阅读说明：本技术 一种基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件 (Terahertz multifunctional logic gate device based on pseudo surface plasmon waveguide ) 是由 廖怡 袁明瑞 栗岩锋 谷建强 韩家广 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件,由具有马赫-曾德干涉形状的赝表面等离激元波导组成；通过电阻率大于3000Ω的高阻硅制成,采用光刻和深度刻蚀技术在硅基底上得到呈周期排列的长方体结构,并通过蒸镀技术将厚度大于200nm的金覆盖在整个硅结构上；逻辑门器件的结构分为两部分,第一部分为逻辑门提供输入信号,第二部分进行逻辑计算。通过改变金属长方体结构的形状和间距参数,控制赝表面等离激元波导的相位属性,从而调节两路或者两路以上传播的赝表面等离激元波导之间的传播相位；实现与门(AND)、或门(OR)、非门(NOT)、与非门(NAND)、或非门(NOR)、异或门(XOR)和同或门(XNOR)7种不同功能的逻辑门器件。(The invention discloses a terahertz multifunctional logic gate device based on a pseudo surface plasmon waveguide, which consists of a pseudo surface plasmon waveguide with a Mach-Zehnder interference shape; the silicon substrate is made of high-resistance silicon with the resistivity larger than 3000 omega, a periodically arranged cuboid structure is obtained on the silicon substrate by adopting photoetching and deep etching technologies, and gold with the thickness larger than 200nm is covered on the whole silicon structure by an evaporation technology; the structure of the logic gate device is divided into two parts, wherein the first part provides input signals for the logic gate, and the second part performs logic calculation. Controlling the phase attribute of the pseudo surface plasmon waveguide by changing the shape and the spacing parameters of the metal cuboid structure, thereby adjusting the propagation phase between two or more than two paths of propagated pseudo surface plasmon waveguides; AND 7 logic gate devices for realizing different functions of an AND gate (AND), an OR gate (OR), a NOT gate (NOT), a NAND gate (NAND), a NOR gate (NOR), an exclusive OR gate (XOR) AND an exclusive OR gate (XNOR).)

一种基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件

技术领域

本发明属于太赫兹片上集成系统领域，涉及一种用于实现基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波通常是指频率在0.1THz-10THz(1THz＝10¹²Hz)波段范围内的电磁波，位于红外和微波之间，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。在20世纪80年代中期之前，太赫兹波段两侧的红外和微波技术发展相对成熟，但是人们对太赫兹波段的认识非常有限，究其原因是因为缺乏有效的产生和检测太赫兹波的手段，从而形成了所谓的“太赫兹空隙”。由于太赫兹在电磁波谱中的特殊位置，使其具有很多不同于其他电磁波的特殊性质，其中主要包括：瞬态性、相干性、低能量性、高透射性、吸水性、指纹谱性。由于对太赫兹波段认识的愈发深入，人们开始意识到了太赫兹波段丰富的理化特性所带来的巨大应用价值，这引起了世界范围内对太赫兹波研究的热潮，尤其是在光谱学、成像以及通讯等技术领域。因此，对于太赫兹波段功能器件的需求日益升高，如传感器、吸收器、滤波器和调制器等。然而，现有太赫兹功能器件尺寸都较大，且存在相位失配、自由空间光路占空间大等问题，目前现有的商业器件并不能满足其全部的需求，这严重限制了太赫兹技术实际应用的快速发展。

随着人们对于更小巧、更紧凑、多功能集成的太赫兹功能器件的需要越来越强烈，基于等离激元的方案受到了很大的关注。当电磁波借助金属/介质界面的电子或电子团的集体振荡，并沿着平行于金属/介质界面方向传播时，形成等离激元。通过电磁波和导体中电子的相互作用，等离激元将电磁场局域在亚波长量级，从而实现了在亚波长量级操纵电磁波的可能。1960年，E.A.Stern和R.A.Ferrel首次提出了表面等离激元(SurfacePlasmon)的概念[1]。1968年，Kretschmann和Reather利用棱镜内全反射的方式激发表面等离激元[2]。同年，Otto也提出了一种类似但非接触的结构激发表面等离激元[3]。1998年，T.Ebbesen等人研究发现光通过亚波长周期性金属孔阵列后有异常增透的效应[4]，进一步研究发现表面等离激元能克服衍射极限，实现高分辨率成像等[5]。21世纪，表面等离激元在微波和太赫兹波段的工作也逐渐开展起来，表面等离激元光子学(Plasmonics)由此诞生[6]。由于表面等离激元可以局限于亚波长的空间范围内传播，并且能作为信息载体，表面等离激元波导有望成为集成光子学的基本结构[7,8]。基于表面等离激元的光学元件缩小了光学器件与电子器件之间的尺寸差距，可实现与电子器件的互连。

