专利名称：一种基于等离激元实现逻辑计算的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于表面等离激元构建逻辑和计算回路的方法，特别涉及利用金属纳米波导构建逻辑和计算网络的方法。
背景技术：
随着现代纳米加工技术的发展，集成电路上晶体管的数量已经接近于其物理极限，器件之间的连接问题和功耗问题成为制约芯片性能的重要因素。因此探索新的可用于信息处理的材料和方法就成为一个重要的课题。与电子相比，光子作为信息的载体具有很多优点，如高速度、高带宽、高密度等。金属纳米结构在入射光的作用下可以产生表面等离激元-自由电子的集体振荡， 在一维金属纳米波导中表面等离激元可沿纳米波导传播。当波导的直径变得比较小时，介质波导已经不能将能量束缚在波导内，而是在波导外的空间会有严重的扩展。而金属纳米波导由于表面等离激元的特性，能量可以被限制在纳米波导附近。近年来表面等离激元光子学的发展使其展现出了用于信息科技的潜力。
发明内容
本发明提供了一种基于等离激元的逻辑和计算回路的实现方法通过金属纳米波导中传播的表面等离激元的干涉效应，实现对等离激元元件中输出信号强度的调控，从而实现基本的逻辑运算和二进制计算。基于这些逻辑运算，可以实现更复杂的计算。本发明的目的是通过以下技术方案实现的根据本发明的第一方面，提供一种基于等离激元实现逻辑计算的装置，包括输入模块、计算模块和输出模块，其中所述输入模块由光源和一维金属纳米波导的一端构成，用于将预定强度的光输入到计算模块中；所述计算模块是由几条金属纳米波导组成的特定结构，通过等离激元干涉对输入的信号进行处理；所述输出模块，由一维金属纳米波导的另一端和探测器构成，用于对计算处理的结果进行输出和探测。在上述装置中，所述一维金属纳米波导为纳米线、纳米带或纳米沟槽。在上述装置中，所述一维金属纳米波导的材料为金、银、钼、铜和铝中的任意一种或多种。在上述装置中，所述一维金属纳米波导通过化学方法或者微纳米加工方法制备。在上述装置中，输入模块中的光源是激光，电激发的纳米光源。在上述装置中，所述化学方法为溶液方法或气相方法，所述微纳米加工方法为光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀或纳米压印。根据本发明的第一方面，提供一种基于等离激元实现逻辑计算的方法，其中
(1)如权利要求1所述的装置是实现逻辑计算的基本单元；(2)输入光信号的特定偏振和相位决定输出信号的强度；(3)实现逻辑与、或、非、异或、与非、或非；(4)实现二进制的计算。在上述方法中，对输入光信号相位的调制通过对金属纳米波导长度的特定设计来实现。与现有技术相比，本发明的优点在于本发明通过金属纳米波导实现器件网络(集成电路、芯片)中光信号的传输，在同一个纳米波导中可以实现多个光学信号的同时传输，可以极大地减少器件之间连线的数量，增加带宽，减少功耗，并且可以提高信息传输的速度。发明原理光可以激发金属纳米结构中的表面等离激元，在一维金属纳米波导中，表面等离激元可以沿着纳米波导传播。在传播过程中，表面等离激元沿纳米波导形成一定的电场分布，通过改变输入光的偏振方向，以及改变两束激发光的相位差，可以改变纳米波导周围电场的分布。在由多个纳米波导组成的分支结构或网络中，通过控制纳米波导上的电场分布， 可以控制光在纳米波导中传播时的强度和方向，从而控制输出的光强。将某一光强值设定为阈值，输出强度小于此阈值时为0，输出强度大于此阈值时为1，有了对输出为0或1的控制，则可以设计各种逻辑门，实现逻辑运算和更高级的计算。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明，其中图Ia是根据本发明的实施例用银纳米线构建的四端器件的SEM图；图Ib是根据本发明示例1实现与门的结构示意图；图2是根据本发明示例2实现或门的结构示意图；图3是根据本发明示例3实现非门的结构示意图；图4是根据本发明示例4实现异或门的结构示意图；图5是根据本发明示例5实现或非门的结构示意图；图6是根据本发明示例6实现与非门的两种结构示意图；图7是根据本发明示例7实现两位二进制数加法器的结构示意图；图8是根据本发明示例8实现两位二进制数减法器的结构示意图。
具体实施例方式具体来说，本发明提供一种采用等离激元实现逻辑计算功能的装置，该装置包括输入模块、计算模块和输出模块。其中，输入模块由光源和一维金属纳米波导的一端构成，由于在本发明中主要利用光激发所产生的表面等离激元作为传播介质，因此光源一般可以选择能够激发金属纳米结构的表面等离激元的激光，电激发的纳米光源和其他器件的输出光信号。所述预定的光强度是指在入射之前，本领域普通技术人员首先根据需要而设定一个光强度阈值，如果入射光强度小于此阈值，则输入信号为0，如果大于此阈值则，输入信号为1，然后根据期望实现的具体逻辑运算，选择合适的光强度入射。所述计算模块是由几条金属纳米波导组成的特定结构，该结构用的波导一般采用化学方法或者微纳米加工方法(光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等)制备，包括金属纳米线、纳米带、纳米沟槽，所述金属纳米波导的材料可以为金、银、钼、铜和铝中的任意一种或多种。