物理所基于等离激元的全光逻辑和半加器研究取得新进展

2011-3-22 14:02 来源: 中国科学院
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  近年来,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)徐红星研究组在金属纳米线的等离激元性质研究方面做出了一系列工作,对传播的等离激元激发的拉曼散射,与量子点的相互作用、发射方向、发射偏振、分光特性、衬底效应等基本问题进行了深入的探讨。最近,徐红星研究组的魏红博士等在实现纳米尺度上的等离激元逻辑元件的研究方面取得了新进展。

  金属纳米结构的表面等离激元共振表现出很多显著的特性,这些特性为实现在纳米尺度上对光的操控提供了一种可能。由于金属纳米结构对光场的强的局域性,等离激元在直径小于半波长的一维金属纳米线中传播时可以将能量束缚在纳米波导附近,这一特性使金属纳米线在衍射极限尺寸下实现光传播方面具有重要作用。

  徐红星研究组将几条银纳米线组装在一起形成具有输入端和输出端的简单网络结构,通过控制输入光的偏振和相位,可以在微观尺度上控制等离激元的传播方向,从而可以控制输出端的光强。基于此,电子学上的基本逻辑运算(与、或、非)可以用光来实现。另外,四终端的网络结构可以作为半加器实现两个二进制数的加法运算。并且,他们利用量子点发光对银纳米线中传播的等离激元的近场分布进行了成像,揭示了这些基于等离激元的全光逻辑元件的工作原理:即被两束光激发的等离激元在纳米波导中发生干涉,导致网络结构中作为主干的纳米线上的光场分布得到调控。当作为输出端的纳米线处于主干纳米线光场最强处时,光场会通过此输出端传播,此端的输出光强就大;反之,当此输出纳米线处于主干光强最弱处时,此输出端的光强就小。相关结果发表在近期的Nano Lett. 11, 471 (2011)。

  另外,徐红星研究员与瑞典Chalmers大学Mikael Kall教授合作,发现了金属纳米线在不同介质界面上等离激元传播的非常强的辐射方向性。相关结果发表在同一期的Nano Lett. 11, 706 (2011)。

  这些研究结果对于认识传播的等离激元的性质、设计基于等离激元的纳米光学元件以及构建纳米光学回路和处理器等具有重要意义。

  片上可集成的光计算技术可能是将来后摩尔时代很有潜力的新型信息技术。徐红星研究组在世界上首先研制出的系列完备的纳米全光逻辑器件和半加器,可能会为片上可集成的光计算技术的发展带来曙光。以前相关的全光计算方面的研究和技术并不具有小型化和片上可集成性的特点,而基于等离激元的纳米全光逻辑器件和半加器可以克服光的衍射极限而把光局限在金属纳米线网络的表面,完全具备了小型化和片上可集成性的特点,并且他们最新的研究也证明了这些逻辑单元具有可扩展性。

  该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院知识创新工程的支持。

图1. 不同激发偏振下通过量子点荧光成像显示的等离激元的电场强度分布。

图2:通过改变两个输入光的相位差调制输出端的光强,此类结构可以制备“或”门、“非”门和“异或”门。

图3:在四终端的网络结构中,通过控制两个输入端的偏振和相位,可以控制输出光强,此类结构可以制备“与”门和“半加器”。

图 4:全光逻辑元件和半加器示意图。