一种全光逻辑门及其调控方法

本发明涉及一种基于非线性光学交叉相位调制效应的大工作宽带和多功能集成光逻辑门，尤其是涉及一种多种逻辑门功能集成在单一光学器件结构的设计。

背景技术：

1、计算机的高速运算是现代信息处理和通信的基石。在未来二十年内，由电子回路构建的计算机处理器可能会面临摩尔定律接近极限的挑战。因此，未来计算机技术的发展需要新的原理和技术。目前，由于光信号处理具有超高比特率、大带宽、高并行性和超低串扰等优势，光子回路被广泛认为是电子回路最有潜力的后继者之一。如今，光信号处理的实际应用是基于光电互连，其中电子处理器对数字信号进行处理，光作为信号传播载体。然而，由于受到高延迟和复杂的光电转换的限制，其性能通常低于光计算的速度上限。因此，通过光与物质相互作用来实现光信号的强度、相位、偏振或波长的调制，进而构建具有逻辑功能的全光学元件，对于推动全光学系统的发展具有重要意义。

2、目前实现全光逻辑门的主要方法是利用线性和非线性光学效应，对此人们提出了若干种方案，例如基于纳米线或纳米球的受激散射和光致发光的逻辑门，线性滤波或利用等离激元光栅的线性干涉逻辑门，纳米片的空间自相位调制或空间互相位调制的全光逻辑门等等。在过去几十年对全光逻辑门的深入研究中，多逻辑功能集成和基于大带宽的高并行计算是决定高速光学处理器可行性的基础。但在现有光逻辑门技术中，不同逻辑功能的实现需要不同的器件设计，难以实现统一的制备方法，导致结构复杂、制造成本高，这严重限制了光子芯片的集成性和性能。同时，目前全光逻辑门的工作带宽大多较窄，线性的全光逻辑门基于干涉一般是相位敏感型从原理上限制了其带宽的拓展，非线性的全光逻辑门的工作带宽通常和材料吸收的带宽相关。已有报道的全光逻辑门工作带宽主要限制在几十纳米内，比如银纳米线逻辑门工作波长为633nm(nat.commun.2011,2,387)，线性滤波干涉逻辑门的工作带宽为1542-1552nm(nat.commun.2020,11,5839)，全光纤相位滤波器的工作波长为1550nm(nat.commun.2023,14,1808)等等，这些设计均无法满足高并行计算所需的大工作带宽。综上，发展多逻辑功能集成和大工作带宽的全光逻辑门是该领域研究的重点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大工作带宽、多功能的全光逻辑门，克服上述现有光逻辑门存在的缺点和不足。为了实现上述目的，本发明利用液态金属镓铟锡纳米液滴的宽带(400-4000nm)吸收的特点，实现大工作带宽。并通过双光束空间交叉相位调制相互作用中相位可逆控制的特点，实现了可重构的多功能宽带全光逻辑门。在无外部电子调制的单一全光学架构中，实现了“与、或、非、与非、或非、同或、异或、蕴含、蕴含非”九种基本的布尔逻辑运算，并可避免光电耦合的低效率和高损耗问题，为克服现有全光逻辑门中功能单一和窄带宽的限制提供了一种很有前途的策略，为光学处理器的发展开辟一条新的途径。

2、所采取的具体方案如下：一种全光逻辑门，包括第一光路和第二光路，两条光路产生非线性空间交叉相位调制获得大带宽、多功能的全光逻辑门，第一光路为控制光光路，包括第一光源、第一光学衰减片、第一光学器件、第一调焦组件，第一光源用于提供光束一，第一光学衰减片用于调控所述光束一的光强，第一调焦组件用于调控所述光束一的焦点位置；第二光路为信号光光路，包括第二光源、第二光学衰减片、第二光学器件、第二调焦组件，第二光源用于提供光束二，第二光学衰减片用于调控所述光束二的光强，第二调焦组件用于调控所述光束二的焦点位置；光束一和光束二同时入射在第三光学器件上进行双光束空间交叉相位调制，对光束二的模式进行基模和空心光束的可控转换，第一光学器件、第二光学器件和第三光学器件均为非线性光学器件；通过调整光束一的焦点位置和/或光束二的焦点位置和/或光束一光强和/或光束二光强调控所述逻辑门的逻辑运算。第一光学器件、第二光学器件利用自相位调制光信号，其非线性受光强的作用，可使1信号转换为0信号；第一光源和第二光源均发出1信号光，1信号的光经第一光学器件或第二光学器件作用后转换为0信号。