在本发明中，一维金属纳米波导的个数一般在两个或两个以上，并且排成特定结构(如图Ia所示)。该特定结构一般可以通过微操纵器等设备将利用化学方法所制备的波导排成特定的结构，也可以直接利用微纳米加工技术制备具有特定结构的波导，所述化学方法包括但不限于溶液方法和气相方法，所述微纳米加工方法包括但不限于光刻、 电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米压印。在不同输入端激发的等离激元会发生相互干涉， 干涉的结果导致输出光信号的强度可以增强或者减弱，即输出信号可以为1或者0。对于一个特定的结构，某一特定的输入相位将会产生某一特定的输出1或者0。该装置还包括输出模块，其由一维金属纳米波导的另一端和探测器构成。探测器可以是微型化的光电转换装置或者是下一级逻辑计算装置的输入模块。本发明还提供了一种基于等离激元实现逻辑计算功能的方法，以下通过示例具体说明利用本发明上述实施例的装置及方法所实现的几个典型的逻辑功能。示例 1 禾口 2 图Ib是根据本发明示例1实现与门的结构示意图。其中装置的计算模块共同由三根纳米线1’构成。如图1所示，将两束相干光分别从上面两根纳米线的左侧端输入，将其称为输入端ι和输入端2，通过选择两束光的特定偏振和相位，可以控制输出端的光强。 若定义大于等于某一个强度值为1，小于此强度值为0，则可以控制输出为0或1，从而实现逻辑与(AND,图1)、逻辑或(OR,图2)。示例3至6 若将一个输入端作为控制端，则可以实现逻辑非(NOT，图3)。通过改变一个输入光信号的相位，可以控制输出为0或1，相位的改变可以通过改变金属纳米波导的长度来实现，如图4所示为在三端器件中实现异或门O(OR)。与非门(NAND)和或非门(NOR)可以作为基本单元构建电子计算芯片中的各种逻辑门。它可以通过在或门和与门上增加一个控制端来实现，如图5和图6(1)所示。这种结构实际上可以看作是与门和或门分别跟非门的串联结构。通过调制控制端的信号强度，也可以通过图6 (2)所示的结构来实现与非门(NAND) 的功能。示例7至8 在四端器件(两个输入端、两个输出端)中，将两个输出分别定义为低位输出端和高位输出端，则可以实现两个一位二进制数的加法(图7)和减法(图8)。在图8所示的两个一位二进制数的减法运算中，高位输出端的输出可以作为运算结果的符号或者借位，例如0-1 = (11)表示0减1的结果等于-1或者向更高位的被减数借一位。基于这些基本的逻辑单元和加减运算单元，可以构造和实现更复杂的计算。尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
权利要求
1.基于等离激元实现逻辑计算的装置，包括输入模块、计算模块和输出模块，其中所述输入模块由光源和一维金属纳米波导的一端构成，用于将预定强度的光输入到计算模块中；所述计算模块是由几条金属纳米波导组成的特定结构，通过等离激元干涉对输入的信号进行处理；所述输出模块，由一维金属纳米波导的另一端和探测器构成，用于对计算处理的结果进行输出和探测。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一维金属纳米波导为纳米线、纳米带或纳米沟槽。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一维金属纳米波导的材料为金、银、钼、 铜和铝中的任意一种或多种。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一维金属纳米波导通过化学方法或者微纳米加工方法制备。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，输入模块中的光源是激光，电激发的纳米光源。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述化学方法为溶液方法或气相方法，所述微纳米加工方法为光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀或纳米压印。
7.一种基于等离激元实现逻辑计算的方法，其特征在于(1)如权利要求1所述的装置是实现逻辑计算的基本单元；(2)输入光信号的特定偏振和相位决定输出信号的强度；(3)实现逻辑与、或、非、异或、与非、或非；(4)实现二进制的计算。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对输入光信号相位的调制通过对金属纳米波导长度的特定设计来实现。
全文摘要
本发明提供了一种基于等离激元实现逻辑计算功能的装置及方法。该方法以金属纳米波导作为基本元件，设计不同的结构，通过选择输入光信号的特定偏振和相位实现对输出光强的控制。基于此，可以得到最基本的逻辑门(与门AND、或门OR和非门NOT)和一些其他逻辑门如XOR、NOR、NAND，并可以实现二进制的计算。
文档编号G02F3/00GK102156374SQ201110021040
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者娜奥米·哈拉斯, 徐红星, 李志鹏, 皮特·诺德兰德, 魏红 申请人:中国科学院物理研究所