CN113406839A - 一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法。该方案包括非金属衬底、矩形谐振腔、受控端、第一输入端、第二输入端、输出端、信号光、输入信号、输出信号、器件本体；非金属衬底、矩形谐振腔、受控端、输入端和输出端都在器件本体的表面上，非金属衬底为石英基板，矩形谐振腔为第一石墨烯纳米线，矩形谐振腔在器件本体中央，输入端和受控端均为第二石墨烯纳米线，受控端在矩形谐振腔正上方，输入端位于矩形谐振腔的两侧，输出端在矩形谐振腔正下方，信号光为矩形谐振腔的谐振波长，信号光入射方向为器件本体正上方。该方案通过采用亚波长结构的微纳米光器件，利用受控端使光学逻辑器件对同一入射波长上实现多个逻辑操作。

Description

一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法。

背景技术

电子逻辑器件作为电子集成电路的重要组成元件之一，在对信息的传输与数据的处理上扮演着非常重要的角色。在近几十年里，电子逻辑器件由于受到其自身固有的热损耗和延迟差等缺陷的影响，极大地限制了信息传输与数据处理技术在未来的发展。近年来，亚波长结构的微纳器件由于体型小、结构紧凑、低成本、高效率等特点，在微计算系统和高度集成化系统中具有重大的应用前景，引起了极大的关注，诸多基于石墨烯的光子微纳结构和器件被相继提出并广泛应用于各个领域之中。例如，运用于生物传感领域中的光学微纳传感器、运用于微成像领域中的光学微纳透镜、运用于光电集成一体化系统的光学开关、光学逻辑门、光学探测器等。

与电子逻辑器件相比，光学逻辑器件以其低损耗、低成本、超高速、超宽带等优点而受到了广泛的关注与研究，被认为是取代电子逻辑器件的候选器件，并有望成为大规模光子集成电路的重要板块之一，实现对信息以及数据的超高速、低损耗、大容量传输与处理。

在本发明技术之前，现有的技术多采用电子逻辑器件，导致成本高，速度慢。少部分方案采用了光逻辑器件，但是尚无法实现一个波长下多个逻辑功能操作，导致在进行多个逻辑操作时，需要反复的变换信号光的波长，操作过程复杂。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法，该方案可通过采用亚波长结构的微纳米光器件，利用受控端使光学逻辑器件对同一入射波长上实现多个逻辑操作。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件。

在一个或多个实施例中，优选地，所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件具体包括：非金属衬底、矩形谐振腔、受控端、第一输入端、第二输入端、输出端、信号光、输入信号、输出信号、器件本体；所述非金属衬底、所述矩形谐振腔、所述受控端、所述第一输入端、所述第二输入端和所述输出端都在所述器件本体的表面上，所述非金属衬底为石英基板，所述矩形谐振腔为第一石墨烯纳米线，所述矩形谐振腔位于所述器件本体中央，所述第一输入端、所述第二输入端和所述受控端均为第二石墨烯纳米线，所述受控端位于所述矩形谐振腔正上方，所述第一输入端和所述第二输入端位于所述矩形谐振腔的两侧，所述输出端位于所述矩形谐振腔正下方，所述信号光为所述矩形谐振腔的谐振波长，所述信号光的入射方向为所述器件本体正上方，所述第一输入端和所述第二输入端对应的所述输入信号为电信号，所述器件本体对应的所述输出信号为透过器件下表面的光信号。

在一个或多个实施例中，优选地，所述非金属衬底的长度为800nm至1200nm，所述非金属衬底的宽度为1000nm至1500nm，所述非金属衬底的厚度为100nm至200nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述第一石墨烯纳米线的长度为100nm至660nm，所述第一石墨烯纳米线的宽度为100nm至500nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述受控端与所述矩形谐振腔的距离为50nm至100nm；所述第一输入端、所述第二输入端与所述矩形谐振腔的距离均为30nm至120nm；所述输出端与所述矩形谐振腔的距离为40nm至100nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述受控端与一个可调负载的第一电压源电连接，所述第一输入端、所述第二输入端分别与可调负载的第二电压源、第三电压源电连接。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法。

