简单结构高透射率光二极管的理论设计

Making photon computer is the ideal of humankind. The first step toward this aim is to work out optical diodes. This is a hotspot currently. Great amount of efforts have been devoted up to now to design various optical diodes being of possible usage. However, there is still some distance to go toward the practical devices. It is still necessary to explore further the simplicity of the optical diodes, enhancing their unidirectional transmissivity and expanding the wavelength range within which the optical diodes work. We think that making full use of the extraordinary optical transmissivity of subwavelength metal slits is an effective way to raise the transmissivity of optical diodes. This project is intended to set up optical diode models with simple structure. Specifically, metal slits with subwavelength width and other width are combined to construct spatial asymmetric structures, which can be single slit or slits. The metals are ideal metals first and then real metals. We will, by use of deriving formulas and numerical simulation with software, study the physical mechanism of the optical transmittance and transmissivity when light goes through such structures. The interplay between slit in the case of multi-slit structure will also be carefully investigated. We shall achieve the transmissivity and signal contrast under concrete structural parameters, and elevate the transmissivity and signal contrast under comparatively wider wavelength range as far as possible. We will try our best to achieve one-way transmittance of the light. Our aim is to work out practical optical diodes which are of simple structure and can easily be large-scale-integrated.

实现光子计算机是人类的理想。制造光子计算机的第一步是要制造出光二极管。到目前为止在这方面已经做出了很大的努力，设计了各种可能的二极管。但是，离可实用的光二极管，还是有一段距离的。在光二极管器件结构的简单性，提高透射率和单向性，扩展光的工作波长范围等方面，有必要做进一步的探索。充分利用亚波长金属狭缝的异常透射性质，是提高光二极管透射率的一个有效途径。本项目拟建立结构简单的光二极管模型，具体说来，就是由亚波长与非亚波长金属狭缝组成空间上非对称的结构，包括单缝和多缝，先研究理想金属而后是实际金属。运用理论公式推导和软件数值模拟的方法，研究光通过这样的结构时透射的物理机制，透射率，多缝情况下缝之间的相互影响。具体给出一定结构参数下的透射率和透射比，尽可能实现在相对较宽的波长范围内有尽可能高的透射率和透射比，力争实现单透性。从理论上设计出实用的，结构简单的，可用于大规模集成的光二极管器件。

本项目围绕申请书中提出的方案，主要研究了光二极管的可能的器件。分析了其中物理机制。从理想模型方面，我们用模式展开方法研究了光通过理想导体亚波长狭缝接口处的透射问题。理论计算表明，在有些波长时，光在正反两个方向的透射率之差可以很大。这个特点可以应用于制造光二极管。特别是，在临界波长，透射率为零。这一现象利用来制作光波阻断器。若用光二极管等全光器件构成可实用的原件，例如光计算机，那么，光二极管之间一定是非常密集地排列的。这就要考虑它们之间的相互影响。我们研究了多缝之间的相互影响。这一理论成果可以指导实际制作超强透射光栅时和有众多二极管密集分布时，应该如何适当地设计缝间距离。.对于有限尺寸的实际器件，我们构想了各种各样的方案，来实现光二极管的效果。可以分为有和无附加装置两类。有附加装置的设计有两种。一种是亚波长缝构成一个光栅，在光栅表面覆盖一层磁光材料。那么，利用材料在外加磁场时出现旋光性这样的特点，可以实现光的单透性。并且，调节磁场，可以分别实现正反两个方向的单透性。还有一种实用的器件是，在金属亚波长狭缝前后分别附加一个光栅。这样的光栅具有汇聚效应和屏蔽效应。这两种效应的综合，能够增强光的单透性。若无辅助材料，则一个对称的光栅无法实现光的单透性。我们设计了两端非对称的甚至是一个双光栅的组合。这样结构的系统具有正反向的不对称性。我们设计了巧妙的方法，来计算这样不对称光栅的透射率。一种旋转单缝的装置也能够实现很好的单透性。我们给出了制作这种结构的方法。最后，可以利用一个弯曲的光波导，其中的一段内含有超晶格，就可以实现很好的单透性。单透性的来源是超晶格效应和波导弯曲效应综合效果。.本项目工作有失败之处。我们按照原来的思路，利用波的干涉原理，设计了光二极管和三极管的模型结构。数值模拟计算表明，其工作是能够符合我们的预期的。但是，论文投稿始终未得到通过。由于工作不能得到认可，我们也就不再继续进行下一步的动态的工作。我们考虑到，在亚波长金属狭缝内，能量密度比在狭缝之外的能量密度要高。光波进入下波长狭缝之后，似乎受到了压缩。有鉴于此，本项目负责人预计可以实现高密度的能量聚集。在这一点上，没有达到预期的目标。尝试失败了。.本项目执行期间，已发表的标注本项目致谢的并围绕本项目课题内容的SCI论文8篇，中文著作一本。另有标注本项目致谢但与本项目内容基本无关的SCI论文15篇。