本专利中涉及的逻辑门器件工作在太赫兹波段，由于束缚模式的表面等离激元皆位于金属的等离子体频率附近，而大多数金属的等离子体频率皆位于紫外波段，导致在太赫兹波段，大多数金属表现为良导体，金属表面不支持束缚态的表面等离激元。在金属表面加工一维或二维周期性凹槽或立体微结构，可支持类似于表面等离激元的电磁波，其性质与光波段的表面等离激元相同，因此被称为赝表面等离激元或人工表面等离激元(SpoofSurfacePlasmonPolariton)[9]。通过改变金属表面微结构的尺寸可人为的控制赝表面等离激元的等离子体频率，从而实现对太赫兹表面波的传播控制[10]。

为了适应现代信息化的发展，满足信息传输容量不断增加的需求，摆脱传统电子器件“电子瓶颈”的限制，实现信号的超长距离、超大容量、超高速度的传输，基于赝表面等离激元的太赫兹片上集成系统应运而生。其中逻辑运算器件是信号处理系统的基本元件，是跨越电计算和光计算的桥梁，因此逻辑运算器件在光计算和超高速信息处理领域有重大的潜在应用。基于晶体管的布尔逻辑门是电子电路的基本单元。在光子电路中，逻辑功能可以通过线性干涉效应和非线性光学过程来实现。光学逻辑运算器件由于衍射极限的限制，尺寸远远大于电子集成电路的尺寸。基于表面等离激元的逻辑运算器件由于能够将光局限在亚波长尺度内，因此被提出和研究。对于线性表面等离激元光学逻辑门，逻辑运算取决于两个输入信号的相对光学相位差。输入信号的相长或相消干涉会产生相应的逻辑运算结果，这些运算结果具有较低的场强和潜在的高集成度，具有良好的稳定性和可扩展性。

近年来，在高频波段，各种基于表面等离子体的全光逻辑门已经被提出和研究。H.Wei等人在银纳米线上实现了布尔逻辑门，并通过级联OR门和NOT门实现了NOR门[11,12]，这类器件的问题在于对场的束缚性较弱，导致损耗较大。相比于银纳米线结构，金属缝隙波导有更好的场限制能力，且更容易集成为复杂的结构和网络。Y.Fu等人提出了基于金属缝隙波导的逻辑门结构[13]。他们基于Y型分支结构，利用输入光的干涉作用，实现了XNOR门、XOR门、NOT门和OR门。D.Pan等人进一步研究了基于金属缝隙波导的逻辑门结构，他们提出利用单个或两个Y型结构实现多种逻辑门[14]。除了基于纳米线结构和金属缝隙波导的逻辑门外，I.S.Maksymov基于表面等离子体－光子晶体结构同样实现了布尔逻辑功能[15]。Z.Chen等人利用多层模结构中的多模干涉效应，通过调节两个MIM波导之间的耦合距离以及三个MMI金属波导的耦合距离，首次在一个多模结构中实现多种逻辑功能，即AND门、NOT门、XOR门和OR门[16]。然而，尽管这些研究为布尔逻辑运算提供了巧妙的解决方案，但大多数研究都集中在光学波段的等离激元波导上，在太赫兹波段并不适用。迄今为止，由于缺乏有效且方便的太赫兹近场测量方法，太赫兹波段相关器件的研究近乎为零。实现高性能的紧凑型宽带逻辑门仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件，本发明将利用赝表面等离激元之间的干涉效应，设计一系列复杂的太赫兹片上集成逻辑运算器件，有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于赝表面等离激元波导的太赫兹多功能逻辑门器件，由具有马赫-曾德干涉形状的赝表面等离激元波导组成；通过电阻率大于3000Ω的高阻硅(采用高电阻率是为了降低材料对太赫兹波的损耗)制成，采用光刻和深度刻蚀技术在硅基底上得到呈周期排列的长方体结构，并通过蒸镀技术将厚度大于200nm的金(采用厚度的原则是其大于太赫兹波的趋肤深度)覆盖在整个硅结构上；逻辑门器件的结构分为两部分，第一部分为逻辑门提供输入信号，第二部分进行逻辑计算。

