一种通用线性光学全光逻辑门制造技术

本实用新型专利技术公开了一种通用线性光学全光逻辑门。本实用新型专利技术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。

A universal linear optical all-optical logic gate

The utility model discloses a universal linear optical all-optical logic gate. The utility model adopts the first and the second logic input ports and the invariant input ports to connect to the main waveguide through the first to the third branch waveguide respectively, and the main waveguide is connected to the output port, thus forming an all-optical logic gate structure, respectively adjusting the intensity of the first to the third excited light, and adjusting the first to the third excited light. The phase difference controls the complex amplitude of the light field contributed by the first and second logic input ports and the invariant input ports to the output ports, thereby realizing seven different linear optical all-optical logic gates in a single all-optical logic gate structure; for or logic gates, non-logic gates, exclusive or logic gates, identical or logic gates, and With non-logic gates, the output state of all-optical logic gates based on linear optics is infinite under the two states of logic \1\ and logic \0\.

【技术实现步骤摘要】
一种通用线性光学全光逻辑门
本技术涉及线性光学技术，具体涉及一种通用线性光学全光逻辑门。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本技术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，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。本技术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，并且设置相位调节器调节；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，调节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，即分别调节α、β和γ，从而实现七个逻辑门：当α＝1，β＝ei2π/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＝ei2π/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。本技术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。本技术的优点：本技术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，调节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为本技术的通用线性光学全光逻辑门的一个实施例的示意图；图2为本技术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为本技术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为本技术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，进一步阐述本技术。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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，并且设置相位调节器；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；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，调节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。...

【技术特征摘要】
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，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，并且设置相位调节器；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，廖慧敏，李嘉宇，彭昌南，孙成伟，陈建军，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：新型
国别省市：北京,11