表面等離子體在信息處理中的應(yīng)用.pdf

1、光作為信息的載體，具有速度快，容量大的優(yōu)勢(shì)。但是由于存在衍射極限的限制，器件不能做得比波長(zhǎng)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(zhǎng)，對(duì)信息處理的集成度要求越來(lái)越高，必須尋找一種新的信息載體來(lái)進(jìn)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?yàn)樗軌蛲黄蒲苌錁O限在微納結(jié)構(gòu)中傳輸。將表面等離子體作為集成光學(xué)中的信息載體，可以有效提高器件的集成度。過(guò)去的十幾年，人們對(duì)表面等離子體進(jìn)行了大量的研究，不斷探索如何將它應(yīng)

2、用到信息傳輸中，其中將表面等離子體應(yīng)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(jì)算機(jī)所無(wú)法解決的問(wèn)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(guò)近場(chǎng)的方式研究表面等離子體的性質(zhì)，并將它應(yīng)用到信息處理中。本文主要介紹本人在實(shí)驗(yàn)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(yīng)用

3、　　將光子角動(dòng)量信息編碼到表面等離子體上。表面等離子體應(yīng)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(dòng)量和軌道角動(dòng)量經(jīng)常用于編碼信息。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光子角動(dòng)量信息能夠加載到表面等離子體中，從而說(shuō)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(guò)表面等離子體，不僅可以將自旋角動(dòng)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(duì)而提高信息傳輸?shù)陌踩裕@在量子通信中具有重要意義。

4、>　　用振幅干涉法測(cè)光子軌道角動(dòng)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(guò)的激發(fā)光之間發(fā)生相互干涉而導(dǎo)致橫向場(chǎng)強(qiáng)分布的旋轉(zhuǎn)，所以帶有不同軌道角動(dòng)量的光入射到等離子體透鏡上，在其上方分布的電磁場(chǎng)強(qiáng)度圖樣不同，利用這一性質(zhì)可以測(cè)量入射光的軌道角動(dòng)量。文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論證明，用振幅干涉法測(cè)量光子軌道角動(dòng)量，不僅可以測(cè)量軌道角動(dòng)量的量子數(shù)大小，同時(shí)還可以得到它的符號(hào)，這體現(xiàn)了表面等離子體在信息處理中的優(yōu)勢(shì)。
　　自旋路徑編碼轉(zhuǎn)換器

5、。在自由空間光學(xué)中，一般用光子的自旋態(tài)來(lái)編碼信息，而在集成光子學(xué)中，傾向于用路徑編碼信息。如果要在這兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息傳遞，那么就需要對(duì)這兩種方式編碼的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文根據(jù)激發(fā)表面等離子體時(shí)對(duì)偏振的依賴(lài)性設(shè)計(jì)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(gè)編碼轉(zhuǎn)換器可以工作在可見(jiàn)光波段，并且具有很寬的帶寬。它的消光比可以達(dá)到120∶1，有利于降低信息傳輸過(guò)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(xué)和集成光子學(xué)

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(jiàn)光波長(zhǎng)，所以由它激發(fā)的表面等離子體，相當(dāng)于從點(diǎn)源發(fā)出的，具有很高的相干性。實(shí)驗(yàn)中采用雙探針近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡，將一個(gè)探針用于激發(fā)表面等離子體，另一個(gè)探針用于收集等離子體透鏡上的表面等離子體干涉場(chǎng)分布。實(shí)驗(yàn)證明表面等離子體的相干性與激發(fā)探針的針尖直徑負(fù)相關(guān)。
　　近場(chǎng)

7、分析銀納米線上的表面波。銀對(duì)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(dǎo)用于傳輸表面等離子體。鑒于銀納米線的尺度小，采用近場(chǎng)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(shí)，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(zhǎng)度只有約1微米，遠(yuǎn)小于表面等離子體的傳輸長(zhǎng)度，但是它的強(qiáng)度是表面等離子體的幾十倍。而在集成光子學(xué)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(guò)兩種不

8、同的近場(chǎng)探測(cè)方法，即動(dòng)態(tài)激發(fā)方法和靜態(tài)激發(fā)方法，分別研究爬行波對(duì)兩種不同表面等離子體模式的影響。實(shí)驗(yàn)和理論證明爬行波會(huì)對(duì)銀納米線上的表面波能量分布進(jìn)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(xué)中的應(yīng)用做了準(zhǔn)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(diǎn)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(jìn)行傳輸，就必須實(shí)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(diǎn)與銀納米線作用時(shí)對(duì)偏振的依賴(lài)性，CdSe量子點(diǎn)能級(jí)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(gè)開(kāi)放的光學(xué)天線，會(huì)對(duì)CdSe量子點(diǎn)的熒光具有偏振調(diào)制作用。要想在表面等離子體上通過(guò)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?yàn)檫@不僅會(huì)影響轉(zhuǎn)化效率還會(huì)對(duì)信息量本身產(chǎn)生影響。
　　制備可移動(dòng)的單光子源。實(shí)現(xiàn)在確定位置激發(fā)表面等