一种实现轨道角动量复用的全光逻辑门及其实现方法

本发明为一种实现轨道角动量复用的全光逻辑门及其实现方法，属于全光计算、全光信息处理领域，尤其适用于制造微型化、高集成化的全光逻辑器件。

背景技术：

1、随着科学技术和大数据的飞速发展，互联网所需要的数据传输容量面临巨大的压力和挑战，传统电学信息处理设备由于电学响应时间的限制已达到速度瓶颈，“超大容量、超高速率、超长距离”的全光信息处理成为解决这一问题的有效方法。在全光计算中，全光逻辑门是全光信息处理不可或缺的关键元器件，目前已有许多基于表面等离子体极化子(surface plasm-on polaritons，spps)的线性相干全光逻辑门，这些研究已显著地推动了全光逻辑器件的微型化。然而，进一步提高器件集成依然是人们不断追求的目标。

2、光子轨道角动量复用是目前在光信息领域提高器件集成化的重要手段。理论上轨道角动量光束拥有无穷个正交态，因此可以利用不同的轨道角动量光束实现无穷个复用信道，截至目前，在光通信领域，人们已开展了大量的利用轨道角动量复用技术来增大信道容量的研究，包括通过独立操纵多个涡旋光模式和空间位置，允许复杂的多光调制函数响应逻辑输入[photonics research 9.10(2021):2116-2124.]、采用轨道角动量复用来增加空间的数据传输能力[nature photonics 6.7(2012):488-496]以及可以实现多路调制信号光的轨道角动量复用技术(中国专利:cn201710624741.0)。因此，能否利用彼此正交的轨道角动量光束在同一个表面等离子体逻辑器件上实现多套逻辑门的复用，从而进一步提高全光逻辑器件的微型化和集成度必然极具研究价值。

3、目前已经报道的全光逻辑门很多与涡旋光模式不兼容[nano letters 12.11(2012):5784-5 790；natural communications 2(2011):387；nanoscale 5.12(2013):5442-5449]，只有对涡旋光进行模态转换后才能进行全光信息的逻辑运算，这一实验过程的成本必然增加。在文献[jo urnal of the optical society of america b 24.9(2007):2517-2520；quantum information processing 18.8(2019):256.]中研究者们利用马赫-曾德尔干涉仪实现了涡旋光编码的全光逻辑非门，但是在实验过程中使用了反射镜等一些大体积的光学元件，无法提高设备的集成度。也有部分报道了关于涡旋光模式下的全光逻辑门，在文献[nanomaterials 9.12(2019):1649.]中研究者设计了一种环形槽结构的等离子体纳米天线，这种设计有效提高了设备的集成度，实现了涡旋光编码的全光逻辑门，但在该结构上不能实现xor逻辑门运算，在or,and,nor和nand逻辑门中，不同输入逻辑态下的相同输出逻辑态对应的输出强度不一致，不利于实际应用中的级联设计。在(中国专利:cn202011175705.9)中发明人发明了一种基于二元相移键控的涡旋光编码全光逻辑门及其实现方法，输入涡旋光为两两正交的涡旋光，可在该固定器件结构条件下实现七种逻辑门功能，可保证信息并行传输的无串扰，但是此发明没有利用轨道角动量复用进一步提升器件集成度。在文献[plasmonics 16(2021):973-980.]中研究者设计了一种基于单矩形等离子体槽纳米天线的超紧凑通用线性光学逻辑门，在该结构上能够实现七种逻辑门运算，且在不同输入逻辑态下的相同输出逻辑态对应的输出强度一致，消除了其逻辑门输出的不均匀性，有利于实际级联，但是此结构与涡旋光不兼容，没有进一步提升器件集成度。截止目前还没有涡旋光编码的复用全光逻辑门的相关报道。

4、在以上背景之下，进一步提高全光逻辑器件的集成度十分有意义，本发明提供一种集成度更高的基于表面等离子体光场实现轨道角动量复用的全光逻辑门及其实现方法。这种结构简单、集成度高的基于轨道角动量光束的片上复用全光逻辑门可以将其集成到光纤端面，在未来的光学计算和信息处理中有极具前景的应用。

技术实现思路

1、本发明提供了一种实现轨道角动量复用的全光逻辑门及其实现方法。

2、本发明提供的一种实现轨道角动量复用的全光逻辑门及其实现方法是这样实现的：

3、所述的实现轨道角动量复用的全光逻辑门结构如图1所示，包括衬底1、金属膜2、矩形对称纳米狭缝3、pmma介质层4、对称介质条形波导4-1和4-2。具体实现方法是从衬底1下表面垂直输入拓扑荷为l1＝5和l2＝-5彼此不相干的两束涡旋光作为输入信号，利用l1＝5的涡旋光的左、右旋圆偏振态作为第一套逻辑门的两个输入信道，同时利用l2＝-5的涡旋光的左、右旋圆偏振态作为第二套逻辑门的两个输入信道，通过相移键控来编码两个输入信道的逻辑态从而在同一结构上实现两套逻辑门的复用运行。入射光经过衬底1后在纳米金属膜2上的矩形对称纳米狭缝3处激发spps，spps在纳米金属膜2上表面形成空间分布。表面等离子体波可通过耦合分别进入介质条形波导4-1和4-2中进而传输至探测器或者次一级片上光子器件作为次一级器件的输入信号，把介质条形波导4-1和4-2末端端口处收集到不同的spp电场强度值大小分别定义为不同的输出逻辑态。

