CN111045274A - 一种基于超表面的光学逻辑门 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学及偏振光学技术领域，公开了一种基于超表面的光学逻辑门，包括起偏器、超表面、检偏器；入射光依次经过起偏器、超表面、检偏器后出射，起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向作为逻辑门的输入，出射光的光强作为逻辑门的输出。本发明解决了现有技术中光学逻辑门结构复杂、难以集成的问题，本发明提供的光学逻辑门设计灵活、易于集成，有望实现大规模并行计算，在全光网络、光学计算等方面具有广泛的应用前景。

Description

一种基于超表面的光学逻辑门

技术领域

本发明涉及微纳光学及偏振光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面的光学逻辑门。

背景技术

逻辑门作为电路中的概念，是数字逻辑电路的基本单元，被广泛用于电子信息领域。其能执行“与”、“或”、“同或”、“异或”等多种逻辑运算，任何复杂的数字逻辑电路都可由这些逻辑门组成。随着现代社会信息量的急剧增加，对信息传输及处理的速度要求越来越高，传统的电学逻辑门难以克服电子技术本身存在的“电子瓶颈”，因此亟待新的技术上的突破。

全光网络中从源节点传输到目的节点的数据均以光的形式进行，其有效避免了“电子瓶颈”，有望从根本上解决高速信息传输及处理所面临的问题。光学逻辑门器件是全光网络中的核心器件之一，目前已经出现了不少的实现方案，例如光纤马赫曾德干涉仪、超快非线性干涉仪等。这些方法利用半导体或者光纤的非线性效应来实现逻辑运算，数据处理速度快，然而这些光学逻辑门结构复杂，难以集成。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于超表面的光学逻辑门，解决了现有技术中光学逻辑门结构复杂、难以集成的问题。

本申请实施例提供一种基于超表面的光学逻辑门，包括：起偏器、超表面、检偏器；入射光依次经过所述起偏器、所述超表面、所述检偏器后出射，所述起偏器的起偏方向和所述检偏器的检偏方向作为逻辑门的输入，出射光的光强作为逻辑门的输出。

优选的，所述超表面包括：基底、纳米砖阵列；

所述纳米砖阵列沉积在所述基底上，所述基底划分为多个单元结构，每个所述单元结构上设有一个纳米砖。

优选的，所述单元结构的工作面为正方形，所述纳米砖的尺寸为亚波长级。

优选的，根据所述入射光的工作波长、所述纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真获得所述单元结构的尺寸参数、所述纳米砖的尺寸参数。

优选的，所述基底采用熔融石英玻璃制成，所述纳米砖采用金属材料或电介质材料制成。

优选的，以所述单元结构的两个直角边分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖的长边为长轴，所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角θ；

所述纳米砖的长轴、短轴的透射系数分别为A和B，转向角为θ的纳米砖的琼斯矩阵表示为：

所述起偏器的起偏方向与x轴的夹角为第一夹角α₁，所述检偏器的检偏方向与x轴的夹角为第二夹角α₂，所述出射光的琼斯矩阵表示为：

根据(2)式得到归一化后出射光的光强为：

式中，I₁表示出射光的光强。

优选的，所述第一夹角α₁等于0度为状态“0”，所述第一夹角α₁等于90度为状态“1”；所述第二夹角α₂等于0度为状态“0”，所述第二夹角α₂等于90度为状态“1”；所述出射光的光强小于设定的阈值时为状态“0”，所述出射光的光强大于所设定的阈值时为状态“1”。

优选的，当A＝0，B＝1，θ＝90°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“与”运算；

当

B＝1，

时，设定的阈值为

实现逻辑“或”运算；

当A＝1，B＝-1，θ＝45°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“异或”运算；

当A＝1，B＝1，θ＝0°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“同或”运算。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，入射光依次经过起偏器、超表面、检偏器后出射，将起偏器的起偏方向和检偏器的检偏方向作为逻辑门的输入，将出射光的光强作为逻辑门的输出。本发明提供的光学逻辑门设计灵活、易于集成，有望实现大规模并行计算，在全光网络、光学计算等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的光学逻辑门的光路图；

图2为本发明实施例提供的一种基于超表面的光学逻辑门中超表面纳米结构单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中“与门”的超表面纳米单元结构的长短轴透射系数图；

图4为本发明实施例中“或门”的超表面纳米单元结构的长短轴透射系数图；

图5为本发明实施例中“异或门”的超表面纳米单元结构的长短透射系数图；

图6为本发明实施例中“同或门”的超表面纳米单元结构的长短轴透射系数图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种基于超表面的光学逻辑门，包括：起偏器、超表面、检偏器，入射光依次经过所述起偏器、所述超表面、所述检偏器后出射，所述起偏器的起偏方向和所述检偏器的检偏方向作为逻辑门的输入，出射光的光强作为逻辑门的输出，参见图1。

