一种基于石墨烯阵列与电介质的复合结构

技术领域

本发明属于全光通信技术领域，涉及一种基于石墨烯阵列与电介质的复合结构。

背景技术

光学三稳态是指一个输入光强对应着三个稳定的输出光强，即可以存在三个稳定的共振态。光学三稳态是一种非线性光学效应，可广泛应用于全光开关、光存储器和光逻辑器件。

在两个相邻的光学双稳态中，如果第一个光学双稳态的上阈值位于第二个光学双稳态的上、下阈值之间，同时，第二个光学双稳态的下阈值位于第一个光学双稳态的上、下阈值之间，则这两个光学双稳态构成一个光学三稳态。

当输入光强较强时，材料折射率会随输入光强变化。折射率的变化量与局域光强的平方正正比，即克尔效应。当入射光达到足够强时，一个输入光强值可以对应着两个或三个不同的输出光强值，形成稳定的谐振，这就是光学双稳态或三稳态。

对光学双稳态或三稳态的研究主要集中在如何利用新材料和新结构来实现这些效应，以及降低光学双稳态或三稳态的阈值和增加阈值间隔。为此，需要增强材料的三阶非线性效应。目前可以从两个方面着手：1、可利用具有较大的三阶非线性系数的材料来实现低阈值的光学双稳态，2、可以通过优化结构来增强局域光场。

作为一种新兴的二维材料，石墨烯具有可观的三阶非线性系数，因此可以将其作为实现光学双稳态和三稳态的理想材料。一方面可以利用石墨烯激发的表面等离子体来增强石墨烯的局域光场，从而增强石墨烯的三阶非线性效应。

另外，还可以利用缺陷光子晶体来增强石墨烯的非线性效应。在缺陷光子晶体中，缺陷模的透射率接近1，因此也被称为透射模。缺陷模的模场能量主要分布在缺陷层中，在缺陷层中嵌入石墨烯，则可极大地增强石墨烯的非线性效应。

将石墨烯进行周期性排列，从而形成石墨烯阵列，再将该阵列的右边堆叠一层电介质，形成复合结构。光在该结构中传输，形成驻波条件。模场分布具有很强的局域性，因此可以用来增强石墨烯的三阶非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态或三稳态。右边一层电介质的厚度影响驻波条件，也影响谐振波的波长。因此可以通过改变电介质厚度来调节光学双稳态和三稳态的上、下阈值和阈值间隔。另外，石墨烯的电导率受石墨烯的化学势影响，而化学式可以通过外加在石墨烯上的门电压来调控，因此，可以通过外界门电压来灵活调节光学双稳态和三稳态的上、下阈值和阈值间隔。

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，提供一种基于石墨烯阵列与电介质的复合结构，本发明所要解决的技术问题是如何使光学三稳态的阈值和阈值间隔与复合结构建立对应关系。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于石墨烯阵列与电介质的复合结构，其特征在于，包括靠近入射方向一侧的石墨烯阵列和靠近射出方向一侧的单层，所述石墨烯阵列由若干单层石墨烯和第一电介质层组成，所述第一电介质层和单层石墨烯相间设置，各第一电介质层的厚度相同，所述石墨烯阵列的两侧均为单层石墨烯，所述单层为厚度大于第一电介质层的第二电介质层；可以通过调节第二电介质层的厚度来调节双稳态的阈值和阈值间隔，也可以通过阈值和阈值间隔来检测第二电介质层的厚度。

进一步的，所述第一电介质层和第二电介质层均为二氧化硅。

将石墨烯周期阵列靠近出射方向复合一第二电介质层，形成复合结构。光在复合结构中传输，会形成驻波，光场的分布存在强弱的交替变化，以此来来增强石墨烯的三阶非线性效应，从而实现低阈值的光学三稳态，再将光学三稳态应用于全光开关、光逻辑器件和光存储器。

光学三稳态的阈值和阈值间隔与石墨烯的化学势和第二电介质层的厚度有关。石墨烯的化学势可以通过外界门电压来调控，因此，基于石墨烯阵列中光学三稳态的全光开关的开、关阈值和阈值间隔可以通过石墨烯的化学势来灵活调节。也可以通过第二电介质层的厚度来调节三稳态的上、下阈值。

附图说明

图1是石墨烯阵列与电介质复合结构。

图2中(a)是光波的线性透射谱；(b)是非线性透射率随输入光强的变化关系；(c)是输入-输出光强变化关系。

图3是石墨烯化学势对光学三稳态的影响。

图4是输出光强随输入光强的变化关系图。

图5是不同的电介质厚度对应的输出-输入关系图。

图中，σ、表示单层石墨烯；A、第一电介质层；B、第二电介质层。

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。

将单层石墨烯与第一电介质层A交替排列，形成石墨烯阵列，再与第二电介质层B复合，使第二电介质层B位于射出方向一侧，所形成的结构如图1所示。符号σ表示单层石墨烯，第一电介质层A和第二电介质层B均为二氧化硅。符号d

图2(a)给出的是入射光的透射率随波长的变化关系。当输入波为横电波时，忽略掉非线性效应，石墨烯的化学势为μ＝0.4eV(eV表示电子伏)，右端的第二电介质层B的厚度为d

设定输入波长为λ＝2.1μm，当光强较强时，图2(b)给出的是复合结构上非线性透射率随输入光强的变化关系。横坐标单位TW/cm

图2(c)给出的是输入-输出光强变化关系。当光强增加到一定值时，输入-输出关系呈三曲关系，即光学三稳态。当输入光强增加时，输入-输出曲线沿轨迹I变化，在I

当把该结构中的光学三稳态用作全光开关时，可以同时控制两路信号的通断。三稳态的上、下阈值就对应着全关开关的开、关阈值，即当光强为I

透射谱还与右端的第二电介质层B的厚度d

图5给出了不同电介质厚度对应的输入-输出关系。可以看到，第二电介质层B的厚度对下阈值的影响较小，但是对上阈值的影响较大。当厚度较小时，随着输入光强度的增加，双稳态的阈值间隔越来越大；而当厚度较大时，随着输入光强度的增加，双稳态的阈值间隔越来越小。因此，可以通过厚度来调节双稳态的阈值和阈值间隔，或通过阈值和阈值间隔来检测第二电介质层B的厚度。

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。