专利摘要
本发明具体涉及一种多功能等离子体逻辑器件及其逻辑状态的操控方法，该多功能等离子体逻辑器件包括背景板、两个相同内部结构的六边形谐振腔和两根相互平行的波导，六边形谐振腔嵌套一个可旋转的椭圆形柱体，背景板和椭圆形柱体的材料均为金属材料，波导和六边形谐振腔的材料为空气。把六边形谐振腔中的两个椭圆形柱体作为输入逻辑状态控制器，两个椭圆形柱体不同的旋转角度代表不同的输入逻辑状态，通过控制椭圆形柱体的旋转角度确定输入逻辑状态，在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门，与门、与非门、或非门三种逻辑门被同时操控，具有操控容易、集成度高、响应速度快等优点。
权利要求
1.一种多功能等离子体逻辑器件，其特征在于，包括背景板、两个相同内部结构的六边形谐振腔和两根相互平行的波导，所述六边形谐振腔嵌套一个可旋转的椭圆形柱体，所述背景板和椭圆形柱体的材料均为金属材料，所述波导和六边形谐振腔的材料均为空气。
2.如权利要求1所述的多功能等离子体逻辑器件，其特征在于，所述金属材料选用银。
3.如权利要求1所述的多功能等离子体逻辑器件，其特征在于，波导宽度w＝50nm、六边形边长a＝200nm、椭圆长轴R
4.一种权利要求1～3任一项所述的多功能等离子体逻辑器件逻辑状态的操控方法，其特征在于，具体方法为：把六边形谐振腔中的两个椭圆形柱体作为输入逻辑状态控制器，两个椭圆形柱体不同的旋转角度代表不同的输入逻辑状态，通过控制椭圆形柱体的旋转角度确定输入逻辑状态；在输入端口持续通入一段波长信号，当椭圆形柱体的旋转角度为30°时，则表明此时输入逻辑状态为‘0’，当椭圆的旋转角度为60°时，则表明此时输入逻辑状态为‘1’；最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门，与门、与非门、或非门三种逻辑门被同时操控。
5.如权利要求4所述的操控方法，其特征在于，在输入端口持续通入一段波长信号，控制输入逻辑状态分别为‘0 0’、‘0 1’、‘1 0’、‘11’四种状态，在Through端口、或者Drop端口观察特定波长下的传输效率，根据传输效率的大小设置阈值来判断输出逻辑状态，最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门。
6.如权利要求5所述的操控方法，其特征在于，在输入端口同时输入多个波长信号，通过在不同端口观测不同波长下的传输效率，实现与门、与非门、或非门三种逻辑门的同步操控。
7.如权利要求4所述的操控方法，其特征在于，两个椭圆形柱体的角度改变对传输特性产生影响，等离子体表面波由底端波导进行传输，在椭圆形柱体旋转角度一定的情况下，如果满足谐振条件，特定频率的等离子体表面波会被耦合到六边形谐振腔中，经由顶端波导最终从Drop端口输出；若不满足谐振条件，则从Through端口输出。
说明书
技术领域
本发明属于等离子光子学领域，涉及纳米级光逻辑器件领域，具体涉及一种多功能等离子体逻辑器件及其逻辑状态的操控方法。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，许多研究、应用领域对智能化、微型化、快速化等高性能的追求，传统的电通信的已经不能满足当前的发展需求，相较于电通信而言，光通信具有极快的速度、极大的频宽、以及极高的信息容量，能克服电通信技术上的缺陷，具有很广阔的应用前景。其中，光逻辑器件是实现高速光分组交换、全光地址识别、数据编码、奇偶校验、信号再生、光计算和未来高速大容量全光信号处理的关键器件，同时，光逻辑门的发展是实现电计算向光计算跨越的桥梁，可以突破“电子瓶颈”的限制，提高网络容量，实现全光3R再生。作为实现光通信的核心技术，光逻辑器件受到业界广泛的关注，是当下的研究热点之一。
