一种具有光学双稳态效应的全光开关

摘要

本发明提供了一种具有光学双稳态效应的全光开关，属于光学技术领域。包括两个石墨烯单层和一个序列序号N＝2的康托尔光子晶体，所述康托尔光子晶体结构为：ABABBBABA，字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；所述康托尔光子晶体存在2个彼此独立的光学分形态，分形态对应的电场具有局域作用；其中一个分形态存在两个局域电场最强的位置，两个石墨烯单层正好被嵌入这两个局域电场最强的位置；此复合结构整体上可表示成：ABAB1GB2BB2GB1ABA，其中G表示石墨烯单层；石墨烯的三阶非线性效应得到极大地增强，进而实现低阈值光学双稳态；电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各种光学波长的1/4。本发明具有光学双稳态的阈值更低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种具有光学双稳态效应的全光开关。

背景技术

在全光通信中，需要在光域内对信息进行传输、中继、定时、放大和整形等，这就要大力发展光控光的全光器件。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，即一个入射光强可以诱导两个稳定的输出共振态。当把光学双稳态应用于全光开关时，双稳态的上、下阈值分别对应着光开关的开通和关断阈值。阈值越大，触发光开关开通或关断所需的光强就越强。但是，随着器件功率的增大，器件工作时的稳定性会变差，且对散热的要求变高。另外，开关的上、下阈值间隔越小，开通和关断的区分度就越小，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。

为了实现低阈值的光学双稳态效应，一方面寻求具有较大三阶非线性系数的材料，另一方面，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，故强的局域电场可以提高材料的三阶非线性效应，从而降低双稳态的阈值。

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。其表面电导率可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控。最重要的是，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炙手可热的材料。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的局域电场；还可将石墨烯嵌入到光子晶体的缺陷层中来增强其非线性效应。在缺陷层中嵌入石墨烯，缺陷模的模场能量主要分布在缺陷层中，则可极大的增强石墨烯的非线性效应。

将两种折射率不同的电介质在空间上交替排列，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无透射地被全部反射。如果在光子晶体中引入缺陷层，透射谱中会出现透射模。透射模也是一种缺陷模，对电场具有较强的局域性，常被用于增强材料的三阶非线性效应。

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现几何级数倍增，故准光子晶体或非周期光子晶体是可被应用于增强电场局域性。

将石墨烯和准光子晶体复合，如将石墨烯嵌入到Thue-Morse 光子晶体中，可以实现低阈值的光学双稳态。Thue-Morse序列在数学上是一种准周期序列，其对应的光子晶体是准周期光子晶体。 Thue-Morse光子晶体中具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，即共振透射模。随着序列号的增加，光子晶体结构中电介质层数相应地增加，透射谱中的透射模呈几何级数分裂，故将这些共振模叫Thue-Morse光子晶体的光学分形共振态。这些光学分形态对电场的局域性，可实现低阈值的光学双稳态，光学双稳态的阈值约为GW/cm

为进一步降低光学双稳态的阈值，将石墨烯与Octonacci光子晶体复合。Octonacci光子也是一种非周期光子晶体，具有光学分形的特性，这些光学分形态对电场的局域性更强。特别地， Octonacci光子晶体的共振透射模彼此之间独立，间隔距离适当。可被用于实现多个彼此独立的低阈值光学双稳态。在石墨烯与 Octonacci光子晶体的复合结构中，光学双稳态的阈值约为 100MW/cm

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种具有光学双稳态效应的全光开关，本发明所要解决的技术问题是如何降低全光开关的光学双稳态的阈值。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，包括两个石墨烯单层和一个序列序号N＝2的康托尔(Cantor)光子晶体，所述康托尔光子晶体结构为：ABABBBABA，字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；所述康托尔光子晶体存在2个彼此独立的光学分形态，分形态对应的电场具有局域作用；其中一个分形态存在两个局域电场最强的位置，两个石墨烯单层正好被嵌入这两个局域电场最强的位置；此复合结构整体上可表示成： ABAB

所述电介质薄片A的基质材料为碲化铅，折射率为n

进一步的，所述电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各种光学波长的1/4，即A的厚度为d

所述复合结构中光学双稳态的阈值可低至10MW/cm

基于Cantor光子晶体与石墨烯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减小而降低，因此，将此结构中的光学双稳态可应用于全光开关时，全光开关的开通和关断阈值，以及开、关阈值之间的间隔，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