进一步的，所述长方体结构的高度为80μm，长50μm，宽120μm，长方体结构之间的距离为100μm。

进一步的，通过改变金属长方体结构的形状和间距参数，控制赝表面等离激元波导的相位属性，从而调节两路或者两路以上传播的赝表面等离激元波导之间的传播相位；实现与门(AND)、或门(OR)、非门(NOT)、与非门(NAND)、或非门(NOR)、异或门(XOR)和同或门(XNOR)7种不同功能的逻辑门器件。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.逻辑运算器件是光信号处理系统的基本元件，在光计算和超高速信息处理领域有重大的潜在应用。现行许多光逻辑门器件仍为电光控制，需要很高的工作电压。而利用材料非线性效应的逻辑门器件功能比较单一，且需要强信号光。本发明在于克服上述缺点而提供一系列基于无源波导的多功能逻辑门器件，这些器件可通过两路的表面等离激元波的相干干涉，完成与门(AND)、或门(OR)、非门(NOT)和异或门(XOR)4种不同功能的逻辑运算；通过将两个两路的相干干涉系统级联，其中一路作为控制端，完成与非门(NAND)、或非门(NOR)和同或门(XNOR)3种不同功能的逻辑运算。

2.光学逻辑运算器件由于衍射极限的限制，尺寸远大于电子集成电路的尺寸。通过电磁波和导体中电子的相互作用，等离激元将电磁场局域在亚波长量级，从而能够在亚波长量级操纵电磁波。本发明提出的太赫兹表面等离激元逻辑运算器件由于能够将光局限在亚波长尺度内，因此与现有技术相比，尺寸可缩小至8mm-12mm，具有紧凑化、小巧化、和多功能化等优点。

3.本发明可在同一材料上利用同一种微加工工艺技术实现单一器件集成，也能与其他复杂器件，比如复杂传输器件、耦合器件和主动调控器件等进行多功能集成，无需加工制作工艺，便于加工，是一种方便实用的多功能逻辑门器件。本发明可广泛应用于太赫兹信号的片上集成链路。

附图说明

图1为本发明涉及的太赫兹多功能逻辑门器件的基本单元示意图。

图2(a)和图2(b)为本发明实施例1涉及的基于两路表面等离激元波的相干干涉的多功能逻辑门器件的结构示意图。

图3(a)至图a(f)为本发明实施例1涉及的太赫兹多功能逻辑门器件的电场分布结果仿真图。

图4(a)和图4(b)为本发明实施例2涉及的基于两个两路的相干干涉系统级联的多功能逻辑门器件的结构示意图。

图5(a)至图5(f)为本发明实施例2涉及的太赫兹多功能逻辑门器件的电场分布结果仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的太赫兹多功能逻辑器件赝表面等离激元波导基本单元的结构示意图，该波导基本单元1具体可以包括金属基底层10和金属柱层11。长方体结构层可以包括N个金属长方体结构110，N≥1。图1中仅示出两个长方体结构110。下面对其结构和功能进行说明。

金属基底层10位于金属柱层11的下方。长方体结构110在金属基底层10上排列，金属结构的尺寸对表面波的色散关系有很大影响，改变金属结构的大小，可实现在不同频率的束缚态。金属基底层10可用于支撑金属柱层11。金属柱层11可用于支持高度束缚的太赫兹表面波。

在本发明的实施例中，金属基底层10和金属柱层11的制作材料为电阻率大于3000Ω的高阻硅，采用传统的光刻和深度刻蚀技术在硅基底上得到周期排列的长方体结构110，采用蒸镀技术将200nm厚的金覆盖在硅结构上。金属基底层10的基底层长度可用e表示，金属基底层10的基底层宽度可用f表示，金属基底层10的基底层厚度可用h表示。金属柱层11中的长方体结构110在金属基底层10上周期性排列，两个相邻长方体结构110中心之间的距离可用p表示。长方体结构110的长方体结构长度可用l表示，长方体结构110的长方体结构宽度可用w表示，长方体结构110的长方体结构高度可用g表示。

实施例1：

本实施例涉及的多功能逻辑门器件由具有马赫-曾德干涉形状的赝表面等离激元波导组成，如图2(a)和图2(b)所示，通过改变长方体结构的尺寸控制分开两路光的相位，并且在汇聚时，当相位差为π的奇数倍，可实现两束光相消，而当相位差为π的偶数倍，可实现光的相干。其中图2(a)通过相长干涉实现AND/OR运算，图2(b)通过相消干涉实现NOT/XOR运算。结构分为两部分，第一部分为逻辑门提供输入信号，第二部分进行逻辑计算。在该装置中，从第一部分输出的两个信号作为第二部分的信号输入端口(用I1和I2表示)，两个信号从输入端口传输到连接点，然后到达输出端口(用O表示)。

该实施案例采用的逻辑门判别机制为二进制启闭键控(On-off-keyed，OOK)机制，即输入信号的振幅作为输入逻辑信号的判别标准，如果输入信号光强为零，则为逻辑“0”，反之为逻辑“1”。将逻辑门的输入信号按其强度进行编码，振幅分别为E_I1和E_I2，由输入信号的相位决定E_I1和E_I2进行相长或相消干涉，从而决定输出端口信号的振幅E_O。通过选择合适的输出阈值(I_O)，该结构可以同时实现多种逻辑运算。