实际上，从二十世纪初期，人们就开始利用半导体材料研究光逻辑器件，但是操作复杂，体系庞大，技术还不是很成熟。随着研究的深入，人们又逐步转向等离子体领域。迄今为止，许多基于表面等离子体的光逻辑门也已经实现，而采用的结构则以波导为主，逻辑运算取决于输入信号的相对相位差。这是因为表面等离子体能克服衍射极限，并能在亚波长范围内进行光操控，同时波导具有结构简单，易于制造的优点。
然而，由于在光相位差精准控制技术上的难点，这种操控方法会造成一个固有的不稳定性和较低的输出电平对比率。此外，目前对光逻辑器件的研究基本上还处于一个结构只能实现一种逻辑功能的状态，对于逻辑器件小型化、集成化即在一种结构上实现多种逻辑功能并且能同时操控等问题还需要进一步的研究，因此这些亟待解决的问题，也成为目前逻辑器件的研究重点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的逻辑器件集成化差和操作不便的问题，本发明提供了一种多功能等离子体逻辑器件及其逻辑状态的操控方法，具有操控容易、集成度高、响应速度快且利于在芯片上使用的优点。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种多功能等离子体逻辑器件，包括背景板、两个相同内部结构的六边形谐振腔和两根相互平行的波导，所述六边形谐振腔嵌套一个可旋转的椭圆形柱体，所述背景板和椭圆形柱体的材料均为金属材料，所述波导和六边形谐振腔的材料为空气。
进一步地，上述金属材料选用银。
进一步地，上述波导宽度w＝50nm、六边形边长a＝200nm、椭圆长轴R1＝155nm、椭圆短轴R2＝85nm、波导与六边形之间的距离d＝20nm、两个椭圆之间的圆心距L＝480nm。
上述的多功能等离子体逻辑器件逻辑状态的操控方法，具体方法为：把六边形谐振腔中的两个椭圆形柱体作为输入逻辑状态控制器，两个椭圆形柱体不同的旋转角度代表不同的输入逻辑状态，通过控制椭圆形柱体的旋转角度确定输入逻辑状态；在输入端口持续通入一段波长信号，当椭圆形柱体的旋转角度为30°时，则表明此时输入逻辑状态为‘0’，当椭圆的旋转角度为60°时，则表明此时输入逻辑状态为‘1’；最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门，与门、与非门、或非门三种逻辑门被同时操控。
进一步地，上述操控方法中，在输入端口持续通入一段波长信号，控制输入逻辑状态分别为‘0 0’、‘0 1’、‘1 0’、‘11’四种状态，在Through端口、或者Drop端口观察特定波长下的传输效率，根据传输效率的大小设置阈值来判断输出逻辑状态，最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门。
进一步地，上述操控方法中，在输入端口同时输入多个波长信号，通过在不同端口观测不同波长下的传输效率，实现与门、与非门、或非门三种逻辑门的同步操控。
进一步地，上述操控方法中，两个椭圆形柱体的角度改变对传输特性产生影响，等离子体表面波由底端波导进行传输，在椭圆形柱体旋转角度一定的情况下，如果满足谐振条件，特定频率的等离子体表面波会被耦合到六边形谐振腔中，经由顶端波导最终从Drop端口输出；若不满足谐振条件，则从Through端口输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该多功能等离子体逻辑器件基于表面等离子体设计，能够突破衍射极限的限制，减小器件的尺寸，提高集成度，且结构简单。
2.该操控方法可实现等离子体诱导透明效应，此效应具有低损耗，超快响应等优点，利于实现高性能的逻辑门。
3.该操控方法利用旋转椭圆形柱体的角度来实现对输入逻辑状态的操控，方法新颖，操作简单。
