一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构

技术领域

本发明属于全光通信系统技术领域，涉及一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构。

背景技术

在全光通信网络中，全光开关在光逻辑器件和光存储器中扮演着十分重要的角色。全光开关是通过输入光的强弱来实现输出光强的调控，例如强的输出光强对应着光开关的开通状态或光逻辑1，而弱的输出光强对应着光开关的关断状态或光逻辑0。

光学双稳态是一种非线性光学效应。输出光强和输入光强之间会出现类似于磁滞回线的现象，即一个输入光强可以对应着两个稳定的输出光强。当输入光强增大到一定时，输出光强会出现一个向上的跳变，此时对应的输入光强叫光学双稳态的上阈值；当输入光强降低到一定时，输出光强会出现一个向下的跳变，此时对应的输入光强叫光学双稳态的下阈值。因此，可将光学双稳态的这种跳变特性应用全光开关、光逻辑与光存储器件中。光学双稳态的上、下阈值就分别对应着全光开关的开通、关断阈值。

光学双稳态是由材料的三阶非线性效应引起的。当输入光足够强时，局域光强就会引起材料折射率的变化，从而导致输出光强具有多值性。局域电场越强，或者材料的三阶非线性系数越大，越容易实现光学双稳态效应，且双稳态的上、下阈值越低。阈值越低，触发开关通断的光强就越低。另外，双稳态的上、下阈值间宽越大，则全关开关的开、关区分度就越大，误判率就越小。因此，在降低阈值和增大阈值间隔是光学双稳态的两个关键研究方向。

为增强电场的局域性，通常的做法是构建共振性强的反馈腔，或表面等离子激元。最简单的谐振腔就是法布里-珀罗谐振腔，通过两个端面构成两个反射镜，中间是腔体。另外，带缺陷的光子晶体也对电场具有很强的局域性，特别地，局域宇称-时间对称性的光子晶体，还可以进一步增强电场的局域性。但是光子晶体的构建过于严格，且在工艺上实现宇称-时间对称条件难度较大，是制约低阈值光学双稳态发展的重要因数。

石墨烯(graphene)具有较大三阶非线性系数。在近红外和太赫兹波段，石墨烯的三阶非线性系数比硅和二氧化硅的三阶非线性系数大一个量级。另外，石墨烯具有超快的光学响应、导电性可调及超薄等特点。因此，石墨烯是一种可应用实现低阈值光学双稳态器件理想的材料。

石墨烯的表面电导率是化学势(即费米能级)的函数，而石墨烯的化学势受过外界偏置电压和化学掺杂等因素的控制，因此，可以通过这些方法灵活地调控石墨烯石墨烯的表面电导率，进而调控光学双稳态的参数。

光子晶体的排列方式有周期、准周期和非周期三种结构。在波矢空间，周期光子晶体会出现类似于半导体的电子能带的光子能带结构，在能带中间存在一个带隙。当入射光波长位于带隙中时，光波不能通过该光子晶体，会被全部反射回来。如果在光子晶体中插入一层缺陷，则在带隙中间会出现一个透射模，即缺陷模。缺陷模对光场具有较强的局域性，可应用实现低阈值光学双稳态。因为透射谱中只有一个缺陷模，因此实现光学双稳态的入射波长只能在该缺陷模附近。

Fibonacci(斐波那契)序列是准周期的。满足Fibonacci序列的电介质晶格特性介于随机序列和周期晶体之间准光子晶体，其傅里叶频谱是连续的，会出现类布拉格峰，即会出现多个独立的共振峰。也可以利用该结构对电场的局域性实现光学双稳态，但此准光子晶体对电场的局域性有限，实现光学双稳态的阈值不够低。

Thue-Morse(图厄-摩尔斯)序列多层电介质具有典型的非周期光子晶体。满足图厄-摩尔斯序列的非周期光子晶体是一种介于准周期晶体和无序系统之间的结构，其傅里叶频谱中只出现多个独立的透射峰。相比于带缺陷的光子晶体结构，Thue-Morse序列光子晶体中透射模数量更多。相比于Fibonacci序列光子晶体，Thue-Morse序列光子晶体中透射模的电场局域性更大。因此，可以将图厄-摩尔斯序列的光子晶体与石墨烯复合，便可以实现多个波长、低阈值的光学双稳态。

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，提供一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构，本发明所要解决的技术问题是如何实现在多个波长附近的低阈值光学双稳态。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构，其特征在于，包括一个石墨烯层和两个对称分布在石墨烯层两侧的复合组件，所述复合组件包括多个第一电介质层和第二电介质层，所述复合组件由外至内的排布规律为：第一电介质层、第二电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第一电介质层、第二电介质层。

进一步的，所述第一电介质层为硅，所述第二电介质层为二氧化硅。

带缺陷的光子晶体和准周期光子晶体可以实现电场局域性，增强局域电场，从而实现低阈值光学双稳态。但是，带缺陷的光子晶体的透射谱中只存在单一透射模，因此只能在一个波长附近实现低阈值的光学双稳态。准周期光子晶体中可以出现多个透射峰，但是电场局域性不够强，该结构可以实现光学双稳态，但是双稳态阈值不够低。而非周期光子晶体的透射谱中不仅存在多个透射峰，而且电场局域性比准周期光子晶体的要强，因此，将非周期光子晶体于石墨烯复合，就可以实现在多个波长附近的低阈值光学双稳态。

将二氧化硅和硅电介按照Thue-Morse序列规则交替堆叠可形成非周期光子晶体，再将石墨烯嵌入到此多层结构的中心位置。在透射谱中会出现许多独立的透射峰，其中有两个峰对应着中间缺陷层的缺陷模，这两个缺陷模对应着两个不同的中心输入波长。这两个波长对应的模场能量都被局域在中心缺陷层中，且在缺陷层的中心位置，电场强度最大。石墨烯被镶嵌在结构的中心，即电场强度最大的位置。强的局域电场可以极大地增强石墨烯的非线性效应。当输入波长分别在这两个缺陷模附近时，都可以实现低阈值光学双稳态。

附图说明

图1是非周期光子晶体与石墨烯复合结构示意图。

图2是透射率随归一化频率的变化关系。

图3中的(a)是透射模①对应的电场强度分布；图3中的(b)是透射模②对应的电场强度分布。

图4中的(a)是透射峰①附近输出光强随输入光强的变化关系；图4中的(b)是光学双稳态阈值随石墨烯化学式变化关系。

图5是透射峰②附近输出光强随输入光强的变化关系。

图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；G、石墨烯层。

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。

如图1所示，电介质Thue-Morse序列的排列迭代规则为：A—>AB和B—>BA，其中第一、二个序列分别为S

图2给出的是石墨烯薄层嵌入S

不同的透射模对应电场局域性的空间位置不同。在这七个透射模中，其中透射模①和②的电场局域性最强，且电场被局域在中心缺陷层中，石墨烯所在位置的电场强度最大。因此，这种结构可以实现在这两个缺陷模附近的低阈值光学双稳态效应。

图3(a)给出的是透射模①对应的电场分布。此时的入射光波长为λ＝λ

图3(b)给出的是透射模②对应的电场分布。此时的入射光波长为λ＝λ

当入射波波长相对于透射峰①红失谐，例如λ＝2.01μm时，输出光强随输出光强的变化关系如图4(a)所示。横坐标I

图4(b)给出了双稳态上、下阈值随石墨烯的化学势的变化关系。纵坐标Thrsh.表示阈值。可以看到，当μ

当入射波波长相对于透射峰②红失谐，例如λ＝1.276μm时，非线性透射率随输出光强的变化关系如图5所示。当μ

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。