对于逻辑器件输入端口，信号的“有”和“无”代表了“1”和“0”。而对于输出端口，布尔值由输出阈值I_O决定，如果输出信号强度大于I_O，则为“1”，反之如果输出信号强度小于I_O，则为“0”。在本结构中，由光栅激发的表面等离激元波经过第一部分的Y形分束波导被分为能量相等的两束，因此令E_I1＝E_I2＝E。

对于如图2(a)所示的相长干涉结构，其涉及的AND/OR运算真值表如下表所示：

当输入为(0,0)时，输出信号强度为0；(0,E)和(E,0)时为|E|²；(E,E)时输出信号强度为4|E|²。当选择输出阈值0<I_O<|E|²时，(0,0)的输出为“0”，而(0,E)、(E,0)和(E,E)的输出为“1”，此时在O端口就可完成OR运算。当选择输出阈值|E|²<I_O<4|E|²时，(0,0)、(0,E)和(E,0)的输出为“0”，而(E,E)的输出为“1”，此时在O端口就可完成AND运算。

对于如图2(b)所示的相消干涉结构，通过增加部分金属长方体结构单元结构的长度，由于结构的变化将导致表面等离激元模式的变化，在同一频率处马赫-曾德干涉仪上臂中表面波的传播波矢变为k₂，而下臂仍为k₁，经过一段距离的传播后，两臂间波矢差将导致相位差，当累积的相位差满足：(k₁-k₂)L＝(2n+1)π(其中n为整数)时，两输入信号的相位将相差π，两波在汇聚处将相消。此时令E_I1＝-E，E_I2＝E。其涉及的NOT/XOR运算真值表如下表所示：

当输入为(0,0)和(-E,E)时，输出信号强度为0；(0,E)和(-E,0)时为|E|²。当选择输出阈值0<I_O<|E|²时，(0,0)和(-E,E)的输出为“0”，而(0,E)、(-E,0)的输出为“1”，此时在O端口就可完成XOR运算。当我们设置输入端口I₁为控制端口且保持E_I1＝-E，端口I₂作为输入端口，继续选择输出阈值|0<I_O<|E|²时，对于I2端口输入信号分别为“0”和“E”时(即(-E,0)和(-E,E))，输出端的结果分别为“1”和“0”，此时在O端口就可完成NOT运算。

图3(a)-图3(c)为AND/OR运算不同输入信号情况下的电场分布结果仿真图，图3(d)-图3(f)为NOT/XOR运算不同输入信号情况下的电场分布结果仿真图。

实施例2：

本实施例涉及的NAND、NOR和XNOR运算器件由两组具有马赫-曾德干涉形状的赝表面等离激元波导级联组成，如图4(a)和图4(b)所示。这些复杂逻辑运算是简单运算的组合，因此可以分别通过级联NOT运算、OR运算、AND运算和XOR运算来实现。结构分为两部分，第一部分为逻辑门提供输入信号，第二部分进行逻辑计算。逻辑计算部分包含两级运算，第一级运算与实施例1相同，可以实现对输入信号I₁和I₂的AND/OR运算和NOT/XOR运算，输出信号为O₁。而为了实现2×2的级联逻辑门，需要增加一路控制信号I_C，与第一级运算的输出结果进行相干干涉，两个信号到达输出端口(用O表示)。通过选择合适的输出阈值(I_O)，可以得到多种逻辑运算。

对于如图4(a)所示的结构，其涉及的NOR/NAND运算真值表如下表所示：

该结构为AND/OR运算与NOT运算的级联，令控制端口I_C保持E_IC＝-2E，当输入为(0,0)时，输出信号强度为4|E|²；(0,E)和(E,0)时为|E|²；(E,E)时输出信号强度为0。当选择输出阈值0<I_O<|E|²时，(0,0)的输出为“0”，而(0,E)、(E,0)和(E,E)的输出为“1”，此时在O端口就可完成NAND运算。当选择输出阈值|E|²<I_O<4|E|²时，(E,0)、(0,E)和(E,E)的输出为“0”，而(0,0)的输出为“1”，此时在O端口就可完成NOR运算。

对于如图4(b)所示的结构，其涉及的XNOR运算真值表如下表所示：

令控制端口I_C保持E_IC＝-E，当输入为(0,0)和(E,E)时，输出信号强度为|E|²；(0,E)和(E,0)时为0。当选择输出阈值0<I_O<|E|²时，(0,E)和(E,0)的输出为“0”，而(0,0)和(E,E)的输出为“1”，此时在O端口就可完成XNOR运算。

图5(a)-图5(c)为NOR/NAND运算不同输入信号情况下的电场分布结果仿真图，图5(d)-图5(f)为XNOR运算不同输入信号情况下的电场分布结果仿真图。

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本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。