其中，所述超表面由基底和沉积在其上的纳米砖阵列构成，所述基底划分为多个单元结构，每个所述单元结构上设有一个纳米砖。具体的，所述基底为透明基底，每个所述单元结构的工作面为边长为C的正方形，每个工作面上均设有一个所述纳米砖，所述纳米砖的结构尺寸长L、宽W和高H均为亚波长级，如图2所示，这些参数是根据选定的所述入射光的波长，通过电磁仿真优化得到。

以所述单元结构的两个直角边分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖的长边为长轴，所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。所述基底可采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖可采用金属材料或电介质材料，如金、银、铝、硅、二氧化钛等。

若优化后的所述纳米砖的长轴、短轴的透射系数分别为A和B，则转角为θ的纳米砖的琼斯矩阵可以表示为：

假设所述起偏器的起偏方向与x轴夹角为α₁，所述检偏器的检偏方向与x轴夹角为α₂，则入射光经过所述起偏器、所述超表面、所述检偏器后出射，出射光的琼斯矩阵可以表示为：

由(2)式计算得到的归一化出射光的光强为：

令所述起偏器的起偏方向沿x轴或y轴，即α₁为0度或90度。令所述检偏器的检偏方向沿x轴或y轴，即α₂为0度或90度。以所述起偏器的起偏方向(即α₁)和所述检偏器的检偏方向(即α₂)为输入，具体而言，令起偏方向、检偏方向等于0度为状态“0”，令起偏方向、检偏方向等于90度为状态“1”。以出射光的光强为输出，具体而言，出射光的光强小于所设定的阈值时为状态“0”，透射光光强大于所设定的阈值时为状态“1”。

在上述技术方案基础上，合理选择超表面的材料、采用电磁仿真获得所述单元结构的工作面为边长C、所述纳米砖的长L、宽W、高H和转向角θ，可以实现“与”、“或”、“同或”、“异或”等各种逻辑门。下面给出具体设计实例。

(1)与门

当A＝0，B＝1，θ＝90°时，公式(3)简化为：

由公式(4)可见，当起偏方向为0度，检偏方向为0度时，出射光的光强即输出光强为0；当起偏方向为0度，检偏方向为90度时，输出光强为0；当起偏方向为90度，检偏方向为0度时，输出光强为0；当起偏方向为90度，检偏方向为90度时，输出光强为1。设定透射光光强阈值为0.5，则只有输入状态为“11”时，输出状态为“1”，其它输入状态下(“00”、“01”、“10”)，输出状态均为“0”，此时该光路实现了逻辑“与”运算。

以工作波长λ＝479.85nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，所述纳米砖的材料采用二氧化钛，以偏振方向分别沿所述纳米砖的长轴和短轴的两束线偏光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描所述纳米单元的结构参数、所述纳米砖的结构参数，包括L、W、H、C，以A接近于0、B接近于1为优化对象。优化得到结构参数为：L＝164nm，W＝110nm，H＝500nm，C＝300nm。优化后长短轴透射系数如图3所示。

(2)或门

当

B＝1，

时，同样可根据计算得到当起偏方向为0度，检偏方向为0度时，输出光强为0；当起偏方向为0度，检偏方向为90度时，输出光强为

当起偏方向为90度，检偏方向为0度时，输出光强为

当起偏方向为90度，检偏方向为90度时，输出光强为

设定透射光光强阈值为

则只有输入状态为“00”时，输出状态为“0”，其它输入状态下(“00”、“01”、“10”)，输出状态均为“1”，此时该光路实现了逻辑“或”运算。

以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，所述纳米砖的材料采用硅，以偏振方向分别沿所述纳米砖的长轴和短轴的两束线偏光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描所述纳米单元的结构参数、所述纳米砖的结构参数，包括L、W、H、C，以A接近于

B接近于1为优化对象。优化得到结构参数为：L＝127nm，W＝90nm，H＝250nm，C＝300nm。优化后长短轴透射系数如图4所示。

(3)异或门

当A＝1，B＝-1，θ＝45°时，公式(3)简化为：

I₁＝[cos(90°-α₂-α₁)]² (5)

根据公式(5)计算得到，当起偏方向为0度，检偏方向为0度时，输出光强为0；当起偏方向为0度，检偏方向为90度时，输出光强为1；当起偏方向为90度，检偏方向为0度时，输出光强为1；当起偏方向为90度，检偏方向为90度时，输出光强为0。设定透射光光强阈值为0.5，则输入状态为“00”及“11”时，输出状态为“0”，输入状态为“01”及“10”时，输出状态为“1”，此时该光路实现了逻辑“异或”运算。