4.该操控方法可在一个多功能等离子体逻辑器件结构上，实现四种逻辑功能，并且其中的三种逻辑操控可以同时实现，这大大提高了器件的集成度以及逻辑运算的效率。
5.该操控方法输出‘0’、‘1’逻辑状态有较高的对比率，可以降低逻辑运算的误差。
附图说明
图1为逻辑门二维平面结构图；
图2为逻辑门三维立体结构图；
图3为持续从输入端口通入一束电磁波，波长范围为600nm-760nm，当θ1＝θ2＝30°、θ1＝30°θ2＝60°、θ1＝60°θ2＝30°、θ1＝θ2＝60°，即输入‘0 0’、‘0 1’、‘1 0’、‘1 1’这四种状态时，Through端口的传输谱线；
图4为持续从输入端口通入一束电磁波，波长范围为600nm-760nm，当θ1＝θ2＝30°、θ1＝30°θ2＝60°、θ1＝60°θ2＝30°、θ1＝θ2＝60°，即输入‘0 0’、‘0 1’、‘1 0’、‘1 1’这四种状态时，Drop端口的传输谱线；
图5为与门的传输谱线；
图6为与非门的传输谱线；
图7为或非门的传输谱线；
图8为非门的传输谱线；
图9为当入射波长为633nm时的实时场分布图；
图10为当入射波长为680nm时的实时场分布图；
图11为当入射波长为732nm时的实时场分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例提供了一种多功能等离子体逻辑器件，包括背景板、两个相同内部结构的六边形谐振腔和两根相互平行的波导，六边形谐振腔嵌套一个可旋转的椭圆形柱体，背景板和椭圆形柱体的材料均为金属材料，波导和六边形谐振腔的材料为空气。背景板和椭圆形柱体选用金属材料，但为了得到最大的传播距离，需要选用具有更大的介电常数实部以及尽量小的介电常数虚部的金属，即具有低损耗的金属材料，在可见光范围内，金属银的吸收损耗最小。所以此处选用金属银作为结构的金属材料。虽然此处也有选用金作为背景板材料的，但是其传播距离相比与银要小一些，目前关于SPPs的研究绝大部分都是采用金属银。
本实施例的多功能等离子体逻辑器件的XY平面二维结构图如图1所示，它是由背景板、两个相同的内部分别嵌套一个可旋转椭圆形柱体的六边形谐振腔以及两根相互平行的波导组成，背景板和椭圆形柱体的材料均为银，其相对介电常数满足Drude模型： 其中ε∞＝3.7、εp＝9.1eV、γ＝0.018eV均为常数，分别代表输入波的角频率为无穷时银的介电常数、等离子体频率、电子碰撞频率；ω代表入射波的角频率， 代表复数域中虚部的单位。
该多功能等离子体逻辑器件的其它结构选用如下参数时，仿真效果较好，具体参数为：波导宽度w＝50nm、六边形边长a＝200nm、椭圆长轴R1＝155nm、椭圆短轴R2＝85nm、波导与六边形之间的距离d＝20nm、两个椭圆之间的圆心距L＝480nm。该多功能等离子体逻辑器件的椭圆和六边形选用其他结构参数也能用来做逻辑门。椭圆长轴与X轴正半轴之间的夹角(锐角)为椭圆的旋转角度，分别为θ1、θ2。其中波导宽度w以及六边形环与平行波导间的耦合距离d会对器件性能造成影响。平行波导宽度w的增大将会影响波导与微环谐振腔之间的耦合效应以及波导损耗，使微环谐振腔的谐振波长发生红移，影响其传输系数。同样的，随着六边形环与平行波导间的耦合距离d的增加，也会引起耦合效应的减弱，使由能量耦合进波导而造成的场衰减速率减小，使微环谐振腔的谐振波长发生蓝移，最终影响传输系数。所以平行波导宽度w以及六边形环与平行波导间的耦合距离d需要经过合理设计，使器件达到最佳性能，这里设置的参数是经过仿真后性能最好的取值，并且多数的研究也是基于这两个参数设置的。而对六边形边长、椭圆长轴和短轴半径，可根据所需谐振波长进行设置，相应的输入信号的波长也随之进行调节，因此可以调控的范围比较大，这里的结构尺寸只是一个特例。此外，对于波导和谐振腔介质的设置也不限制于空气，其折射率为n＝1。波导以及六边形谐振腔的材料选用其他折射率的材料也可以，折射率不同，光谱会发生平移。然而出于节约成本和方便操控的目的，本发明的波导、和腔体的介质设置为空气。