在一个或多个实施例中，优选地，所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法具体包括：

通过负载电压控制受控端的费米能级；

获取所述受控端的当前状态，其中，所述当前状态包括模式一状态和模式二状态；

当所述受控端处于所述模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号；

当所述受控端处于所述模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号。

在一个或多个实施例中，优选地，当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式一状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第一费米能级；

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式二状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第二费米能级。

在一个或多个实施例中，优选地，所述当所述受控端处于所述模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号，具体包括：

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式一状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号。

在一个或多个实施例中，优选地，所述当所述受控端处于所述模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号，具体包括：

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式二状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光分别耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，所述信号光经过所述矩形谐振腔耦合到输出端，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光从输入端耦合进所述矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号。

根据本发明实施例第三方面，提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现本发明实施例第二方面中任一项所述的步骤。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

采用亚波长结构下的微纳光学器件，通过添加受控端，通过切换受控端的工作状态，控制谐振波长在器件谐振腔内进行破坏性干涉，进而便能够用一个波长为λ的信号光在一个结构上同时实现多个逻辑运算功能，无需改变输入信号光的波长或器件结构的参数大小，实现了光学逻辑器件的结构简易性，可操作性强，功能多样化，易集成且易操作的特点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的结构图。

图2是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法的流程图。

图3是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的当所述受控端处于模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号的流程图。

图4是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的在受控端处于模式一状态时，实现异或门逻辑运算时输入不同二进制信号的信号光透射图。

图5是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的当所述受控端处于模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号的流程图。

图6是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的在受控端处于模式二状态时，实现异或非门逻辑运算时输入不同二进制信号的信号光透射谱。

图7是本发明一个实施例中一种电子设备的结构图。

具体实施方式

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电子逻辑器件作为电子集成电路的重要组成元件之一，在对信息的传输与数据的处理上扮演着非常重要的角色。在近几十年里，电子逻辑器件由于受到其自身固有的热损耗和延迟差等缺陷的影响，极大地限制了信息传输与数据处理技术在未来的发展。近年来，亚波长结构的微纳器件由于体型小、结构紧凑、低成本、高效率等特点，在微计算系统和高度集成化系统中具有重大的应用前景，引起了极大的关注，诸多基于石墨烯的光子微纳结构和器件被相继提出并广泛应用于各个领域之中。例如，运用于生物传感领域中的光学微纳传感器、运用于微成像领域中的光学微纳透镜、运用于光电集成一体化系统的光学开关、光学逻辑门、光学探测器等。

与电子逻辑器件相比，光学逻辑器件以其低损耗、低成本、超高速、超宽带等优点而受到了广泛的关注与研究，被认为是取代电子逻辑器件的候选器件，并有望成为大规模光子集成电路的重要板块之一，实现对信息以及数据的超高速、低损耗、大容量传输与处理。

在本发明技术之前，现有的技术多采用电子逻辑器件，导致成本高，速度慢。少部分方案采用了光逻辑器件，但是尚无法实现一个波长下多个逻辑功能操作，导致在进行多个逻辑操作时，需要反复的变换信号光的波长，操作过程复杂。

本发明实施例中，提供了一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件及其操作方法。该方案通过采用亚波长结构的微纳米光器件，利用受控端使光学逻辑器件对同一入射波长上实现多个逻辑操作。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件。

图1是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的结构图。

如图1所示，在一个或多个实施例中，优选地，所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件具体包括：非金属衬底101、矩形谐振腔102、受控端103、第一输入端104、第二输入端105、输出端106、信号光107、输入信号108、输出信号109、器件本体110；所述非金属衬底101、所述矩形谐振腔102、所述受控端103、所述第一输入端104、所述第二输入端105和所述输出端106都在所述器件本体110的表面上，所述非金属衬底101为石英基板，所述矩形谐振腔102为第一石墨烯纳米线，所述矩形谐振腔102位于所述器件本体110中央，所述第一输入端104、所述第二输入端105和所述受控端103均为第二石墨烯纳米线，所述受控端103位于所述矩形谐振腔102正上方，所述第一输入端104和所述第二输入端105位于所述矩形谐振腔102的两侧，所述输出端106位于所述矩形谐振腔102正下方，所述信号光107为所述矩形谐振腔102的谐振波长，所述信号光107的入射方向为所述器件本体110正上方，所述第一输入端104和所述第二输入端105对应的所述输入信号108为电信号，所述器件本体110对应的所述输出信号109为透过器件下表面的光信号。

