一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构制造技术

本实用新型专利技术提供了一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构，属于光电技术领域。本双稳态准光子晶体结构包括斐波那契序列准晶体结构一、斐波那契序列准晶体结构二和一层石墨烯层，斐波那契序列准晶体结构一和斐波那契序列准晶体结构二复合在一起形成一缺陷腔，石墨烯层嵌入缺陷腔内，斐波那契序列准晶体结构一为若干电介质层一和若干电介质层二堆叠而成的多层结构，斐波那契序列准晶体结构二为若干电介质层三和若干电介质层四堆叠而成的多层结构，电介质层一和电介质层三的材料为MgF

【技术实现步骤摘要】
一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构
本技术属于光电
，涉及一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构。
技术介绍
光学双稳态是一种基于材料克尔效应的三阶非线性光学现象，即对同一输入光强，存在两个稳定的共振输出光强。常将光学双稳态效应用于制作全光通信中的光开关或光存储器。对光学双稳态的研究，主要集中于如何降低双稳态的上、下阈值，以及增大上、下阈值之间的间隔。当入射光强较大时，材料的介电常数不再是常数，而是正比于局域电场强度，即ε＝ε1+χg(3)|E|2，其中ε1是材料的线性介电常数，χg(3)是材料的体立方磁化系数，|E|2是材料所在位置的局域电场强度。为增强材料的三阶非线性效应，降低光学双稳态阈值，需要寻找高的体立方磁化系数的材料，以及设计能增强局域电场的光学结构。光子晶体中存在类似于半导体中电子能带的光子能带。频率位于通带的光可以透过光子晶体，不能通过的光频率位于禁带中，即带隙中。当光子晶体中存在缺陷时，透射谱中会存在孤立的透射峰，即缺陷模。缺陷模的电场强度主要分布在对应的缺陷层中，因此，缺陷光子晶体对电场具有局域性。两种折射率不同的电介质交替排列，当满足斐波那契序列(Fibonaccisequence)规则时，即遵循F1＝{B}；F2＝{BA}；以及Fj＝{Fj-1Fj-2}，j≥3时，构成准光子晶体。将两个斐波那契序列准光子晶体复合在一起，形成中心对称结构，就构成了带缺陷层的斐波那契序列准光子晶体。斐波那契序列准光子晶体对带隙边缘态具有增强作用，而此边缘态就是缺陷态，因此，该准光子晶体对电场局域性具有增强作用。同时，在准光子晶体的电介质中掺杂活性介质和金属离子，用于调节电介质中的增益和损耗，使结构中电介质折射率满足宇称-时间对称(parity-timesymmetry：PTsymmetry)，即使得折射率满足条件n(z)＝n*(-z)，其中z是位置坐标。通过增加PT对称系统的增益-损耗系数，从而可以提高缺陷腔的品质因数，达到增强电场局域性的目的，这也是PT对称系统的重要性质。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构，本技术所要解决的技术问题是如何实现晶体结构在低阈值情况下的光学双稳态。本技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构，其特征在于，本双稳态准光子晶体结构包括斐波那契序列准晶体结构一、斐波那契序列准晶体结构二和一层石墨烯层，斐波那契序列准晶体结构一和斐波那契序列准晶体结构二复合在一起形成一缺陷腔，所述石墨烯层嵌入所述缺陷腔内，所述斐波那契序列准晶体结构一为若干电介质层一和若干电介质层二堆叠而成的多层结构，所述斐波那契序列准晶体结构二为若干电介质层三和若干电介质层四堆叠而成的多层结构，所述复合结构由其一侧面至另一侧面的堆叠规律如下：电介质层二、电介质层一、电介质层二、电介质层二、电介质层一、电介质层二、电介质层一、电介质层二、电介质层二、电介质层一、电介质层二、电介质层二、电介质层一、石墨烯层、电介质层三、电介质层四、电介质层四、电介质层三、电介质层四、电介质层四、电介质层三、电介质层四、电介质层三、电介质层四、电介质层四、电介质层三、电介质层四；所述电介质层一和电介质层三的材料为MgF2晶体，所述电介质层二和电介质层四的材料为ZnS晶体；所述斐波那契序列晶体结构一和斐波那契序列晶体结构二的斐波那契序列序号j均为j＝6。在上述的一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构中，所述电介质层一的折射率为na＝1.38+qi，所述电介质层二的折射率为nb＝2.35-qi，所述电介质层三的折射率为na’＝1.38-qi，所述电介质层四的折射率为nb’＝2.35+qi，其中i是虚数单位，q为增益-损耗系数；所述电介质层一和电介质层四通过掺杂活性介质铒离子实现增益，所述电介质层二和电介质层三通过掺杂铜离子实现损耗。