表面等離子體在信息處理中的應用.pdf

1、光作為信息的載體，具有速度快，容量大的優(yōu)勢。但是由于存在衍射極限的限制，器件不能做得比波長更小，這就限制了集成器件的最大集成度。隨著信息量的日益增長，對信息處理的集成度要求越來越高，必須尋找一種新的信息載體來進一步提高器件的集成度。于是人們把目光轉(zhuǎn)向了表面等離子體，因為它能夠突破衍射極限在微納結(jié)構(gòu)中傳輸。將表面等離子體作為集成光學中的信息載體，可以有效提高器件的集成度。過去的十幾年，人們對表面等離子體進行了大量的研究，不斷探索如何將它應

2、用到信息傳輸中，其中將表面等離子體應用到量子信息傳輸中是最具有吸引力的。新興的量子信息處理技術(shù)不僅能夠提高信息處理速度，而且還可以解決許多經(jīng)典計算機所無法解決的問題。表面等離子體和量子信息技術(shù)的結(jié)合既提高了信息的集成度又提升了信息處理的速度。
　　在博士期間本人主要是通過近場的方式研究表面等離子體的性質(zhì)，并將它應用到信息處理中。本文主要介紹本人在實驗和理論上取得的一些研究成果:
　　1.表面等離子體在信息處理中的應用

3、　　將光子角動量信息編碼到表面等離子體上。表面等離子體應用于信息處理中，必需能夠?qū)⑿畔⒓虞d到表面等離子體中。在量子通信中，光子的自旋角動量和軌道角動量經(jīng)常用于編碼信息。我們通過實驗證明了光子角動量信息能夠加載到表面等離子體中，從而說明表面等離子體可以用于量子通信中作為信息傳輸?shù)妮d體。通過表面等離子體，不僅可以將自旋角動量和軌道量分別用于編碼信息，而且還可以將這兩者組合成信息密鑰對而提高信息傳輸?shù)陌踩?，這在量子通信中具有重要意義。

4、>　　用振幅干涉法測光子軌道角動量。由于等離子體透鏡上激發(fā)的表面等離子體和直接透過的激發(fā)光之間發(fā)生相互干涉而導致橫向場強分布的旋轉(zhuǎn)，所以帶有不同軌道角動量的光入射到等離子體透鏡上，在其上方分布的電磁場強度圖樣不同，利用這一性質(zhì)可以測量入射光的軌道角動量。文中通過實驗和理論證明，用振幅干涉法測量光子軌道角動量，不僅可以測量軌道角動量的量子數(shù)大小，同時還可以得到它的符號，這體現(xiàn)了表面等離子體在信息處理中的優(yōu)勢。
　　自旋路徑編碼轉(zhuǎn)換器

5、。在自由空間光學中，一般用光子的自旋態(tài)來編碼信息，而在集成光子學中，傾向于用路徑編碼信息。如果要在這兩個光學系統(tǒng)之間進行信息傳遞，那么就需要對這兩種方式編碼的信息進行轉(zhuǎn)換。本文根據(jù)激發(fā)表面等離子體時對偏振的依賴性設計了一種編碼轉(zhuǎn)換器，它可以將信息從自旋編碼轉(zhuǎn)換為路徑編碼。這個編碼轉(zhuǎn)換器可以工作在可見光波段，并且具有很寬的帶寬。它的消光比可以達到120∶1，有利于降低信息傳輸過程中的誤碼率。自旋路徑編碼轉(zhuǎn)換器提高了自由空間光學和集成光子學

6、之間的兼容性，在量子信息發(fā)展中起到關(guān)鍵的作用。
　　2.表面等離子體的傳播分析
　　表面等離子體相干性的研究。由于探針的針尖尺度（50～300nm）小于可見光波長，所以由它激發(fā)的表面等離子體，相當于從點源發(fā)出的，具有很高的相干性。實驗中采用雙探針近場掃描光學顯微鏡，將一個探針用于激發(fā)表面等離子體，另一個探針用于收集等離子體透鏡上的表面等離子體干涉場分布。實驗證明表面等離子體的相干性與激發(fā)探針的針尖直徑負相關(guān)。
　　近場

7、分析銀納米線上的表面波。銀對表面等離子體的吸收損耗小，是一種優(yōu)良的傳輸介質(zhì)，被廣泛作為波導用于傳輸表面等離子體。鑒于銀納米線的尺度小，采用近場探針激發(fā)能夠有效提高表面等離子體的激發(fā)效率。但是在激發(fā)表面等離子體的同時，另一種表面波，即爬行波也被激發(fā)。雖然爬行波的傳輸損耗大，傳輸長度只有約1微米，遠小于表面等離子體的傳輸長度，但是它的強度是表面等離子體的幾十倍。而在集成光子學中，器件的尺度往往很小，這樣就必須考慮爬行波的影響。本文通過兩種不

8、同的近場探測方法，即動態(tài)激發(fā)方法和靜態(tài)激發(fā)方法，分別研究爬行波對兩種不同表面等離子體模式的影響。實驗和理論證明爬行波會對銀納米線上的表面波能量分布進行調(diào)制。銀納米線上的表面波研究為銀納米線在集成光學中的應用做了準備.
　　3.表面等離子體與單光子源的相互作用
　　表面等離子體和量子點相互作用的偏振性質(zhì)。在量子通信中，為了提高信息傳輸?shù)陌踩酝捎脝喂庾釉?。如果要將量子信息加載到表面等離子體中進行傳輸，就必須實現(xiàn)用單光子源激

9、發(fā)出表面等離子體。本文介紹了CdSe量子點與銀納米線作用時對偏振的依賴性，CdSe量子點能級躍遷的能量可以與銀納米線上的表面等離子體直接相互轉(zhuǎn)化，并且由于銀納米線本身就是一個開放的光學天線，會對CdSe量子點的熒光具有偏振調(diào)制作用。要想在表面等離子體上通過單光子源加載信息，那么就必須掌握單光子源與表面等離子體的相互作用的偏振特性，因為這不僅會影響轉(zhuǎn)化效率還會對信息量本身產(chǎn)生影響。
　　制備可移動的單光子源。實現(xiàn)在確定位置激發(fā)表面等