在本发明实施例中，通过切换受控端103的工作状态，控制谐振波长在器件谐振腔内进行破坏性干涉，进而便能够用一个波长为λ的信号光107在一个结构上同时实现多个逻辑运算功能，无需改变输入信号108光107的波长或器件结构的参数大小。

在一个或多个实施例中，优选地，所述非金属衬底101的长度为800nm至1200nm，所述非金属衬底101的宽度为1000nm至1500nm，所述非金属衬底101的厚度为100nm至200nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述第一石墨烯纳米线的长度为100nm至660nm，所述第一石墨烯纳米线的宽度为100nm至500nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述受控端103与所述矩形谐振腔102的距离为50nm至100nm；所述第一输入端104、所述第二输入端105与所述矩形谐振腔102的距离均为30nm至120nm；所述输出端106与所述矩形谐振腔102的距离为40nm至100nm。

在一个或多个实施例中，优选地，所述受控端103与一个可调负载的第一电压源电连接，所述第一输入端104、所述第二输入端105分别与可调负载的第二电压源、第三电压源电连接。

在一个或多个实施例中，优选地，逻辑器件的性能可由对比度来评估，对比度可以定义为：CR(dB)＝10×log(T_ON/T_OFF)，其中，CR(dB)为逻辑器件的对比度，TON为信号光107的最大透过率，TOFF为信号光107的最小透过率。

在一个或多个实施例中，优选地，非金属衬底101的尺寸大小为1200nm×1100nm×200nm，所用石英材料的折射率为1.53。

在一个或多个实施例中，优选地，所用石墨烯材料的散射速率为0.00011eV，费米速率为1000000m/s。

在一个或多个实施例中，优选地，受控端103的尺寸大小为500nm×100nm；输入端的尺寸大小为100nm×600nm；矩形谐振腔102的尺寸大小为650nm×600nm；输出端106的尺寸大小为100nm×600nm。

在一个或多个实施例中，优选地，受控端103、输入端、输出端106与矩形谐振腔102的距离分别为80nm、100nm、100nm。

在本发明实施例中，将信号光107选择波长为40μm的太赫兹光波来实现两种逻辑门操作，但信号光107并不只局限于波长为40μm的太赫兹光，同时逻辑门操作的实现也不并局限于两种。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法。

图2是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法的流程图。

在一个或多个实施例中，优选地，所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法具体包括：

S201、通过负载电压控制受控端的费米能级；

S202、获取所述受控端的当前状态，其中，所述当前状态包括模式一状态和模式二状态；

S203、当所述受控端处于所述模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号；

S204、当所述受控端处于所述模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号。

在本发明实施例中，通过调控受控端两端的负载电压来控制受控端的工作状态，而受控端不同的工作状态会导致输入信号光在器件矩形谐振腔内表现出不同的光学效应，利用这一特性，我们设计了在一个亚波长结构下，运用一个波长为λ的输入信号光便可实现多种复杂逻辑操作的光学逻辑器件。

在一个或多个实施例中，优选地，当调节负载电压使得所述受控端处于模式一状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第一费米能级；

当调节负载电压使得所述受控端处于模式二状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第二费米能级。

在本发明实施例中，所述受控端与输入端的费米能级可由负载电压来调节，当调节负载电压使得受控端处于模式一状态，即受控端石墨烯纳米线的费米能级为第一费米能级时，受控端石墨烯纳米线内并不满足光学谐振效应，输入信号光不能从受控端耦合进矩形谐振腔内。

