光学计算器件是一种新型的光学物理器件,它能够在入射光场与器件结构作用的时间内对入射光场进行数学运算。光学计算可以同时处理大量的数据,从而满足很多领域对信息实时处理的要求,因此光学计算器件受到了广泛研究和关注。但是目前的研究主要集中在提出一种可实现光学计算的物理结构,很少有研究关注于针对光学器件的灵活可调性的设计和研究。近些年,一方面,借助于石墨烯的高度可调性实现光集成器件上的动态调控已经成为研究的热点内容,另一方面,算法优化技术可以和石墨烯高度可调性无缝结合,从而可以设计出更加灵活、性能更加出色的光学器件。本文提出了基于石墨烯结构的光学空间计算器,借助于结构的高度可调性和算法优化技术,提出了多种光学器件的设计方法,并针对不同的性能设计需求进行了探究。具体研究工作包括下面几个方面:一、在光学空间一阶微分器设计和研究中,数值仿真结果表明,在入射光束具有不同的傅立叶光谱宽度时,当输入光束的束腰半径大于1.7λ时,微分性能归一化均方根误差(NRMSD)都小于5%。借助遗传算法(GA),通过调节结构中石墨烯的化学势和宽度,分析了微分结果幅度最大值和微分误差的关系,并研究了不同性能要求的微分器的优化设计。数值仿真结果显示,相对于GA初始代而言,最优微分性能时NRMSD值改善了 29.45%。同时,可以设置不同的权重比达到不同的性能要求,结果表明在平衡幅度最大值和性能参数情况下的NRMSD 值改善了 22.60%。二、在光学空间一阶积分器设计和研究中,数值仿真结果表明积分误差和积分结果的幅度最大值不能同时达到最优,借助于石墨烯的高度可调性和算法优化技术,通过动态调整结构中多层石墨烯的化学势和宽度设计出了不同性能需求的积分器。数值仿真结果显示,相比于GA初始代结果,最优积分性能时NRMSD值改善了 25.23%。与现有结构相比,这种算法优化技术的优势在于可以针对不同性能要求改变不同的权重比来设计结构。在平衡幅度值最大值和性能参数时,数值仿真结果表明,该情况下的NRMSD值减小了 27.10%。综上,本文借助石墨烯的高度可调性设计出基于石墨烯材料的光学空间计算器件。该结构具有高度可调性,能够在不同参数下实现光学微分和积分运算。借助于算法优化技术,可以更加灵活的设计出满足不同性能设计要求的微分器和积分器。