[发明专利]基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件

说明书

本发明涉及一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，包括金属衬底；所述金属衬底的上表面刻蚀可传导表面等离子激元的金属‑介质‑金属波导，所述波导包括:对称设置的信号光输入波导，对称设置的泵浦光波导，以及输出波导；所述信号光输入波导一端为信号光输入端口，另一端与所述输出波导的一端连通，所述输出波导的另一端为输出端口；所述泵浦光波导设置在信号光输入波导的旁侧，其一端为泵浦光输入端口，另一端为位于所述金属衬底内部的截止端；所述信号光输入波导填充有非线性材料介质，且所述非线性材料介质的横截面高度不低于所述信号光输入波导横截面的深度。本发明可实现全光控制及多比特输入。

技术领域

本发明涉及全光通信或全光计算技术领域,具体涉及一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其属于全光控制、多比特输入的微纳光学逻辑门器件。

背景技术

基于光学非线性材料的全光逻辑门器件是实现高速信息传输和处理的基础。全光逻辑门直接在光域上实现各种逻辑操作，无需经过光-电-光的转换过程。在未来的全光网络中，光交换、光计算和光传输是实现全光信号处理的核心单元，而它们都需要用到全光数字逻辑操作也就是要以全光控制逻辑门为基础工作。光交换可以分为光线路交换、光突发交换和光分组交换，光控制逻辑门是实现光交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，光交换技术的最终发展趋势是光控光交换。此外，全光逻辑门还可以实现全光信号提取、全光地址识别和全光复用解复用等，在未来的全光高速通信网络和新一代光计算机中将有着巨大的应用潜力。

目前，由于光逻辑器件的功能仍较简单，不能完成部分复杂的逻辑处理功能，分组交换单元仍然由电信号控制，速度受到很大的限制。传统的逻辑门器件往往只有单比特或者二比特的输入，且通常有结构复杂、体积较大、速度慢、效率低、功能单一等缺陷。

多比特输入光逻辑器件是未来逻辑门发展的趋势。随着新一代光学逻辑器件的发展，多比特输入成为一种发展大势，在应用于光交换、光计算和光传输中具有非常显著的优越性。在未来的超高速光纤系统、全光信息处理及光子计算机系统中，多比特输入全光数字逻辑器件将成为必不可少的基本单元。多比特输入全光逻辑门控制可以克服传统电学逻辑门中的速度瓶颈、功耗、门延时以及由门延时而带来的竞争与冒险的问题，达到提高光信息处理与光计算中信息处理速度的目的，并保持器件的小体积、多功能、低功耗及低成本。

基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polarions，简称SPPs)的全光逻辑器件是近年来研究的热点。SPPs具有非常特别的性质。在亚波长范围内的SPPs会限制电磁波；因此，基于表面等离子体激元的全光逻辑器件的器件可以克服衍射极限带来应用上的缺点。 SPPs是电磁波与金属自由电子之间的相互作用，在金属介电界面上传播。到目前为止，各种新型等离子体器件，如纳米复合体、多路复用器、分路器、耦合器、谐振器、短波导、布拉格反射器、混合等离子波导、开关和逻辑门等都已被研究，是应用广泛的一种新型器件，具有很大的发展前景。

金属-介质-金属(MIM)在表面等离激元材料领域中由于其具有多个金属-介质界面，可以产生多个表面等离极化激元模式，对于研究光的吸收和局域的特性是非常理想的研究对象。表面等离子体激元(SPPs)，在金属-介质-金属(MIM)波导结构中形成耦合的SPPs，对能量具有较强的束缚性，这有助于实现集成度更高的光子电路。近年来，基于MIM波导结构的光学器件得到了广泛的研究与应用，例如滤波器、布拉格反射器、谐振器、表面等离子体共振((SPR)传感器等。

根据以上介绍，基于非线性材料的微纳多比特输入的全光控制逻辑门器件可以解决现有逻辑门器件存在的结构复杂、体积较大、速度慢、效率低、功能单一等问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于非线性材料介质的全光控制逻辑门器件，其能够实现全光控制及多比特输入，并具有结构简单、体积小、速度快、效率高等特点。