在本发明实施例中，所述受控端与输入端的费米能级可由负载电压来调节，当调节负载电压使得受控端处于模式二状态，即受控端石墨烯纳米线的费米能级为第二费米能级时，受控端石墨烯纳米线内满足光学谐振效应，输入信号光可从受控端耦合进矩形谐振腔内

具体的，信号光沿入射到器件表面；在受控端施加负载电压，使其处于“工作”或“不工作”状态；通过在输入端施加负载电压，改变输入端石墨烯纳米线的费米能级，并以此为依据，按顺序确定输入二进制状态；在器件下表面处，根据信号光的透射率大小来确定输出端的输出二进制状态。

在本发明实施例中，所述器件本体的谐振波长可随石墨烯纳米线的费米能级的改变、器件结构参数的改变而发生改变，所以信号光并不局限于某一特定或具体波长的光波，可发生改变；这里为了说明器件工作原理以0eV、0.54eV两个数值为例，但石墨烯纳米线的费米能级也并只不局限于0eV、0.54eV两个数值的调节，其可由负载电压实现调节到其它数值。

图3是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的当所述受控端处于模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号的流程图。

在一个或多个实施例中，优选地，所述当所述受控端处于模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号，具体包括：

S301、当调节负载电压使得所述受控端处于模式一状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

S302、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，在所述器件本体下表面探测光信号；

S303、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

S304、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号；

S305、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号。

在本发明实施例中，以第一费米能级和第二费米能级分别为0eV和0.54eV为例，当调节负载电压使得受控端处于模式一状态时，具体的包括如下三种情况：

(1)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级都为0.54eV)时，信号光从输入端耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，使得石英基板介质对信号光的吸收较为强烈，但与此同时从受控端耦合到矩形谐振腔内的信号光并未发生破坏性干涉，仍可通过谐振腔耦合到输出端，故此时在器件下表仍可探测到一个较强的光信号，具体表现为信号光的透射率较高；(2)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级都为0eV)时，虽然输入端石墨烯纳米线并不满足光学谐振条件，但此时受控端处于模式二状态，可满足谐振条件，信号光可经过矩形谐振腔，耦合到输出端，此时在器件下表可探测到一个较强的光信号，具体表现为信号光的透射率较高；(3)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级各不相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级为0eV、0.54eV或者0.54eV、0eV)时，信号光从费米能级为0.54eV的输入端石墨烯纳米线耦合进矩形谐振腔内，并与从受控端耦合进矩形谐振腔内的信号光发生了破坏性干涉，使得石英基板介质对信号光的吸收较为强烈，只有很少一部分能量经过谐振腔耦合进输出端，此时在器件下表可探测到一个较弱的光信号，具体表现为信号光的透射率较低。

图4是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的在受控端处于模式一状态时，实现异或门逻辑运算时输入不同二进制信号的信号光透射图。

调节受控端处的负载电压，使其处于模式一状态(对应的逻辑二进制数为“0”)，实现逻辑对比度为18dB的异或门逻辑运算。

信号光为波长40μm的太赫兹光波。

调控输入端石墨烯纳米线的负载电压，使得输入端的两条石墨烯纳米线的费米能级都为0.54eV时，信号光由输入端石墨烯纳米线耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，这一电磁效应造成了介质对信号光的吸收到达一个最大值，此时信号光的透射率达到一个低值；调控输入端两端石墨烯纳米线的负载电压，使得输入端的一条石墨烯纳米线的费米能级为0.54e V，另一条石墨烯纳米线的费米能级为0eV时，信号光由输入端石墨烯纳米线耦合进去矩形谐振腔内，在满足光的谐振条件下，信号光的能量经过矩形谐振腔耦合到输出端石墨烯纳米线上，此时信号光具有一个较大的透射率值；调控输入端石墨烯纳米线的负载电压，使得输入端的两条石墨烯纳米线的费米能级都为0eV时，此时既不满足谐振条件，也不满足破坏性干涉现象的产生条件，绝大部分光能量被局域在矩形谐振腔内，只有很少一部分光能量被耦合到输出端，此时信号光的透射率较低。

调控输入端石墨烯纳米线的负载电压，可改变其费米能级。当输入端石墨烯纳米线的费米能级为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”；当输入端石墨烯纳米带的费米能级为0eV时，对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”。