3、作为一种优选方案，所述第一调焦组件包括第一一透镜、第一二透镜，光束一经第一一透镜后入射至第一光学器件上，透过第一光学器件后经第一二透镜，聚焦；第二调焦组件包括第二一透镜、第二二透镜，光束二经第二一透镜入射至第二光学器件上，透过第二光学器件后经第二二透镜，聚焦；而后光束一、光束二经所述分光器作用后，同时聚焦在第三光学器件上。

4、作为一种优选方案，第一光源、第二光源均为激光光源；在第一光源出口处设置第一光衰减器，在第二光源出口处设置第二光衰减器，第一光衰减器和第二光衰减器分别用于调整光束一和光束二的光强，通过调整光束一和光束二的光强协同光束一和光束二的相位实现逻辑运算的调换。

5、作为一种优选方案，第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件为相同的光学材料，所述光学材料包括但不限液态金属镓铟锡纳米液滴，光学材料需要具有非线性光学性能。

6、作为一种优选方案，所述第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件为宽谱吸收的非线性光学材料，光学器件在400-4000nm的光吸收率为13％-15％，插入损耗为0.6-7db。

7、作为一种优选方案，第一光学器件、第二光学器件、第三光学器件为液态金属镓铟锡纳米液滴，制备方法为：

8、将镓、铟和锡混合，加热形成混合均匀的液态金属镓铟锡合金；

9、将液态金属镓铟锡合金加入至有机溶剂中，超声分散，获得均匀分散的镓铟锡纳米液滴；将均匀分散的镓铟锡纳米液滴封装在透明容器内；

10、制得所述第一光学器件或第二光学器件或第三光学器件。

11、作为一种优选方案，镓铟锡混合比为(7:2:1)-(6:2:2)，在该混合比下，镓铟锡合金在室温下呈现液态，便于制备等离激元光学器件。

12、作为一种优选方案，液态金属镓铟锡纳米液滴浓度为(0.5-10)g/l，在该浓度下可使光强在合适范围内切换各逻辑关系。

13、上述全光逻辑门的调制方法为，依据表1调控光束一、光束二的相位或光强，使所述逻辑门置于对应的逻辑运算下：

14、表1实现九种逻辑门的调制方法

15、

16、

17、表中：为信号光的线性相位，为信号光的非线性相位，inl,′0′为控制光0信号的光强，inl,′1′为控制光1信号的光强，为信号光0信号的非线性相位，为信号光1信号的非线性相位。

18、作为一种优选方案，通过调整所述光束一和光束二的相对强度和相对焦点位置，调整光束二的相位。

19、本发明所产生的有益效果包括：本发明中的全光逻辑门基于交叉相位调制，利用光学材料的非线性折射率对光束一的强度依赖关系，以及光束一对光束二的波前关系来调控光束二的相位，实现光信号“0”和“1”的可控转换，从而实现不同功能的逻辑运算，具有工作带宽宽、响应速度快、运算精准、循环稳定性强；

20、本发明中的光学器件采用液态金属镓铟锡的宽带光吸收效应，实现基于热光非线性交叉相位调制的大带宽、多功能全光逻辑门。在一个单一结构中实现了九个基本布尔逻辑门功能，并具有超宽的工作波段和低能耗特点；

21、本发明中的光学器件可在400-4000nm波段实现宽带吸收，增强了非线性的转换效率，实现了基于光学非线性的大带宽响应的全光逻辑门；利用控制光对信号光进行可编程的交叉相位调制，实现了可重构的多功能宽带全光逻辑门。在单一全光学架构中，实现了“与、或、非、与非、或非、同或、异或、蕴含、蕴含非”九种基本的布尔逻辑运算，并可显著降低光电耦合的低效率和高损耗问题，克服了现有全光逻辑门中窄带宽和功能单一的限制。

22、本发明的原理是，液态金属纳米液滴的有效折射率场分布随调制光强的改变相应产生改变，由于信号光的入射路径与调制光有相当大程度的交叠重合，因此能有效感受到这种折射率分布及由此引起相位改变，即空间交叉相位调制。在此过程中，调节控制光相对于信号光的焦平面前后位置和间距，可控制信号光线性相位的改变；调节调制光的强度，可控制信号光非线性相位的改变。

23、因此通过编程操控信号光空间模式的总相位改变，实现信号光0和1模式的转换，进而实现逻辑功能的运行和切换。

24、本发明基于调制光-信号光空间交叉相位调制效应，对信号光相位进行编码控制，设计了一套光学逻辑门的组成方式，并通过镓铟锡纳米液滴的宽带吸收特性实现大带宽的空间交叉相位调制，实现了全光逻辑门器件。其具有工作带宽大、单一器件集成多种逻辑功能，结构简单、尺寸小，成本低廉等特点。

25、本发明更多的效果将在具体实施方式部分介绍。