随着现代通信网络的发展以及5G时代的到来,人们对于通信速率和带宽也提出了更高的要求,然而现代通信网络仍受到“电子瓶颈”的约束。因此全光通信成为了目前最具前景与潜力的未来通信技术选择。而全光开关和全光逻辑作为全光通信网络中的关键器件,起着监控通信路径和构建光交换网络的作用。全光网络由于不存在光电转换的过程而直接以光控光,可以摆脱“电子瓶颈”的约束,从而可以提高通信速率,扩展带宽容量。近年来,硫系相变材料因其光学常数可调以及非易失的特性,被用于许多可调光子器件,其中相变全光逻辑受到了广泛的关注。然而现有的相变全光逻辑多集中于片上波导的逻辑运算,其利用倏逝波耦合的原理限制了开关对比度,且光纤系统耦合到片上波导也会引入额外的损耗,这限制了其作为光纤通信器件的应用。本文利用相变全介质超表面结构实现特殊形状的透射光谱,探索了超表面几何参数对于其光谱谐振峰的变化规律,并提出了在自由空间中实现的逻辑运算功能设计。本文得到的主要研究结果如下:（1）针对所提出的相变全介质超表面全光开关的几何参数对透射光谱的影响进行了研究,其中几何参数包括各膜层厚度、纳米孔半径、孔周期等。其中,根据谐振场增强分布模式的不同,将1550nm附近的两处谐振峰分为两种谐振模式——薄膜厚度敏感谐振模式和纳米孔几何尺寸敏感谐振模式。总结分析了各参数对两种模式透射谐振峰影响的变化规律,并对其进行了机理解释。（2）基于共振键合理论中相变材料在飞秒激光激发的非晶化过程会由于载流子迁移导致共振键恢复过程,对相变全介质超表面全光开关具有更快的开关速率提出了一种合理的机理解释,表明相变全介质超表面对比等离子体超表面除了损耗优势以外还能够显著提升器件的开关速度。（3）提出了相变全介质超表面全光开关作为单元在三维空间垂直于光路级联的设计。并且提出了四种不同逻辑功能的超表面几何参数结构设计——除了单输入非门,通过演示两片单元薄膜的垂直级联,分别实现了自由空间中双端口输入的与门、或门、或非门的逻辑功能。本文提出的相变全介质超表面全光逻辑设计,具有以下几个特点:可以在一个单元薄膜上集成多种工作波长和逻辑功能的超表面区域;通过机械方式或者其他的全光波前调制改变其工作区域实现功能的切换;可以在自由空间中实现并行处理的光逻辑运算。