按照顺序确定输入端的输入二进制态，当输入端的输入二进制态为逻辑状态“00”时，此时既不满足谐振条件，也不满足破坏性干涉现象的产生条件，绝大部分光能量被局域在矩形谐振腔内，只有很少一部分光能量被耦合到输出端，这就意味着器件下表面探测到的信号光透射率较低，目标信号光的透射率为0.015；当输入端的输入二进制态为逻辑状态“11”时，此时信号光由输入端石墨烯纳米线耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，这一电磁效应造成了介质对目标信号光的吸收到达一个最大值，只有少部分光能量耦合到输出端，这意味着器件下表面探测到的信号光透射率达到一个低值，此时的目标信号光透射率为0.093；当输入端的输入二进制态为逻辑状态“01”或“10”时，此时目标信号光由输入端石墨烯纳米带耦合进去矩形谐振腔内，在满足光的谐振条件下，信号光的能量经过矩形谐振腔耦合到输出端石墨烯纳米带上，此时在器件下表面可探测到目标信号光具有一个较大的透射率值，此时信号光的透射率为0.962或0.780。

这里，信号光的透射率以数值0.1为临界点。即是当探测到目标信号光的透射率低于0.1时，输出端的输出二进制低状态为逻辑状态“0”；反之若高于0.1，则输出端的输出二进制高状态为逻辑状态“1”。则可知道，当输入端的逻辑状态为“00”或“11”时，输出端的逻辑状态为“0”；当输入端的逻辑状态为“01”或“10”时，输出端的逻辑状态为“1”。

图5是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的当所述受控端处于模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号的流程图。

如图5所示，在一个或多个实施例中，优选地，所述当所述受控端处于模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号，具体包括：

S501、当调节负载电压使得所述受控端处于模式二状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

S502、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光分别耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，所述信号光经过所述矩形谐振腔耦合到输出端，在所述器件本体下表面探测光信号；

S503、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光从输入端耦合进所述矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

S504、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

S505、通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号。

在本发明实施例中，以第一费米能级和第二费米能级分别为0eV和0.54eV为例，当调节负载电压使得受控端处于模式二状态时，具体的包括如下三种情况：

(1)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级都为0.54eV)时，信号光从输入端耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，使得石英基板介质对信号光的吸收较为强烈，但与此同时从受控端耦合到矩形谐振腔内的信号光并未发生破坏性干涉，仍可通过谐振腔耦合到输出端，故此时在器件下表仍可探测到一个较强的光信号，具体表现为信号光的透射率较高；(2)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级都为0eV)时，虽然输入端石墨烯纳米线并不满足光学谐振条件，但此时受控端处于模式二状态，可满足谐振条件，信号光可经过矩形谐振腔，耦合到输出端，此时在器件下表可探测到一个较强的光信号，具体表现为信号光的透射率较高；(3)信号光从器件正上方入射到器件表面，若此时通过调节输入端的负载电压使得输入端石墨烯纳米线的费米能级各不相同(即两个输入端石墨烯纳米线的费米能级为0eV、0.54eV或者0.54eV、0eV)时，信号光从费米能级为0.54eV的输入端石墨烯纳米线耦合进矩形谐振腔内，并与从受控端耦合进矩形谐振腔内的信号光发生了破坏性干涉，使得石英基板介质对信号光的吸收较为强烈，只有很少一部分能量经过谐振腔耦合进输出端，此时在器件下表可探测到一个较弱的光信号，具体表现为信号光的透射率较低。

图6是本发明一个实施例的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件操作方法中的在受控端处于模式二状态时，实现异或非门逻辑运算时输入不同二进制信号的信号光透射谱。