以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，所述纳米砖的材料采用硅，以偏振方向分别沿所述纳米砖的长轴和短轴的两束线偏光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描所述纳米单元的结构参数、所述纳米砖的结构参数，包括L、W、H、C，以A接近于1、B接近于-1为优化对象。优化得到结构参数为：L＝140nm，W＝70nm，H＝350nm，C＝300nm。优化后长短轴透射系数如图5所示。

(4)同或门

当A＝1，B＝1，θ＝0°时，公式(3)简化为I₁＝[cos(α₂-α₁)]² (6)

根据公式(6)计算得到，当起偏方向为0度，检偏方向为0度时，输出光强为1；当起偏方向为0度，检偏方向为90度时，输出光强为0；当起偏方向为90度，检偏方向为0度时，输出光强为0；当起偏方向为90度，检偏方向为90度时，输出光强为1。设定透射光光强阈值为0.5，则输入状态为“00”及“11”时，输出状态为“1”，输入状态为“01”及“10”时，输出状态为“0”，此时该光路实现了逻辑“同或”运算。

以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，所述纳米砖的材料采用硅，以偏振方向分别沿所述纳米砖的长轴和短轴的两束线偏光同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描所述纳米单元的结构参数、所述纳米砖的结构参数，包括L、W、H、C，以A接近于1、B接近于1为优化对象。优化得到结构参数为：L＝40nm，W＝40nm，H＝100nm，C＝300nm。优化后长短轴透射系数如图6所示。

综上，本发明提供了一种基于超表面的光学逻辑门，其设计灵活、易集成，为实现光学逻辑功能提供了一种新的解决方案，有望实现大规模并行计算，在全光网络、光学计算等方面具有广泛的应用前景。

本发明实施例提供的一种基于超表面的光学逻辑门至少包括如下技术效果：

1、利用本发明提供的光学逻辑门设计灵活、可根据所需逻辑功能设计实现多种逻辑运算。

2、超表面纳米单元结构尺寸均为亚波长级，因此本发明所设计的基于超表面的光学逻辑门体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。

3、利用本发明提供的光学逻辑门有望实现大规模并行计算，在全光网络、光学计算等方面具有广泛的应用前景。

4、由于该光学逻辑门中的超表面为二台阶平面结构，因此在加工制造、批量生产等方面较为简单、节约成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，包括：起偏器、超表面、检偏器；入射光依次经过所述起偏器、所述超表面、所述检偏器后出射，所述起偏器的起偏方向和所述检偏器的检偏方向作为逻辑门的输入，出射光的光强作为逻辑门的输出。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，所述超表面包括：基底、纳米砖阵列；

所述纳米砖阵列沉积在所述基底上，所述基底划分为多个单元结构，每个所述单元结构上设有一个纳米砖。

3.根据权利要求2所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，所述单元结构的工作面为正方形，所述纳米砖的尺寸为亚波长级。

4.根据权利要求2所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，根据所述入射光的工作波长、所述纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真获得所述单元结构的尺寸参数、所述纳米砖的尺寸参数。

5.根据权利要求2所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，所述基底采用熔融石英玻璃制成，所述纳米砖采用金属材料或电介质材料制成。

6.根据权利要求2所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，以所述单元结构的两个直角边分别为x轴和y轴建立xoy坐标系，所述纳米砖的长边为长轴，所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角θ；

所述纳米砖的长轴、短轴的透射系数分别为A和B，转向角为θ的纳米砖的琼斯矩阵表示为：

所述起偏器的起偏方向与x轴的夹角为第一夹角α₁，所述检偏器的检偏方向与x轴的夹角为第二夹角α₂，所述出射光的琼斯矩阵表示为：

根据(2)式得到归一化后出射光的光强为：

式中，I₁表示出射光的光强。

7.根据权利要求6所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，所述第一夹角α₁等于0度为状态“0”，所述第一夹角α₁等于90度为状态“1”；所述第二夹角α₂等于0度为状态“0”，所述第二夹角α₂等于90度为状态“1”；所述出射光的光强小于设定的阈值时为状态“0”，所述出射光的光强大于所设定的阈值时为状态“1”。

8.根据权利要求7所述的基于超表面的光学逻辑门，其特征在于，当A＝0，B＝1，θ＝90°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“与”运算；

当

B＝1，

时，设定的阈值为

实现逻辑“或”运算；

当A＝1，B＝-1，θ＝45°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“异或”运算；

当A＝1，B＝1，θ＝0°时，设定的阈值为0.5，实现逻辑“同或”运算。

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