4、基于表面等离子体光场的涡旋光编码全光逻辑门的具体设计原理结合图2说明如下。输入涡旋光场的表达式为：

5、

6、其中为涡旋光束的螺旋相位项，l为角量子数，也即拓扑荷，由于轨道角动量光的角向面内波矢提供了y轴方向的倾斜相位，激发的等离子体波光束会沿y轴方向倾斜，且倾角随拓扑荷值变化，为圆偏振单位矢量，δ＝1和δ＝-1分别表示左旋圆偏振和右旋圆偏振。令狭缝0和狭缝1的交点位置为-x0。我们对狭缝进行离散处理，任意选取狭缝上一点作为spps激发点，只有偏振方向垂直于狭缝的入射光才能激发spps，而当偏振方向平行于狭缝时，几乎没有激发。该微元长度为dm，因此在狭缝0上激发点(xm,ym0)位置的微元被激发产生spps可表示为其中输入光的振幅是e0，η是入射光对输出端口spps的耦合系数，由于spps激发过程是线性的，因此该耦合系数是一个与光强无关的参数，我们可以忽略。该spp波传输至目标点(x,y)时对目标点贡献一定强度的spp，spp强度在传输过程中随传输距离的增大而衰减。同理，狭缝1上(xm,ym1)点的激发对目标点贡献一定强度的spp波。对狭缝长度进行积分，我们就能得到目标点(x,y)处的总spp电场强度。因此，从右旋圆偏振光和左旋圆偏振光到输出spp的耦合系数分别为和因此，通过入射涡旋光的右旋圆偏振态和左旋圆偏振态激发的响应可以用等式(2)表示，即：

7、

8、其中e1和e2为输入涡旋光右旋圆偏振态和左旋圆偏振态的复振幅，espp1和espp2分别为e1和e2激发的输出端口的spps。

9、关于逻辑门设计，认为两个输入信号的振幅为e0，即|e1|＝|e2|＝e0，α和β分别为入射涡旋光左旋圆偏振态和右旋圆偏振态的初始相位因子，当输入信号具有不同的初始相位时，可以通过均匀的变换来实现不同的输出强度调制。定义σγ为二进制相移键控编码中输入逻辑态的相对相移，其中σ是输入涡旋光的自旋量子数，γ是一个恒定角。则二者的叠加场分布为：

10、

11、其中a和b是二进制变量，用(a,b)表示两个输入信号的输入逻辑状态，它们可以是1或0，用于实现输入逻辑态的相移键控编码。因此，当输入逻辑态(a,b)分别为(1,1)、(1,0)、(0,1)、(0,0)时所对应目标点(x,y)被激发的输出强度分别为f|-αeiγ+βe-iγ|2、f|-αeiγ+β|2、f|-α+βe-iγ|2、f|-α+β|2，其中

12、对于理想的逻辑门，本发明定义介质条形波导4-1和4-2末端端口处收集的spp电场强度值为0时代表输出逻辑态“0”，当介质条形波导4-1和4-2末端端口处收集的spp电场强度值不为0时代表输出逻辑态“1”。对于非理想的逻辑门，本发明定义介质条形波导4-1和4-2末端端口处收集的spp电场强度值的较小值代表输出逻辑态“0”，介质条形波导4-1和4-2末端端口处收集的spp电场强度值的较大值代表输出逻辑态“1”。通过改变α，β，γ的值，可以实现七种逻辑门功能。

13、在fdtd上进行本发明的模拟，可以看出当入射光为拓扑荷l1＝5阶的具有不同自旋圆偏振态的涡旋光时，可以沿介质条形波导4-2方向产生spp，并通过波导结构将其输出。当入射光为拓扑荷l1＝-5阶的具有不同自旋圆偏振态的涡旋光时，可以沿介质条形波导4-1方向产生spp，并通过波导结构将其输出。由于拓扑荷为l1＝5和l2＝-5的两种输入涡旋光之间不相干，因此在本发明的逻辑器件上可以实现两套逻辑门彼此独立运行。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

15、1、本发明与涡旋光相兼容，输入信号为彼此不相干的两种涡旋光，因此在同一个结构上可以实现两套逻辑门的复用运行，相比于其他基于涡旋光的全光逻辑门，尺寸小且更便于集成。

16、2、本发明实现的任何一个逻辑门中不同输入逻辑态下的相同输出逻辑态对应的输出强度是一致的，有利于实际应用中的级联设计。

17、3、本发明制作的介质波导结构可以将在金属膜2上表面形成空间分布的spp通过耦合传输至探测器或者次一级片上光子器件作为次一级器件的输入信号，更加灵活方便，这是该逻辑器件的一个显著优势。