调节受控端处的负载电压，使其处于“工作”状态(对应的逻辑二进制数为“1”)，实现逻辑对比度为13dB的异或非门逻辑运算。

信号光为波长40μm的太赫兹光波。

调控输入端石墨烯纳米线的负载电压，使得输入端的两条石墨烯纳米线的费米能级都为0.54eV时，信号光由输入端石墨烯纳米线耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，这一电磁效应造成了介质对信号光的吸收较大，但此时由受控端耦合到矩形谐振腔的信号光并未发生破坏性干涉，依旧可经过矩形谐振腔耦合到输出端，在器件下表面依旧可以探测到一个较高的信号光透射率；调控输入端石墨烯纳米带的负载电压，使得输入端的两条石墨烯纳米线的费米能级都为0eV时，由于受控端处于“工作”状态，此时满足光的谐振条件，信号光能量可经过矩形谐振腔耦合到输出端石墨烯纳米线上，此时在器件下表面可探测到信号光具有一个较大的透射率值；调控输入端两端石墨烯纳米线的负载电压，使得输入端的一条石墨烯纳米线的费米能级为0.54ev，另一条石墨烯纳米线的费米能级为0ev时，信号光分别从输入端的一个端口和受控端耦合到矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，使得介质对目标信号光的吸收到达一个最大值，此时目标信号光的透射率达到一个低值。

调控输入端石墨烯纳米线的负载电压，可改变其费米能级。当输入端石墨烯纳米线的费米能级为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”；当输入端石墨烯纳米线的费米能级为0eV时，对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”。

按照顺序确定输入端的输入二进制态，当输入端的输入二进制态为逻辑状态“01”或“10”时，由于信号光分别从逻辑状态为“1”的输入端和受控端耦合到矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，使得介质对信号光的吸收较大，在器件下表面可探测到一个较低的信号光透射率值，此时信号光的透射率为0.053或0.056；当输入端的输入二进制态为逻辑状态“11”时，信号光由输入端石墨烯纳米带耦合进矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，这一电磁效应造成了介质对信号光的吸收到达一个最大值，但此时由受控端耦合到矩形谐振腔的信号光并未发生破坏性干涉，依旧可经过矩形谐振腔耦合到输出端，在器件下表面依旧可以探测到较高的信号光透射率，目标信号光的透射率为0.958；当输入端的输入二进制态为逻辑状态“00”时，由于此时的受控端处于“工作”状态，满足了光的谐振条件，信号光能量可经过矩形谐振腔耦合到输出端，此时在器件下表面可探测到信号光具有一个较大的透射率值，信号光的透射率为0.969。

这里，目标信号光的透射率以数值0.1为临界点。即是当探测到目标信号光的透射率低于0.1时，输出端的输出二进制低状态为逻辑状态“0”；反之若高于0.1，则输出端的输出二进制高状态为逻辑状态“1”。则可知道，当输入端的逻辑状态为“00”或“11”时，输出端的逻辑状态为“1”；当输入端的逻辑状态为“01”或“10”时，输出端的逻辑状态为“0”。

根据本发明实施例第三方面，提供一种电子设备。图7是本发明一个实施例中一种电子设备的结构图。图7所示的电子设备为通用光学逻辑器件操作装置，其包括通用的计算机硬件结构，其至少包括处理器701和存储器702。处理器701和存储器702通过总线703连接。存储器702适于存储处理器701可执行的指令或程序。处理器701可以是独立的微处理器，也可以是一个或者多个微处理器集合。由此，处理器701通过执行存储器702所存储的指令，从而执行如上所述的本发明实施例的方法流程实现对于数据的处理和对于其它装置的控制。总线703将上述多个组件连接在一起，同时将上述组件连接到显示控制器704和显示装置以及输入/输出(I/O)装置705。输入/输出(I/O)装置705可以是鼠标、键盘、调制解调器、网络接口、触控输入装置、体感输入装置、打印机以及本领域公知的其他装置。典型地，输入/输出装置705通过输入/输出(I/O)控制器706与系统相连。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

