激元波导中的表面等离激元，这些表面等离激元沿各个分支波导传播到中间的波导连接处，并沿主波导向上传播。在主波导的最上端通过逐渐减少聚焦离子束刻蚀时间的方法制备了45°的反射面，这一反射面可以有效地将主波导中的表面等离激元散射为自由空间光，从而作为输出端口O。这里，由于实际的逻辑运算功能是由中间的波导连接处完成的，而输入分支波导和输出主波导设计的相对较长以方便开展测量，因此，上述波导原则上都可以进一步缩短，全光逻辑门结构的尺寸还可以进一步降低。

如图1所示，一束波长632.8nm的氦氖激光器L出射的线偏振光的偏振方向由第一半波片HWP1旋转到距离水平面45°，经过第一索累-巴比涅补偿器SBC1后，激光的水平偏振分量和z偏振分量获得一定的相位差。接下来，激光的水平偏振分量和z偏振分量由第一偏振分束镜PBS1分束，水平偏振分量的激光用于激发样品中间的不变量输入端口C。而z偏振分量由第二半波片HWP2再次旋转到距离水平面45°，并经过第二索累-巴比涅补偿器SBC2和第二偏振分束镜PBS2，由此分束得到两束激光分别用来激发样品的第一和第二输入逻辑端口in1和in2，这两束激发光之间的相位差可以通过第二索累-巴比涅补偿器SBC2调节。注意，从第二偏振分束镜PBS2分出的水平偏振分量激光被第三半波片HWP3旋转到z方向偏振，以保证三束激发光的偏振方向最终都是垂直于100nm×300nm的长方形纳米孔的短轴方向，从而获得高的表面等离激元激发效率。最终，散射激发光由一个100倍、数值孔径0.8的物镜由衬底面聚焦到样品，聚焦光斑的尺寸小于1微米，远小于最近邻纳米孔之间的间距5微米，从而保证三束光可以独立激发三个纳米孔而彼此没有影响。输出端口O的散射光信号被另一个100倍、数值孔径0.8的物镜由样品上面的空气界面收集，并进一步成像到电荷耦合器件CCD进行探测。入射到样品上的激光功率小于0.1mW，保证只有线性光学效应。

实验过程中，输入端口的逻辑状态是“0”还是“1”取决于相应的激发光路是否被遮挡。因此，理论模型中的参数α、β、γ由输入端口处的激光光场和随后表面等离激元从输入端口向输出端口的传输过程共同决定。这意味着实验中有两类方式去调节参数α、β、γ：一类是固定第一和第二逻辑输入端口in1和in2以及不变量输入端口C处的激发光场而改变波导结构，具体来说也就是改变波导的传播损耗和传播长度可以分别调节参数的幅度和相位；另一类是固定波导结构而调节激发光场的幅度和相位。这两类方式在理论上是等价的，本实施例选择了后一种方式，原因是这种方式对于波导的损耗和长度没有严格要求，所有调节都可以通过外部光学元件来简单的实现。具体来说，三路激发光场的幅度通过各自光路上的三个可调衰减片A独立调节，而三路激发光场的相位差通过两个索累-巴比涅补偿器调节。通过将参数α、β、γ的值分别仔细调节到上表中对应的理论值，能够在同一个全光逻辑门结构上分别实现全部七种不同的逻辑门，也就是说，可以实现一个通用的全光逻辑门。

图3给出了或逻辑门的实验结果。其中，用于激发不变量端口C的激发光始终保持被遮挡，因为最优的或逻辑门条件对应γ＝0。因此，对于输入逻辑状态(A,B)＝(0,0)，全部三束激发光都处于被遮挡状态，没有任何信号光，如图3(a)所示。此时是一个理想的输出逻辑“0”状态，对应的输出信号光强在理论上等于0，如果我们扣除掉背景信号。当输入逻辑状态为(A,B)＝(1,0)或者(0,1)时，只有一个逻辑输入端口被照亮，如图3(b)和(c)所示，此时输出端口是亮的，对应于输出逻辑“1”状态。而当输入逻辑状态为(A,B)＝(1,1)时，第一和第二逻辑输入端口in1和in2同时照亮，如图3(d)所示，但此时输出端口的亮度与图3(b)和(c)相同，也对应于输出逻辑“1”状态，这是由于第一和第二逻辑输入端口in1和in2在输出端口所贡献的信号之间存在2π/3的相位差，因此叠加后的信号强度与只有单路光激发的信号强度相等。将CCD探测到的输出端口的光点进行积分，并减去相同区域内的背景信号，从而可以定量测量输出信号光强。由于实验中决定输出逻辑状态的是不同输出状态之间的相对输出光强，这个相对光强是实际中有意义的物理量，因此将某个输出逻辑为“1”的状态的输出信号光强规定为单位1对各个状态的输出光强进行归一化，最终得到对于输入逻辑为(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)这四个状态下，相应的输出信号光强的比例为0:1:1.006:1.008，这一结果非常接近理论模型预测的比例0:1:1:1。三个输出逻辑为“1”的状态表现出高度一致的输出信号光强，彼此间的差别不到0.8％。而输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比非常高，因为输出逻辑“0”的信号在扣除背景信号后非常低，这种情况下，我们可以用探测信号的涨落估计输出逻辑“0”的信号光强的上限，探测信号的涨落约为0.0015，这意味着输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比高达28dB。

