基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的全光开关

基于pd光子晶体与石墨烯复合结构的全光开关
技术领域
1.本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于pd光子晶体与石墨烯复合结构的全光开关。


背景技术：

2.在全光通信中，需要在光域内对信息进行存储、传输、中继、判决、定时、放大和整形等，这就要大力发展光控光的全光器件，而基于光学双稳态的全光开关便是其中重要的一类。光学双稳态是基于材料光克尔效应的一种非线性光学效应。当入射光足够强时，一个输入光强值可以对应着两个不同的输出光强值，即一个入射光强值可以诱导两个稳定的共振输出态。
3.当把光学双稳态应用于全光开关时，双稳态的上、下阈值分别对应着全光开关的开通和关断判决阈值；判决阈值越大，触发全光开关开通和关断所需的输入光强越强。但随着器件功率的增大，器件工作稳定性会变差，且对散热要求也会提高。另外，双稳态的上、下阈值间隔越小，对应的全光开关的开通和关断判决阈值区分度就越小，这会导致误操作率升高。因此，目前对光学双稳态器件的研究主要集中如何通过新材料和新结构来降低光学双稳态的阈值，以及增大上、下阈值之间的间隔。
4.为了实现低阈值的光学双稳态效应，一方面是寻求具有较大三阶非线性系数的材料；另一方面是通过优化系统结构来增强局域电场。光克尔效应正比于局域电场强度，因此，强的局域电场可以提高材料的三阶非线性光学效应，从而降低光学双稳态的阈值。
5.石墨烯是一种新兴的二维材料，具有超薄性和优良的导电性。石墨烯表面电导率可以通过其化学势来灵活地调控。重要的是，石墨烯具有可观的三阶光学非线性系数，这使得石墨烯成为光学双稳态研究中的重要材料。另外，为进一步降低双稳态的阈值，可以利用石墨烯的表面等离子激元来增强石墨烯所在位置的局域电场；还可将石墨烯嵌入到缺陷光子晶体中来增强其非线性效应。缺陷光子晶体中缺陷模的能量主要分布在缺陷层中，因此在缺陷层中嵌入石墨烯，可极大地提高石墨烯的非线性效应。
6.将两种折射率不同的电介质薄片在空间上交替排列，即可形成周期性结构的光子晶体。在波矢空间，光子晶体具有类似于半导体中电子能带的光子能带结构。处于带隙内的光波会被全部反射回来。如果在光子晶体中引入缺陷层，透射谱中会出现缺陷模。缺陷模是一种透射模，对电场具有强的局域作用，常被用于增强材料的三阶非线性效应。
7.准周期光子晶体(简称准光子晶体)或非周期光子晶体中存在天然的缺陷层，且缺陷模的数量随着序列序号的增加呈几何级数递增，故常将准光子晶体或非周期光子晶体用于增强电场的局域性。
8.thue-morse(tm)序列在数学上是一种准周期序列，其对应的光子晶体是准光子晶体。将石墨烯嵌入到tm光子晶体中，提高入射光强，可以实现光学双稳态效应，光学双稳态的阈值约为100gw/cm2(吉瓦每平方厘米)。tm光子晶体具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，即共振透射模。随着光子晶体序列序号的增加，tm光子晶体中电介质层
数增加，透射谱中的透射模呈几何级数分裂，故也将这些透射模叫分形共振态。光学分形态对电场具有强的局域作用，可用于实现低阈值的光学双稳态。
9.另外，相对于单个光子晶体，中心对称光子晶体中，其缺陷模的共振性更强，电场局域性也更强。能否寻找到电场局域性更强的的准周期光子晶体，形成中心对称分布结构，再与石墨烯复合，利用对称分布的准光子晶体来增强石墨烯的非线性效应，从而实现更低阈值的光学双稳态，将是本领域中值得研究课题。