上述介绍了该器件的结构以及结构参数，下面对其传输特性进行分析。
该多功能等离子体逻辑器件利用角度改变实现输入逻辑状态，具体方法为：把六边形谐振腔中的两个椭圆形柱体作为输入逻辑状态控制器，两个椭圆形柱体不同的旋转角度代表不同的输入逻辑状态，通过控制椭圆形柱体的旋转角度确定输入逻辑状态；在输入端口持续通入一段波长信号，当椭圆形柱体的旋转角度为30°时，则表明此时输入逻辑状态为‘0’，当椭圆的旋转角度为60°时，则表明此时输入逻辑状态为‘1’；最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门，与门、与非门、或非门三种逻辑门被同时操控。
本实施例在输入端口持续通入600nm-760nm波长的信号。控制输入逻辑状态分别为‘0 0’、‘0 1’、‘1 0’、‘11’四种状态，在Through端口、或者Drop端口观察特定波长下的传输效率，根据传输效率的大小设置阈值来判断输出逻辑状态，最终在Through端口实现与门、或非门，在Drop端口实现非门、与非门。在输入端口同时输入多个波长信号，通过在不同端口观测不同波长下的传输效率，实现与门、与非门、或非门三种逻辑门的同步操控。
两个椭圆形柱体的角度改变对传输特性产生影响，等离子体表面波由底端波导进行传输，在椭圆形柱体旋转角度一定的情况下，如果满足谐振条件，特定频率的等离子体表面波会被耦合到六边形谐振腔中，经由顶端波导最终从Drop端口输出；若不满足谐振条件，则从Through端口输出。
当一束电磁波从入射端口通入时，若电磁波波长远远大于波导宽度，则仅基模TM能够在波导中传播，这使得表面等离子体(SPPs)被激发并且被限制在波导中。表面等离子体是一种特殊的电磁波，它是由入射光子和金属表面自由振动的电子相互作用而产生的。能够克服衍射极限，在亚波长范围内进行光操控。SPPs在波导中的色散方程如下：
其中若波导和腔体的介质为空气，则εd＝1。通过此公式可以计算出有效折射率neff。
随后SPPs在波导中进行传播，它的传输特性可以通过耦合模理论来进行分析。如图1所示，两个内嵌可旋转椭圆的六边形微环谐振腔的入射、传输、反馈、下载电磁波的振幅分别为Si1,2、St1,2、Sf1,2与Sd1,2。产生的入射波Si1沿底端波导传播，当经过第一个谐振腔时，一部分耦合进谐振腔，并成为Sd1经由Drop端口出射，一部分成为St1继续沿底端波导向右传播。St1在传播距离L后作为第二个谐振腔的入射电磁波Si2，同样地，Si2一部分成为St2从Through端口出射，一部分耦合进第二个谐振腔体，并入射进顶端波导，成为Sd2，再经由顶端波导向左传播成为Sf1。如果两个腔体的谐振波长有较小的失谐时，则会发生干涉作用，形成等离子诱导透明效应。对于每个六边形微环谐振腔的时间演变归一化幅度a1,2可通过下式求得：
式中n＝1,2分别代表两个谐振腔，ωn为两个谐振腔的谐振频率，ki,n与kc,n为由内部损耗和耦合进波导而造成的场衰减速率， 为相位耦合系数， 代表复数域中虚部的单位。根据能量守恒定理，传输电磁波与下载电磁波的幅值可根据下式求得：
入射光脉冲的频率为ω，时间依赖值为e
因此，对于所述光延迟线中的单个六边形环状谐振腔，其反馈与传输电磁波的振幅应满足以下矩阵：
由于稳态条件为 ( 为两个谐振环之间的相位差)，对于整个可调光延迟线，其反馈与传输电磁波可通过下式求得：
由于入射电磁波只从底端波导的入射端口输入，右上端口无输入，则Sf2＝0，其Through端口的传输系数T可根据下式求得：
