一种基于宇称-时间对称的全光开关

技术领域

本发明属于全光通信技术领域，涉及一种基于宇称-时间对称的全光开关。

背景技术

全光通信、全光网络和全光计算机是光纤通讯领域的重要发展方向。全光通信要实现数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换则需使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。这就要求驱动光开关的光功率与被控光信号的功率相比更小(开关功率在毫瓦以下)，开关速度比现有电子开关速度更快(开关时间在皮秒以下)。全光开关是全光通信网络中的光逻辑器件和光存储器中至关重要的器件，通过调整输入光的强弱来调控输出光强：强、弱两种输出光强分别对应着光逻辑1和光逻辑0，相应地表示光开关的开通、关断两种状态。全光通信要求全光开关的开通、关断阈值尽可能低，同时保持有效的阈值间隔。

光学双稳态是出现两个稳定透射状态的光学现象，在非线性光学系统中，系统的输出光强和输入光强之间会出现类似于磁滞回线的滞后现象。当输入光强增大到一定值时，输出光强会出现一个向上的跳变，上跳变所对应的输入光强为光学双稳态的上阈值。当输入光强从高值减小时，系统处在高态，当输入光强降低到一定值时，输出光强会出现一个向下的跳变，下跳变所对应的输入光强为光学双稳态的下阈值。一方面，阈值越低，触发开关通断的光强就越低，另一方面，双稳态的上、下阈值间隔越大，所对应全关开关的开、关区分度就越大，误判率就越小。因此，降低阈值和增大阈值间隔是光学双稳态研究的两个重要课题。光学双稳态现象与全光开关所要实现的功能相契合，因此，具有光学双稳性的光学双稳器件可用于全光开关的制作。由于光学双稳器件是由光学非线性和反馈二者共同引起的，因此它是一种具有反馈的非线性光学器件。构成光学双稳器件有三要素：非线性介质、反馈系统和入射光能。相应地，材料的三阶非线性系数越大、反馈系统中电场局域性越强或者入射光越强，越容易实现器件的光学双稳态效应。

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，提供一种基于宇称-时间对称的全光开关，本发明所要解决的技术问题是如何实现更低阈值光学双稳态。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于宇称-时间对称的全光开关，其特征在于，包括石墨烯单层，所述石墨烯单层的两侧分别具有非周期光子晶体一和非周期光子晶体二，所述非周期光子晶体一由石墨烯单层至入射侧依次设置有第二电介质层、第一电介质层、第一电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第二电介质层、第二电介质层、第一电介质层，所述非周期光子晶体二由石墨烯单层至出射侧依次设置有第四电介质层、第三电介质层、第三电介质层、第四电介质层、第三电介质层、第四电介质层、第四电介质层、第三电介质层，所述第一电介质层和第三电介质层折射率共轭相等，所述第二电介质层和第四电介质层折射率共轭相等。

进一步的，所述第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层和第四电介质层均为二氧化硅。

带缺陷的光子晶体可以作为光学双稳器件的反馈系统，内部存在局域化电场，其透射谱中存在一个透射模，当入射光波长在此透射模对应的波长附近时，实现较低阈值的光学双稳态。准周期光子晶体也可以实现电场局域性，且可以得到多个透射峰，但是电场局域性不够强，所实现的双稳态阈值不够低。而非周期光子晶体的电场局域性比准周期光子晶体的更强，相应地，将具有强三阶非线性效应的石墨烯薄与Thue-Morse(图厄-摩尔斯)非周期光子晶体符合，构建成宇称-时间对称性的光子晶体，进一步增强电场的局域性，可以实现更低阈值光学双稳态。

本方案构造了一个宇称-时间对称结构的非厄米系统。该系统的多层电介质包含第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层和第四电介质层四个电介质周期单元，这四个电介质的折射率均为虚数。其中，它们折射率的实部对应材料折射率，虚部对应增益或损耗。而且，第一电介质层和第三电介质层、第二电介质层和第四电介质层的折射率共轭相等。将第一电介质层和第三电介质层、第二电介质层和第四电介质层分别按照Thue-Morse序列规则交替堆叠可形成两个非周期光子晶体，再将石墨烯薄层置于这两个非周期光子晶体正中间，形成宇称-时间对称结构。在宇称-时间对称结构的透射谱中会出现多个独立的透射峰，其中有的透射峰对应着中间缺陷层的缺陷模，这个缺陷模对应着中心输入波长。这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。将石墨烯薄层放置在结构的中心，即电场强度最大的位置，此时强的局域电场可以极大地增强石墨烯的非线性效应。当输入波长在这个缺陷模对应的波长附近时，可以实现低阈值的光学双稳态，用于制作全光开关。