技术实现要素：

10.本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于pd(period-doubling：周期倍增)光子晶体与石墨烯复合结构的全光开关，本发明所要解决的技术问题是如何使全光开关的光学双稳态的阈值更低。
11.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于pd光子晶体与石墨烯复合结构的全光开关，其特征在于，包括若干均匀电介质薄片一、若干均匀电介质薄片二和两个石墨烯单层，所述均匀电介质薄片一、均匀电介质薄片二和石墨烯单层分别用h、l和g表示，所述复合结构表示为：hl1gl2hhhhl2gl1h，其中，l1gl2和l2gl1均为石墨烯单层嵌入均匀电介质薄片二内形成的层状结构；所述均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二的厚度均为各自光学波长的四分之一；所述pd光子晶体与石墨烯复合结构中存在光学分形态，光学分形态对电场具有局域作用，两个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态对应的局域电场最强位置；石墨烯的三阶非线性光学效应得到极大地增强，进而实现实现低阈值的光学双稳态；所述光学双稳态可用于全光开关。
12.进一步的，所述均匀电介质薄片一为高折射率材料碲化铅；所述均匀电介质薄片二为低折射率材料冰晶石。
13.进一步的，所述全光开关的开通、关断的判决阈值，以及开通和关断阈值之间的间隔通过石墨烯单层的化学势调控。
14.进一步的，所述全光开关的开通、关断阈值，以及开通和关断阈值之间的间隔通过入射波长调控。
15.将折射率高、低不同的两种电介质薄片h和l，按照序列序号n＝2的pd(period-doubling：周期倍增)序列依次排列，形成一个关于中心对称的pd光子晶体；再将2个石墨烯单层嵌入中心对称pd光子晶体中，形成复合结构；中心对称pd光子晶体对中存在光学分形态，光学分形态对电场具有强的局域作用；2个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态局域电场最强的位置，因此石墨烯的三阶非线性效应得到极大地增强，进而实现低阈值的光学双稳态；此结构中光学双稳态的阈值可低至100mw/cm2，这比thue-morse(tm)光子晶体和石墨烯的复合结构中的光学双稳态的阈值低3个量级。
16.所述中心对称pd光子晶体与石墨烯的复合结构中光学双稳态的上、下阈值，以及上、下阈值之间的间隔，随石墨烯的化学势和入射波长的增大而增大。因此，将该光学双稳态效应应用于全光开关时，触发全光开关开通、关断的判决阈值，以及开通和关断对应的判决阈值之间的间隔，都可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。
附图说明
17.图1是序列序号n＝2的中心对称pd光子晶体与石墨烯复合结构示意图。
18.图2是序列序号n＝2的中心对称pd光子晶体结构中光波的线性透射谱。
19.图3是波长λ3＝1.1132μm对应的光学分形态的归一化电场分布。
20.图4是基于光学双稳态的全光开关原理图。
21.图5(a)是不同的石墨烯化学势对应的输入-输出光强关系；图5(b)是双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。
22.图6(a)是不同的入射波长对应的输入-输出光强关系；图6(b)是光学双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系。
23.图中，h、均匀电介质薄片一；l、均匀电介质薄片二；g、石墨烯单层。
具体实施方式
24.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
25.数学上，pd(period-doubling：周期倍增)序列的迭代规则为：s0-h，s1-hl，s2-hlhh，
……
，sn-s
n-1sn-2sn-2
，
……
，其中n(n＝0，1，2，3，
……
)表示序列的序号，sn表示序列的第n项。在对应的pd光子晶体中，字母h、l分别表示折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。
26.图1给出的是序列序号n＝2的中心对称pd光子晶体与石墨烯的复合结构示意图。序列序号n＝2的中心对称pd光子晶体可以表示成：hlhhhhlh，其中字母h、l分别表示两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片；该光子晶体中存在光学分形效应；再将2个石墨烯单层分别嵌入其中一个分形态对应的局域电场最强位置，形成复合结构；该复合结构可以表示成：hl1gl2hhhhl2gl1h，其中g表示石墨烯单层。
27.在所述的中心对称pd光子晶体对中，h为高折射率材料碲化铅，其折射率为nh＝4.1；l、l1和l2为低折射率材料冰晶石，其折射率为n
l
＝1.35。h和l的厚度均为1/4光学波长，即h的厚度为dh＝λ0/4/nh＝0.0945μm(μm表示微米)，l的厚度为d
l
＝λ0/4/n
l
＝0.287μm，其中λ0＝1.55μm为中心波长。l1的厚度为d
l1
＝0.1779μm，l2的厚度为d
l2
＝0.1091μm，满足条件d
l1
+d
l2
＝d
l
。入射光为横磁波，从左边垂直入射。水平向右为坐标轴z方向的正方向。
28.单层石墨烯的厚度约为0.33nm(nm表示纳米)，相当于一个原子的尺度。相对于电介质薄片h、l、l1和l2的厚度，石墨烯的厚度可以忽略不计。这里将环境温度设置为300k(k表示开尔文)，石墨烯中电子的驰豫时间为τ＝0.5ps(ps表示皮秒)。
29.改变入射光频率，当不考虑石墨烯的影响时，图2给出的是序列序号n＝2的中心对称pd光子晶体中光波的线性透射谱。纵坐标t表示光波的透射率；横坐标(ω-ω0)/ω
gap
表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ω
gap
＝4ω0arcsin
│
(n
h-n
l
)/(nh+n
l