图4给出了与逻辑门的实验结果。和或逻辑门中的γ＝0不同，最佳的与逻辑门是在γ＝-1/3的情况下实现的，因此，与逻辑门实验中不变量端口C始终是被照亮的。由此，对于输入逻辑状态(A,B)＝(0,0)，输出端仍有一个非零的弱信号，如图4(a)所示，这一信号来自不变量端口C的贡献，这一状态对应于一个非理性的输出逻辑“0”状态。当输入逻辑状态为(A,B)＝(1,0)或者(0,1)时，相应的输出端口和图4(a)中一样暗，如图4(b)和(c)所示，也对应于输出逻辑“0”状态，这是由于第一或第二逻辑输入端口in1或in2在输出端口处所贡献的信号与不变量端口C在输出端口处所贡献的信号处于相干相消，因为与逻辑门的实现参数为α＝β＝2/3、γ＝-1/3。而当输入逻辑状态为(A,B)＝(1,1)时，全部三个输入端口都被照亮，此时输出端口的信号由第一和第二逻辑输入端口in1和in2所贡献信号间的相干相长所决定，而不变量端口C贡献的信号只是部分削弱了总的信号强度，因此此时的输出端口处于亮的状态，如图4(d)所示，对应于输出逻辑“1”状态。定量的测量给出，对于与逻辑门，输入逻辑为(A,B)＝(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)这四个状态下，相应的输出信号光强的比例为(1/8.67):(1/8.72):(1/8.75):1，这一结果接近理论模型预测的比例(1/9):(1/9):(1/9):1。三个输出逻辑为“0”的状态表现出高度一致的输出信号光强，彼此间的差别不到0.9％。而输出状态为逻辑“1”和逻辑“0”的输出信号光强比至少达到8.67:1，也就是9.4dB，这一结果接近理论上的最大值9:1，也就是9.5dB。注意，不变量端口C在图4中看上去比第一和第二逻辑输入端口A和B亮得多，这是由于我们在探测过程中在CCD之前加了一个x方向偏振的偏振片。由于第一和第二逻辑输入端口A和B的直接散射光的偏振主要沿纳米孔的短轴，也就是y方向，因此，加入x方向偏振的偏振片可以大大抑制第一和第二逻辑输入端口A和B的直接散射光；与此同时，不变量端口C和逻辑输出端口O的散射光的偏振主要沿x方向，受x方向偏振的偏振片影响很小，因此，加入上述偏振片可以使CCD图看上去视觉效果更好，这也是为什么样品的第一和第二逻辑输入端口A和B的激发纳米孔以及与之连接的表面等离激元分支波导的方向要设计成与不变量端口C和输出端口O的情况相垂直的原因。但是上述偏振片对于光学测量本身影响很小，因为第一和第二逻辑输入端口A和B的直接散射光与逻辑输出端口O的信号光在空间上分得很开，在CCD图中，这些端口的光斑距离很远，也就是说，上述偏振片对于探测过程实际上并非必要，而只是为了获得更好的视觉效果。对于非逻辑门、异或逻辑门、同或逻辑门、与非逻辑门和或非逻辑门，类似的实验也在同一全光逻辑门结构上实现，这些实验结果都与理论模型的预测相符。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种通用线性光学全光逻辑门，其特征在于，所述全光逻辑门包括：第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口、输出端口、第一至第三分支波导、主波导、激光光源、第一和第二分束器、第一至第三光强调节器以及相位调节器；其中，所述第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，所述主波导连接至输出端口，从而形成全光逻辑门结构；所述激光光源发出的相干光经第一分束器分成两路，其中一路经过第二分束器再分成两路，从而形成三路相干的激发光；在第一至第三路激发光上分别设置第一至第三光强调节器，分别调节第一至第三激发光的光强，并且设置相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差；输出端口的光场的复振幅满足：S＝αA+βB+γ，其中，S为输出端口的光场的复振幅，α和β分别表示来自第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的光场在相应输入逻辑状态为1时对输出端口所贡献的光场的复振幅，二元变量A和B分别表示第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态，这两个变量的取值为1或0，1代表开状态，0代表关状态；γ表示不变量输入端口的光场对于输出端口所贡献的光场的复振幅，对于一个特定的逻辑门，参数γ是一个固定的常数；通过第一至第三光强调节器分别调节第一至第三激发光路的光强，以及通过相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差，控制第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口对输出端口所贡献的光场的复振幅，即分别控制α、β和γ，从而实现七个逻辑门：当α＝1，β＝e^i2π/3，γ＝0时，实现或逻辑门；当α＝2/3，β＝2/3，γ＝-1/3时，实现与逻辑门；当α＝1，β＝0，γ＝-1时，实现非逻辑门；当α＝1，β＝e^i2π/3，γ＝e^-i2π/3时，实现与非逻辑门；α＝2/3，β＝2/3，γ＝-1时，实现或非逻辑门；当α＝1，β＝-1，γ＝0时，实现异或逻辑门；当α＝1，β＝1，γ＝-1时，实现同或逻辑门；从而在单一的全光逻辑门结构上实现了七种不同的线性光学的全光逻辑门。