当 π，2π…….时，会出现显著的等离子诱导透明现象，透明峰值位于两个谐振波长的中心波长处。通过公式： (其中ωc为透明窗的中心频率，c是光在真空中的速度)可以得出L的变化会影响 的取值，且成正比关系。为了得到较好的传输特性，并且使得器件在能够制造的情况下，更节省材料，可以确定L的取值为480nm使 为2π。
此外，可以通过调节椭圆的旋转角度来实现对T的调节，旋转角度的改变意味着对腔体结构的改变，因此传输特性也会不同。
下面运用模拟仿真方法对理论推导过程进行验证。目前，在等离子体光学器件领域中，使用较多的数学仿真方法为时域有限差分算法(Finite-difference time-domainmethod，FDTD)，本实施例也将使用该方法对该结构的传输特性进行仿真验证并对逻辑门的实现做详细解释。首先，两个椭圆可作为输入逻辑电平控制器，不同的旋转角度则代表不同的输入逻辑状态，30°代表逻辑输入‘0’；60°则代表逻辑输入‘1’。而对于输出逻辑电平的判别则通过在Through或者Drop端口观测传输率(Transmission)的值来确定‘0’、‘1’电平。
持续从输入端口通入一束电磁波，波长范围为600nm-760nm，当两个椭圆的角度分别为θ1＝θ2＝30°、θ1＝30°θ2＝60°、θ1＝60°θ2＝30°、θ1＝θ2＝60°即输入为‘0 0’、‘0 1’、‘10’、‘1 1’这四种状态时，Through端口和Drop端口的传输谱线如图3、图4所示。若在Through端口观测输入电磁波为680nm时四种状态的传输率时，所对应的值分别是0.89％、2.14％、4.34％、84.45％，以50％为判决阈值，相应的输出逻辑状态为‘0’、‘0’、‘0’、‘1’，因此可以实现与门。如表1所示。
表1与门
反之，若在Drop端口观测输入电磁波为680nm时四种状态的传输率时，所对应的值分别为78.32％、69.02％、62.40％、0.24％，相应的输出逻辑状态为‘1’、‘1’、‘1’、‘0’，可以实现与非门。如表2所示。
表2与非门
若在Through端口对633nm或者732nm的波长进行观测时，四种逻辑状态分别对应的传输效率为78.63％、27.76％、24.81％、24.17％或86.52％、29.95％、33.02％、20.07％，相应的输出逻辑状态为‘1’、‘0’、‘0’、‘0’，在这两种波长下均可实现或非门。如表3所示。
表3或非门
此外对于非门的实现方法需另做说明，由于非门只有一个逻辑输入，因此其中一个椭圆需要作为控制器一直保持在60°，而另一个则作为逻辑输入，控制输入的逻辑状态。若保持θ1＝60°，则θ2分别为30°、60°时，即输入为‘0’、‘1’时状态时，在Drop端口观测680nm处波长的传输效率分别为62.40％、0.24％，即对应的输出逻辑状态为‘1’、‘0’；若保持θ2＝60°不变时，则θ1＝30°、60°两种状态时，所对应的输出传输率分别为69.02％、0.24％，即对应的输出逻辑状态为‘1’、‘0’，因此通过此方法可以实现非门。如图表4所示。
表4非门
详细数值以及各个逻辑门即与门、与非门、或非门、非门的传输特性如图5-图8所示。根据上述的描述可知，若同时从输入端口通入包含633nm、680nm或者680nm、732nm这两种波长的电磁波，则此结构可以同时实现与、与非、或非三种逻辑功能。此外，当入射波长分别为633nm、680nm、732nm时的实时场分布图，如图9-图11表示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
一种多功能等离子体逻辑器件及其逻辑状态的操控方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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