All-in-one, all-optical logic gates using liquid metal plasmon nonlinearity

等离子体子 材料科学 电子线路 带宽(计算) 逻辑门 光电子学 调制(音乐) 宽带 计算机科学 物理 电信 算法 声学 量子力学
作者
Jinlong Xu,Chi Zhang,Yulin Wang,Mudong Wang,Yanming Xu,Tianqi Wei,Zhenda Xie,Shiqiang Liu,Chao-Kuei Lee,Xiaopeng Hu,Gang Zhao,Xinjie Lv,Han Zhang,Shining Zhu,Lin Zhou
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 1726-1726 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46014-3
摘要

Abstract Electronic processors are reaching the physical speed ceiling that heralds the era of optical processors. Multifunctional all-optical logic gates (AOLGs) of massively parallel processing are of great importance for large-scale integrated optical processors with speed far in excess of electronics, while are rather challenging due to limited operation bandwidth and multifunctional integration complexity. Here we for the first time experimentally demonstrate a reconfigurable all-in-one broadband AOLG that achieves nine fundamental Boolean logics in a single configuration, enabled by ultrabroadband (400–4000 nm) plasmon-enhanced thermo-optical nonlinearity (TONL) of liquid-metal Galinstan nanodroplet assemblies (GNAs). Due to the unique heterogeneity (broad-range geometry sizes, morphology, assembly profiles), the prepared GNAs exhibit broadband plasmonic opto-thermal effects (hybridization, local heating, energy transfer, etc.), resulting in a huge nonlinear refractive index under the order of 10 −4 −10 −5 within visual-infrared range. Furthermore, a generalized control-signal light route is proposed for the dynamic TONL modulation of reversible spatial-phase shift, based on which nine logic functions are reconfigurable in one single AOLG configuration. Our work will provide a powerful strategy on large-bandwidth all-optical circuits for high-density data processing in the future.
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