)|2/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。在归一化频率为[-1,1]区间内，存在一个光子带隙，在带隙中间，出现3个透射率的共振峰，对应着3个共振光学分形态；它们彼此独立，且相隔适当距离；这3个透射率峰值都为1，从左到右依次对应的中波长分别为：λ1＝2.551μm、λ2＝1.55μm和λ3＝1.1132μm。这3个光学分形态都对电场具有局域作用。这里只选取第3个共振态(用星号
☆
标注)，得到其对应
的模场分布。再将石墨烯单层镶嵌在结构中局域电场强度最强的位置，从而增强石墨烯的非线性效应，实现低阈值光学双稳态效应。另外，要在第3个共振态附近实现低阈值的光学双稳态，入射波长必须相对于第3个共振态波长λ3＝1.1132μm适当地红失谐。
[0030]
图3给出的是第图2中第3个共振光学分形态在复合结构中的电场分布，对应的共振波长λ3＝1.1132μm。虚线表示相邻两层电介质的分界面，2个石墨烯单层g分别被镶嵌在结构中局域电场强度最强的2个位置。纵坐标表示归一化的z分量电场强度。可以看到：电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性；2个石墨烯单层正好分别位于局域电场最强的2个位置。石墨烯的三阶非线性光学效应与局域电场强度成正比，因此，石墨的非线性效应得到极大地增强。
[0031]
固定入射波长λ＝1.148μm，该波长相对于的图2中第3个光学分形共振波长λ3＝1.1132μm存在一定的红失谐。增大入射光强，考虑石墨烯的非线性效应。石墨烯的化学势为μ＝0.5ev固定，其它参数保持不变，图4给出的是输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象，并将其应用于全光开关。横坐标ii表示输入光强，纵坐标io表示输出光强。单位mw/cm2表示兆瓦每平方厘米。输入-输出光强关系的轮廓线中存在一段s形曲线段，这就是光学双稳态的典型特征。当输入光强从一个较低值逐渐升高时，在s形曲线段的右拐点处，输出光强会发生向上的跳变，把此时的输入光强ii＝iu叫作光学双稳态的上阈值，此过程对应着全光开关的开通过程，把ii＝iu叫作触发全光开关的开通阈值；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在s形曲线段的左拐点处，输出光强会发生向下的跳变，把此时的输入光强ii＝id叫作光学双稳态的下阈值，此过程对应着全光开关的关断过程，把ii＝id叫作触发全光开关的关断阈值。此时，触发全光开关的开通阈值为iu＝1098.7mw/cm2，触发全光开关的关断阈值为id＝1005.5mw/cm2，触发全光开关开通和关断阈值之间的间隔为i
u-id＝93.2mw/cm2。
[0032]
保持入射波长λ＝1.148μm和其它参数不变，图5(a)给出的是不同石墨烯化学势μ对应的输入-输出光强关系。可以看到：当μ＝0.3ev、0.4ev和0.5ev时，输入-输出光强关系曲线中都各有一段s形曲线段，即是双稳态关系。增大μ值，不同的化学势对应的双稳态曲线不同，且双稳态的上、下阈值和阈值间隔也不同。
[0033]
图5(b)给出的是双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。纵坐标i
th
表示双稳态的阈值，符号iu和id分别表示双稳态的上、下阈值；入射波长λ＝1.148μm，在0.2ev≤μ≤0.5ev区间内，都会出现双稳态现象；双稳的上、下阈值，以及双稳态上、下阈值之间的间隔随着石墨烯化学势的增大而增大。因此，可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
[0034]
在thue-morse(tm)光子晶体与石墨烯的复合系统中，光学双稳态阈值为100gw/cm2量级，而在中心对称pd光子晶体与石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值被降低至gw/cm2量级，即降低了2个量级。
[0035]
另外，不同的入射波长，对应的双稳态曲线和阈值也不同。
[0036]
固定石墨烯化学势μ＝0.5ev时，其它参数保持不变，图6(a)给出的是不同入射波长对应的输入-输出光强关系。可以看到：当λ＝1.14μm时，输入-输出光强关系是非双稳的，即输入-输出关系曲线中无s形曲线段；而当λ＝1.15和1.16μm时，输入-输出光学都是双稳的，即输入-输出关系曲线中都存在s形曲线段；当双稳态现象发生时，不同入射波长对应的双稳态曲线不同，即双稳态的上、下阈值和阈值间隔不同。图6(b)给出的是光学双稳态的阈
值随波长的变化关系。固定石墨烯化学势为μ＝0.5ev。可以看到：当λ《1.143μm时，光学双稳态现象不会发生；而当1.143μm≤λ时，才会出现双稳态现象；随着入射波长的增大，即波长失谐量的增大，光学双稳态的上、下阈值，以及阈值间隔都增大。波长的失谐量越大，要实现共振，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，则满足共振所需的输入光场能量就越强。因此，可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
[0037]
总之，在中心对称的pd光子晶体与石墨烯复合中，存在共振的光学分形态，光学分形态对电场局域较强的局域作用；2个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态对应的局域电场最强的2个位置，故石墨烯的非线性效应得到极大地增强，从而实现低阈值光学双稳态；光学双稳态的阈值低至gw/cm2量级，比tm光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小2个量级。所述光学双稳态可应用于全光开关，全光开关开通、关断阈值，以及开通、关断阈值之间的间隔都可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。
[0038]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。