基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器，属于全光通讯技术领域。复合结构表示为：HLGHHGHHGLH，其中H和L分别表示折射率高、低不同的均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二，G为石墨烯单层，均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二的厚度分别为各自光学波长的四分之一。本发明专利技术具有能够降低光学双稳态的阈值等优点。双稳态的阈值等优点。双稳态的阈值等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器


[0001]本专利技术属于全光通讯
，涉及一种基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器。

技术介绍

[0002]在全光通信中，需要在光域内对信息进行存储、传输、中继、判决、定时、放大和整形等，这就要大力发展光控光的全光器件，而基于光学双稳态的光逻辑器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，即一个入射光强值可以诱导两个稳定的共振输出态。
[0003]当把光学双稳态应用于光逻辑器时，双稳态的上、下阈值分别对应着光逻辑器的逻辑1和逻辑0的判决阈值；判决阈值越大，触发光逻辑器判决所需的输入光波就越强。但随着器件功率的增大，器件工作时的稳定性就会变差，且对散热条件的要求也会提高。另外，双稳态的上、下阈值间隔越小，对应的光逻辑器中逻辑1和逻辑0的区分度就越小，这会导致光逻辑器误判率的升高。因此，目前，对基于光学双稳态的光逻辑器研究，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。
[0004]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光学材料；另一方面，通过优化系统结构来增强电场的局域性。光克尔效应正比于局域电场强度，因此，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。
[0005]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。石墨烯表面电导率可以通过其化学势来灵活地调控。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的热门材料。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缺陷光子晶体中来增强其非线性效应。缺陷模的能量主要分布在缺陷层中，因此在缺陷层中嵌入石墨烯，可极大地增强石墨烯的非线性效应。
[0006]将两种折射率不同的电介质薄片在空间上交替排列，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被全部反射。如果在光子晶体中引入缺陷，透射谱中会出现缺陷模。缺陷模是一种透射模，其对电场具有局域作用，常被用于增强材料的三阶非线性效应。
[0007]准周期光子晶体或非周期光子晶体中存在天然的缺陷层，且它们的透射谱中缺陷模的数量随着光子晶体序列序号的增加呈几何级数递增，故常将准周期光子晶体或非周期光子晶体用于增强电场的局域性。
[0008]Thue
‑
Morse(TM)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，坚持准光子晶体。将石墨烯嵌入到TM光子晶体中，可以实现低阈值光学双稳态，光学双稳态的阈值约为100GW/cm2(吉瓦每平方厘米)。TM光子晶体中存在多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又具有多个缺陷模，即共振透射模。随着光子晶体序列序号的增加，TM光子晶体
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，故又将这些透射模叫作光学分形态。光学分形态对电场具有较强的局域性，可被用于实现低阈值的光学双稳态。能否寻找到电场局域性更强的的准周期光子晶体，从而与石墨烯复合，进一步来增强石墨烯的非线性效应，得到更低阈值的光学双稳态，是本领域中值得研究的问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于中心对称PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器，本专利技术所要解决的技术问题是如何增强石墨烯的非线性效应，降低光学双稳态的阈值。
[0010]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于中心对称PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器，其特征在于，复合结构表示为：HLGHHGHHGLH，其中H和L分别表示折射率高、低不同的均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二，G为石墨烯单层，所述均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二的厚度分别为各自光学波长的四分之一。该结构中存在光学分形态，对电场具有局域作用，三个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态对应的局域电场最强位置；石墨烯的三阶非线性效应得到极大地增强，从而实现低阈值光学双稳态，双稳态的阈值可低至100MW/cm2量级。
[0011]进一步的，所述均匀电介质薄片一为高折射率材料碲化铅；所述均匀电介质薄片二为低折射率材料冰晶石。
[0012]进一步的，所述光逻辑器的逻辑1判决阈值、逻辑0判决阈值，以及逻辑1和逻辑0判决阈值之间的间隔通过石墨烯的化学势调控。
[0013]进一步的，所述光逻辑器的逻辑1判决阈值、逻辑0判决阈值，以及逻辑1和逻辑0判决阈值之间的间隔通过入射波长调控。
[0014]将折射率高、低不同的两种电介质薄片H和L，按照序列序号N＝2的PD(Period
‑
Doubling：周期倍增)序列依次排列，形成一个关于中心对称的PD光子晶体；再将三个石墨烯单层嵌入中心对称PD光子晶体中，形成复合结构；中心对称PD光子晶体中存在光学分形态，光学分形态对电场具有局域作用；三个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态局域电场最强的位置，因此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；此结构中光学双稳态的阈值可低至100MW/cm2，这比TM光子晶体与石墨烯复合结构中的光学双稳态的阈值低3个量级。
[0015]所述中心对称PD光子晶体与石墨烯的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增大而增大。因此，将该光学双稳态效应应用于光逻辑器时，光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值，以及逻辑1和逻辑0判决阈值之间的间隔，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
[0016]图1是序列序号N＝2的中心对称PD光子晶体与石墨烯复合结构示意图
[0017]图2是序列序号N＝2的中心对称PD光子晶体结构中光波的线性透射谱
[0018]图3是波长λ2＝1.55μm对应的光学分形态的归一化电场分布。
[0019]图4基于光学双稳态的光逻辑器原理图。
＝1.55μm。虚线表示相邻两层电介质的分界面，三个石墨烯单层G分别被镶嵌在结构中局域电场强度最强的三个位置。纵坐标表示归一化的Z分量电场强度。可以看到：电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性；三个石墨烯单层正好分别位于局域电场最强的三个位置。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。
[0031]当入射光强度足够强时，固定入射波长为λ＝1.575μm，相对于第2个光学分形态的共振波长λ2＝1.55μm存在一定的红失谐。考虑石墨烯的非线性效应，石墨烯的化学势为μ＝0.5eV固定，其它参数保持不变，图4给出的是输入
‑
输出光强关系中出现光学双稳态现象，并将其应用于光逻辑器。横坐标I
i
表示输入光强，纵坐标I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器，其特征在于，复合结构表示为：HLGHHGHHGLH，其中H和L分别表示折射率高、低不同的均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二，G为石墨烯单层，所述均匀电介质薄片一和均匀电介质薄片二的厚度分别为各自光学波长的四分之一；复合结构中存在光学分形态，对电场具有局域作用，三个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态对应的局域电场最强位置；石墨烯的三阶非线性效应得到极大地增强，从而实现低阈值光学双稳态，双稳态的阈值可低至100MW/cm2量级。2.根据权利要求1所述一种基于PD光...

【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：发明
国别省市：