光学双稳器件最简单的反馈系统就是法布里-珀罗谐振腔，腔体两边是构成两个反射镜的两个端面，能够增强电场的局域性。带缺陷的光子晶体也对电场具有很强的局域性。研究表明，在光子晶体中电场存在在光子带边发生急剧增强的现象，该现象导致了光子晶体结构中局域场的产生。光子晶体的排列方式有周期、准周期和非周期三种结构。周期结构中的光子局域性可以通过与透射性质有关的模式密度加以描述。在周期结构中引入缺陷模可以大大提高局域模的模式密度，缺陷模对光场具有较强的局域性。准周期光子晶体中将光子晶体微腔作为全反射镜在光子带隙效应下完全反射，降低了光学双稳器件的阈值，但这种准光子晶体对电场的局域性作用有限。非周期光子晶体中，Thue-Morse序列光子晶体的傅里叶频谱中会出现多个独立的透射峰。相比于一些准周期光子晶体，如Fibonacci(斐波那契)序列光子晶体，Thue-Morse序列光子晶体中透射模数量更多，透射模的电场局域性更大。

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。研究发现，当非厄米系统满足宇称-时间对称时，一些特定的哈密顿量存在实谱。人们从光子系统的非厄米性受到启发，开始研究宇称-时间对称光学装置。宇称-时间对称结构可以形成紧密排列的波导周期性结构，光波在这种周期性结构传输时会展现出很多新的特性，出现类晶体结构的能带结构。在光学系统的设计中，可根据需要任意地设计光学增益(通过光或电泵浦或非线性相互作用得到)和损耗(由吸收或辐射引起)。通过增加宇称-时间对称性的光子晶体中的增益-损耗因子，可以有效地增强电场的局域性，从而获得低阈值的光学双稳态。

石墨烯是一种具有强烈三阶非线性效应的非线性介质。石墨烯中的大非线性克尔系数比传统的块体材料大几个数量级，同时石墨烯具有超快光响应、栅极可变导电性及小尺寸的特点，故石墨烯成为了制作可调谐、低阈值光学器件的一种新材料，如基于石墨烯可制作超材料深度可调的调制器。利用石墨烯的非线性效应，可以实现光学双稳态，从而制作出晶体管、全光开关、光存储器等光通信器件，最终实现光信号的高速处理。

综上所述，在宇称-时间对称结构的基础上，将Thue-Morse序列的光子晶体与石墨烯复合，可以实现低阈值的光学双稳态，制作低阈值的全光开关。同时，全光开关的开通、关断阈值也可以通过增益-损耗因子来灵活地调整。

附图说明

图1是全光开关中电介质与石墨烯复合结构示意图。

图2是增益-损耗因子不同时，透射率随归一化频率的变化关系。

图3中(a)表是q＝0、λ＝1.9947μm时的电场强度分布；图3中(b)表是q＝5、λ＝1.9919μm时的电场强度分布；图3中(c)表是q＝0、λ＝1.9854μm时的电场强度分布。

图4是入射光波长为2.016μm时输入光强与透射率的关系。

图5是入射光波长为2.016μm输出光强随输入光强的变化关系。

图6是光学双稳态阈值随增益-损耗因子变化关系。

图中，G、石墨烯单层；A、第一电介质层；B、第二电介质层；A’、第三电介质层；B’、第四电介质层。

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。

PT对称光子晶体中含四种折射率为复值的电介质，A、B、A’和B’，如图1所示。石墨烯单层G处于结构正中间，左右两边均为按Thue-Morse序列排列的两个非周期光子晶体。这种多层结构实质上等效为一个法布里-珀罗谐振腔，左右两个非周期光子晶体可被看作是谐振腔的两个反射镜，中间缺陷层为腔体。结构中电介质折射率的实部关于多层中心点偶对称，而折射率的虚部关于中心奇对称。

Thue-Morse序列的排列规则为：A—>AB和B—>BA，则可以得到的序列依次为S

图2给出的是增益-损耗因子q不同时石墨烯薄层嵌入S

在这7个透射模中，横坐标为±0.4附近的两个透射模处于透射谱中心频率两边的宽禁带中，他们的电场局域性最强。这里选取横坐标为-0.4左右的透射模对应的输入光波长来实现低阈值光学双稳态效应。将所选取的透射模位置附近的透射谱放大后放在图2上部分。可以观察到，当q分别取0，5和10时，此透射模对应的波长发生了红移，分别为1.9947μm，1.9919μm和1.9854μm，且透射峰随所引入的增益-损耗因子增大，电场局域性更强。若将石墨烯嵌入电场最强的位置，则石墨烯的三阶非线性效应就会得到极大地增强。

图3(a-c)分别是增益-损耗因子q和入射光波长λ分别取(0，1.9947μm)，(5，1.9919μm)和(10，1.9854μm)时的PT对称结构的电场强度分布。横坐标Z-axi s为Z轴，即是电介质堆叠的方向，纵坐标|E|

图4给出的是输入光波长为2.016μm时输入光强与透射率之间的关系。横坐标I

图5给出的是输入光波长为2.016μm时输出光强与输入光强的关系。横坐标I

图6更清晰地描述了光学双稳态上、下阈值以及阈值间隔随增益-损耗因子变化的关系。横坐标q是增益-损耗因子，纵坐标Thresh.是阈值大小。可以看到，当没有引入增益-损耗因子，即q＝0时，双稳态的上、下阈值分别为12.37、11.52GW/cm

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。