2.如权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，在衬底上蒸镀金属膜，用聚焦离子束刻蚀方法在金属膜上制备表面等离激元波导，所述表面等离激元波导包括第一至第三分支波导和主波导，并在第一至第三分支波导的输入端加工纳米孔以及在主波导的输出端加工45°的反射面，分别形成第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口以及输出端口。

3.如权利要求2所述的全光逻辑门，其特征在于，所述金属膜采用金或银。

4.如权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述第一至第三光强调节器分别采用可调衰减片。

5.如权利要求1所述的全光逻辑门，其特征在于，所述相位调节器分别采用第一和第二半波片、第一和第二索累-巴比涅补偿器与第一和第二偏振分束器的组合。

6.一种通用线性光学全光逻辑门的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

1)制备全光逻辑门结构：

制备第一和第二逻辑输入端口以及不变量输入端口，分别通过第一至第三分支波导连接至主波导，主波导连接至输出端口，形成全光逻辑门结构；

2)设置激发光路：

通过两个分束器将激光光源发出的相干光分成三路激发光，并且在第一至第三激发光路上分别设置第一至第三光强调节器，调节第一至第三激发光的光强，以及设置相位调节器调节第一至第三激发光之间的相位差；

3)实现七个逻辑门：

输出端口的光场的复振幅满足：S＝αA+βB+γ，其中，S为输出端口的光场的复振幅，α和β分别表示来自第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的信号在相应输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅，二元变量A和B分别表示第一逻辑输入端口和第二逻辑输入端口的输入逻辑状态，这两个变量的取值为1或0，1代表开状态，0代表关状态；γ表示不变量输入端口的信号对于输出端口所贡献的光场的复振幅，对于一个特定的逻辑门，参数γ是一个固定的常数；七个逻辑门如下：

a)或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝e^i2π/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝0；

b)与逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝2/3，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝2/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1/3；

c)非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝0，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1；

d)与非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝e^i2π/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝e^-i2π/3；

e)或非逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝2/3，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝2/3，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1；

f)异或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝-1，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝0；

g)同或逻辑门

通过第一至第三光强调节器调节第一至第三激发光路的光强，同时通过相位调节器调节第一至第三激发光路的相位差，使得第一逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为α＝1，第二逻辑输入端口在输入逻辑状态为1时在输出端口所贡献的光场的复振幅为β＝1，以及不变量输入端口在输出端口所贡献的光场的复振幅为γ＝-1。

7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤1)中，在衬底上蒸镀金属膜，用聚焦离子束刻蚀方法在金属膜上制备表面等离激元波导，表面等离激元波导包括第一至第三分支波导和主波导，并在第一至第三分支波导的输入端加工纳米孔以及在主波导的输出端加工45°的反射面，分别形成第一和第二逻辑输入端口、不变量输入端口以及输出端口。