[发明专利]基于开口孔共振耦合效应的等离激元全光逻辑器件

说明书

技术领域

本发明涉及光电子集成技术领域，特别涉及一种基于开口孔共振器的等离激元全光逻辑器件。

背景技术

当今微处理器的工艺水平，主要基于超快速纳米级的晶体管，尺寸在大约50纳米。目前快速晶体管的常规生产已不成问题，主要的问题在于如何将数字信息传送到微处理器的另一端，大约几厘米之遥。随着电路中集成晶体管的数目指数增加，采用铜导线连接它们，已经不能满足要求。连线中信息延迟的加剧，也已成为阻碍数字电路速度进一步提高的一个瓶颈。微处理器的提速，近一两年来，其年度增长率已明显地减缓。

光子互连元件能够携带数据的容量是电子互连器的100倍，然而，光纤光缆的尺寸是电子元件的100倍，由于尺度上不兼容，使两者难于集成于同一回路中。一个理想的解决途径是采用等离激元元件。

全光逻辑门在全光数字信号处理如光寻址、开关、奇偶校验、数字编码和加密，包括高速光网络通信等方面有潜在的应用。实现光逻辑门是获得光信号处理和光计算系统的基本要求。至今，逻辑门的研究工作主要是基于传统技术如光纤、波导干涉仪、半导体光放大器和微共振器。然而，传统技术有其内在的缺点，如基于光纤的逻辑门很难实现芯片上集成，基于介质波导干涉仪的逻辑门通常需要复杂的结构，减小尺寸也是一个挑战，半导体光放大器和微共振器不可避免地受自发辐射噪声的限制。光子晶体可用于集成芯片实现超快开关，显著减小尺寸和降低功耗。基于光子晶体平台的不同光逻辑门被报道了很多。但光子晶体需要周期性的结构，元件的尺寸仍然在数微米的量级，不利于大规模的集成，更不利于与成熟的电子线路的连接。而等离激元器件可以同时获得电子器件的集成度和光子器件的速度和信息量。基于表面等离激元的纳米光子学的发展，纳米技术与光子技术结合，使人们对等离激元结构的研究产生了浓厚的兴趣，如等离激元沟道波导，纳米粒子链，纳米柱等等，通过光子与电子相互作用在金属表面振荡来导光，使纳米量级光元件得到快速发展。然而，对这些波导来说，对光的限制程度和传输损耗之间需要平衡处理。最近，Margheri等人采用波浪形薄金属膜和具有三阶非线性光学效应的介质形成的多层结构实现了全光开关。Geum-Yoon Oh等人则报道了一种基于有源等离激元的新型全光逻辑门，通过外部光注入来调控有源层的折射系数。国内中科院物理所魏红等研制了基于金属纳米线的表面等离激元通用逻辑门，北京大学龚旗煌研究组则基于具有长程传输和亚波长强光场局域特性的新型表面等离激元波导结构，实现了“0”和“1”强度对比达24dB的超低功率、小型化的微纳全光逻辑门器件。南京大学祝世宁研究组提出了利用纳米三明治、开口环等结构构成磁等离激元模式传输的链路波导，但他们未将磁等离激元的结构应用于全光逻辑器件的研究。

发明内容

本发明设计了一种基于开口孔共振耦合效应的等离激元全光逻辑器件，需要解决耦合开口孔沿横向和纵向的位移对空气孔侧壁感应电流并联分流的影响问题，以及立方体颗粒外侧壁磁致感应电流引起等离激元波的干涉而导致的不同端口共振输出的强弱与波长的对应关系问题。需要对结构的各个参数优化，以使逻辑门的工作状态达到最优，同时又减少辐射损耗和欧姆损耗。

本发明基于开口孔磁等离激元共振耦合效应，利用三个开口孔共振器在横向和纵向两个维度调整以改变耦合强度，构建小尺寸、低功耗的等离激元全光逻辑器件。

这种等离激元全光逻辑器件为在立方体形的贵金属颗粒上刻蚀出空气狭槽和空气孔构成开口孔结构(狭槽穿过空气孔的中心)，由三个这样的开口孔沿纵向错位排布而构成，如图1所示。

优选地，器件所用材料可以是金，也可以是其他贵金属材料，如银、铜、铝等。立方体颗粒形状可以是正方体，也可以是长方体、多面体、圆柱体等。开口孔不限于单条空气狭槽，也可以根据对称性采用多条空气狭槽。

上述方案中，通过横向和纵向两个维度对开口孔之间的耦合距离作出调整，开口孔的中心不在沿纵向的直线上，使得空气孔两边的空气狭槽长度不等。逻辑器件的开口孔结构可以是两个、三个开口孔，也可以由更多个开口孔构成。

上述方案中，可以定义两个输入端、一个触发端和一个输出端构成逻辑与门，但这种结构不限于逻辑与，设置其他的输出端口，定义监测功率与输出状态关系，也可实现其他的逻辑功能。

本发明具有以下有益效果：

1、该逻辑器件利用开口孔共振结构的磁等离激元模式，相比一般的表面等离激元工作模式来说，具有低的辐射损耗和长的传输距离等优势。