图1是序列序号N＝2的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构示意图。

图2是序列序号N＝2的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。

图3是波长λ＝1.2442μm对应的光学分形态的归一化电场分布。

图4是出射光强随入射光强的变化关系。

图5中(a)图是不同的石墨烯化学势对应的输入-输出光强关系；图5中(b)图是双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。

图6中(a)图是不同的入射波长对应的输入-输出光强关系；图 6中(b)图是双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系。

图7是基于两光学双稳态的二值全光开关原理图。

具体实施方式

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。

在数学上，康托尔(Cantor)序列的迭代规则为：S

石墨烯单层的厚度约为0.33nm(nm表示纳米)，相当于一个原子的尺寸。相对于电介质薄片A、B、B

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Cantor光子晶体中光的线性透射谱。纵坐标T 表示光波的透射率；横坐标(ω-ω

电介质和石墨烯按照上述规则沿水平方向从左到右依次排列。图3给出的是第二个共振光学分形态在复合结构中的电场分布。虚线表示相邻两层电介质的分界面，两片石墨烯单层G分别被镶嵌在结构中电场强度最强的两个位置。纵坐标表示归一化的电场强度。可见电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性。局域电场最强点正好位于石墨烯单层处。石墨烯的光学三阶非线性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。

设置石墨烯的化学势为μ＝0.3eV，其它参数保持不变，图4 给出的是输出光强随输入光强的变化关系。入射光波长为λ＝1.27μm，相对于第二个共振波长λ＝1.2442μm存在一定的红失谐。横坐标I

当输入光强从一个相对较小值逐渐增加时，在S曲线的拐点 1处，输入光强I

当输入光强位于上、下阈值之间，即I

当然，不同的入射波长，或石墨烯的化学势不同，对应的双稳态曲线和阈值是不同的。

固定入射波长λ＝1.27μm，其它参数保持不变，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＝0.1eV～0.4eV时，输入-输出光强都是双稳态关系；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；随着石墨烯化学势的增加，双稳的上、下阈值都增大，且双稳态的阈值间隔也增大，如图5(b)所示。Upper Threshold和Lower Threshold分别表示双稳态的上、下阈值。双稳的上、下阈值和阈值间隔随石墨烯的化学势增大而增大，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。

固定石墨烯化学势μ＝0.3eV，其它参数保持不变时，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<1.263μm时，输入-输出不是双稳关系；当λ≥1.263μm时，输入 -输出光学是双稳的；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；随着入射波长的增大，即失谐量增大，双稳态的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间隔增大，如图6(b)所示。Upper Threshold和Lower Threshold分别表示双稳态的上、下阈值。可以看到，当λ≥1.263μm时，才出现双稳态；双稳态的阈值和阈值间隔随波长的增大而增大。当因为波长的失谐量越大，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，则满足共振所需的入射光能量就越强。因此，可以通过改变入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。

总之，序列序号N＝2的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构中存在2个共振分形态。分形态对电场局域较强的局域作用，而两片单层石墨烯正好分别位于其中一个分形态对应的局域电场最强位置，故石墨烯的非线性效应得到极大的增强，从而实现低阈值光学双稳态，光学双稳态的阈值可低至10MW/cm

入射光波长设置为λ＝1.27μm，化学势为μ＝0.3eV，输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象，将其应用于二值全光开关中，其原理如图7所示。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在拐点1处，输出光强会发生一个向上的跳变，输入光强I

图5(b)显示光学双稳态的输入-输出曲线受石墨烯化学势的影响。化学势不同，对应的S曲线两个拐点位置也发生变化。S 曲线的两个拐点分别对应着光学双稳态的上、下阈值，即光开关的开通和关断阈值。保持入射波长λ＝1.27μm不变，化学势增大到μ＝0.4eV，此时上阈值I

图6(b)给出的是光学双稳态的输入-输出曲线受入射波长的影响。当化学势为μ＝0.3eV，入射波长为λ＝1.27μm时，对应的上阈值I

开关阈值间隔越大，则开通和关断操作的区分度越大，误操作概率越小。要降低开关的误判率，则需要提高石墨烯的化学势或波长失谐量，另一方面，判决阈值增大。因此，降低全光开关的误判率是以提高判决阈值为代价的。

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。