采用亚波长结构下的微纳光学器件，通过添加受控端，通过切换受控端的工作状态，控制谐振波长在器件谐振腔内进行破坏性干涉，进而便能够用一个波长为λ的信号光在一个结构上同时实现多个逻辑运算功能，无需改变输入信号光的波长或器件结构的参数大小，实现了光学逻辑器件的结构简易性，可操作性强，功能多样化，易集成且易操作的特点。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件，其特征在于，包括：非金属衬底、矩形谐振腔、受控端、第一输入端、第二输入端、输出端、信号光、输入信号、输出信号、器件本体；所述非金属衬底、所述矩形谐振腔、所述受控端、所述第一输入端、所述第二输入端和所述输出端都在所述器件本体的表面上，所述非金属衬底为石英基板，所述矩形谐振腔为第一石墨烯纳米线，所述矩形谐振腔位于所述器件本体中央，所述第一输入端、所述第二输入端和所述受控端均为第二石墨烯纳米线，所述受控端位于所述矩形谐振腔正上方，所述第一输入端和所述第二输入端位于所述矩形谐振腔的两侧，所述输出端位于所述矩形谐振腔正下方，所述信号光为所述矩形谐振腔的谐振波长，所述信号光的入射方向为所述器件本体正上方，所述第一输入端和所述第二输入端对应的所述输入信号为电信号，所述器件本体对应的所述输出信号为透过器件下表面的光信号。

2.如权利要求1所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件，其特征在于，所述非金属衬底的长度为800nm至1200nm，所述非金属衬底的宽度为1000nm至1500nm，所述非金属衬底的厚度为100nm至200nm。

3.如权利要求1所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件，其特征在于，所述第一石墨烯纳米线的长度为100nm至660nm，所述第一石墨烯纳米线的宽度为100nm至500nm。

4.如权利要求1所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件，其特征在于，所述受控端与所述矩形谐振腔的距离为50nm至100nm；所述第一输入端、所述第二输入端与所述矩形谐振腔的距离均为30nm至120nm；所述输出端与所述矩形谐振腔的距离为40nm至100nm。

5.如权利要求1所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件，其特征在于，所述受控端与一个可调负载的第一电压源电连接，所述第一输入端、所述第二输入端分别与可调负载的第二电压源、第三电压源电连接。

6.一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法，其特征在于，该方法包括：

通过负载电压控制受控端的费米能级；

获取所述受控端的当前状态，其中，所述当前状态包括模式一状态和模式二状态；

当所述受控端处于所述模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号；

当所述受控端处于所述模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号。

7.如权利要求6所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法，其特征在于，当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式一状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第一费米能级；

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式二状态时，所述受控端的石墨烯纳米线的费米能级为第二费米能级。

8.如权利要求6所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法，其特征在于，所述当所述受控端处于所述模式一状态时，通过负载电压控制第一输入端和第二输入端的费米能级，输入的信号光不能从所述受控端耦合进矩形谐振腔内，在器件本体下表面探测光信号，具体包括：

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式一状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，在满足光学谐振条件的前提下，输入端石墨烯纳米线耦合到所述矩形谐振腔，在所述器件本体下表面探测光信号。

9.如权利要求6所述的一种多逻辑功能的太赫兹微纳光学逻辑器件的操作方法，其特征在于，所述当所述受控端处于所述模式二状态时，通过负载电压控制所述第一输入端和所述第二输入端的费米能级，输入的所述信号光从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内，在所述器件本体下表面探测光信号，具体包括：

当调节负载电压使得所述受控端处于所述模式二状态时，所述信号光从器件正上方入射到器件表面；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光分别耦合进所述矩形谐振腔内，在谐振腔内发生破坏性干涉，所述第一输入端和所述第二输入端不满足光学谐振条件，所述信号光经过所述矩形谐振腔耦合到输出端，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光从输入端耦合进所述矩形谐振腔内，并在谐振腔内发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第一费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第二费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号；

通过调节所述第一输入端的负载电压使得所述第一输入端的为第二费米能级，通过调节所述第二输入端的负载电压使得所述第二输入端的为第一费米能级，所述信号光耦合进所述矩形谐振腔内，并与从所述受控端耦合进所述矩形谐振腔内的所述信号光发生破坏性干涉，在所述器件本体下表面探测光信号。

10.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器用于存储一条或多条计算机程序指令，其中，所述一条或多条计算机程序指令被所述处理器执行以实现如权利要求6-9任一项所述的步骤。

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