浙江大學(xué)阮智超教授課題組與合作者在亞波長(zhǎng)全光模擬運(yùn)算的研究中取得了新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建空間耦合模理論，設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種基于金屬表面等離激元的空間光場(chǎng)微分器，能夠在光的反射過(guò)程中，實(shí)時(shí)地對(duì)光場(chǎng)的空間分布進(jìn)行微分模擬運(yùn)算。
“2017中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”候選推薦
隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)信息處理性能的需求不斷提高。與傳統(tǒng)電子器件的信息處理方式相比，光學(xué)信息處理技術(shù)憑借其超快速、大帶寬、大通量和低損耗等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種重要的信息處理手段。而作為一種重要的運(yùn)算方式，傳統(tǒng)的光學(xué)模擬運(yùn)算需要利用大量宏觀尺寸的光學(xué)器件，所占用的空間過(guò)大，不利于運(yùn)算系統(tǒng)的微型化和集成化。
近年來(lái)，利用微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光學(xué)模擬運(yùn)算吸引了大批學(xué)者的興趣和關(guān)注。多項(xiàng)理論研究結(jié)果表明，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的超表面或多層平板等微納結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒖臻g微分器等光學(xué)模擬運(yùn)算器件的尺寸縮小到波長(zhǎng)量級(jí)。然而，由于這些微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)上精確地制備這些器件并以之實(shí)現(xiàn)光學(xué)模擬運(yùn)算存在非常大的難度，因此至今仍未有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成果報(bào)道。
近日，阮智超教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建空間耦合模理論，設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種基于金屬表面等離激元的空間光場(chǎng)微分器，能夠在光的反射過(guò)程中，實(shí)時(shí)地對(duì)光場(chǎng)的空間分布進(jìn)行微分模擬運(yùn)算。
該微分器采用最簡(jiǎn)單的表面等離激元結(jié)構(gòu)，易于制備及大規(guī)模生產(chǎn)，器件厚度僅50 nm，達(dá)到亞波長(zhǎng)級(jí)別。該器件能夠分別實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)振幅和相位的空間分布的微分運(yùn)算，模擬運(yùn)算精度達(dá)到94%以上。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications [ 8, 15391 (2017 ) ] 上。
基于器件的空間微分本領(lǐng)，該課題組提出了其在實(shí)時(shí)圖像處理方面的重要應(yīng)用。課題組利用該微分器對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)了超快速的實(shí)時(shí)邊界檢測(cè)、邊緣提取，最小空間分辨率達(dá)到7 μm，在醫(yī)學(xué)和衛(wèi)星圖像處理等領(lǐng)域中有重要的技術(shù)應(yīng)用前景。
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