在上述的一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构中，所述电介质层一和电介质层三的厚度均为d＝27.1739μm，所述电介质层二和电介质层四的厚度均为d＝15.9574μm。斐波那契序列准晶体结构一和斐波那契序列准晶体结构二相对石墨烯层对称，且电介质层一和电介质层三的厚度相同，电介质层二和电介质四的厚度相同，这样，该晶体结构就满足PT对称性。石墨烯作为一种新兴的二维材料，具有金属和半导体的双重性质。石墨烯的表面电导率可以通过离子掺杂或化学势来灵活调节，而且，石墨烯还具有较强的体立方磁化系数。为此，可以将石墨烯和PT对称的斐波那契序列准光子晶体复合，利用PT对称性和斐波那契序列准光子晶体对缺陷模电场的局域增强作用，提高石墨烯所在位置的局域电场，增强石墨烯的非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态。另外，在电介质中引入了增益和损耗，使得折射率满足PT对称，通过调节增益-损耗系数，该结构可以使电场局域性进一步增强，从而增大石墨烯的三阶非线性，实现低阈值的光学双稳态。这里输入光强比较大，所以会引起石墨烯的非线性效应，光学双稳态是非线性效应的一种。通过改变输入光的强度，在输入光上、下阈值处，输出光的强度会出现跳变，这就是光控光的全光开关。在光学双稳态的上、下阈值处，如果输出低光强对应着光开关的关状态，那么输出的高光强就对应着光开关的开状态。利用石墨烯这种新材料制成的全光开关，另外一个优点是光开关的阈值可以通过石墨烯的化学势来方便调节，石墨烯的化学势就是在石墨烯上外加一个电压，通过调节这个外加电压就可以灵活地调节石墨烯的化学势，从而调节光开关的开关阈值。光开关的开关阈值还可以通过增大PT对称结构中的增益-损耗系数来降低，同时，上、下阈值间隔还可以增大。附图说明图1是镶嵌石墨烯的斐波那契PT对称准光子晶体结构图。图2中的(a)图是增益-损耗因子q＝0时对应的透射谱；(b)图是q＝0.05时对应的透射谱；(c)图是q＝0.1时对应的透射谱。图3中的(a)图显示出了在P2附近透射率随输入光强的变化关系；(b)图展示了输入-输出关系的光学双稳态效应。图4中的(a)图显示的是增益-损耗系数对应的光学双稳态的影响；(b)图是光学双稳态的上、下阈值随增益-损耗系数的变化关系。图5中的(a)图显示的是石墨烯的化学势对光学双稳态的影响；(b)图显示的是光学双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。图中，A、电介质层一；B、电介质层二；A’、电介质层三；B’、电介质层四；G、石墨烯层。具体实施方式以下是本技术的具体实施例并结合附图，对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。将两个斐波那契序列序号为j＝6的斐波那契序列电介质BABBABABBABBA和A’B’B’A’B’B’A’B’A’B’B’A’B’复合在一起，形成缺陷腔。将单层石墨烯嵌入到该复合结构的中心，如图1所示。电介质A、B、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构，其特征在于，本双稳态准光子晶体结构包括斐波那契序列准晶体结构一、斐波那契序列准晶体结构二和一层石墨烯层(G)，斐波那契序列准晶体结构一和斐波那契序列准晶体结构二复合在一起形成一缺陷腔，所述石墨烯层(G)嵌入所述缺陷腔内，所述斐波那契序列准晶体结构一为若干电介质层一(A)和若干电介质层二(B)堆叠而成的多层结构，所述斐波那契序列准晶体结构二为若干电介质层三(A’)和若干电介质层四(B’)堆叠而成的多层结构，所述双稳态准光子晶体结构由其一侧面至另一侧面的堆叠规律如下：电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)；所述电介质层一(A)和电介质层三(A’)的材料为MgF...

【技术特征摘要】
1.一种用于低阈值全光开关的双稳态准光子晶体结构，其特征在于，本双稳态准光子晶体结构包括斐波那契序列准晶体结构一、斐波那契序列准晶体结构二和一层石墨烯层(G)，斐波那契序列准晶体结构一和斐波那契序列准晶体结构二复合在一起形成一缺陷腔，所述石墨烯层(G)嵌入所述缺陷腔内，所述斐波那契序列准晶体结构一为若干电介质层一(A)和若干电介质层二(B)堆叠而成的多层结构，所述斐波那契序列准晶体结构二为若干电介质层三(A’)和若干电介质层四(B’)堆叠而成的多层结构，所述双稳态准光子晶体结构由其一侧面至另一侧面的堆叠规律如下：电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、电介质层二(B)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层三(A’)、电介质层四(B’)、电介质层四(B’)、电介...

【专利技术属性】
技术研发人员：章普，
申请(专利权)人：湖北科技学院，
类型：新型
国别省市：湖北;42