[发明专利]一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器

说明书

本发明提供了一种基于Period‑Doubling光子晶体的光逻辑器，属于全光通讯技术领域。包括若干第一电介质层、若干第二电介质层和两个石墨烯单层，第一电介质层记为H，第二电介质层记为L，石墨烯单层记为G，光逻辑器的层状结构表示为：HLH₁GH₂HH₂GH₁LHL，其中H₁GH₂和H₂GH₁均表示石墨烯单层嵌入第一电介质层内形成的三层结构，第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自光学波长的1/4，第一电介质层和第二电介质层分别为折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。所述基于PD光子晶体的光逻辑器可实现低阈值光学双稳态，双稳态的上、下阈值分别对应着光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值。本发明具有能够用作光逻辑器等优点。

技术领域

本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器。

背景技术

在全光通信中，对信息的存储、传输、中继、判决、定时、放大和整形等都是在光域内进行和完成，这就需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。光学双稳态是利用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输出共振态。

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场能量就越强。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，对应的光逻辑器的逻辑1和逻辑0的区分度就越小，这会导致误判率升高。因此，目前对光学双稳态器件的研究主要集中在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。

为了实现低阈值的光学双稳态效应，一方面是寻求具有较大三阶非线性光学系数的材料；另一方面是通过优化系统结构来增强局域电场。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。

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。石墨烯的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，可极大地提高石墨烯的非线性效应。

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，透射谱中会出现透射模。透射模是一种缺陷模，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。

准光子晶体或非周期光子晶体中存在天然的缺陷层，且缺陷模的数量随着序列序号的增加呈几何级数递增，故常将准光子晶体或非周期光子晶体用于增强电场的局域性。

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光子晶体。将石墨烯嵌入到TM光子晶体中，可以实现光学双稳态，双稳态的阈值约为100GW/cm²(吉瓦每平方厘米)。TM光子晶体具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，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分形共振态。光学分形态对电场具有很强的局域性，可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，进而与石墨烯复合，进一步增强石墨烯的非线性效应，以及降低光学双稳态的阈值；继而将光学双稳态应用于光逻辑器，得到低判决阈值且阈值可调的光逻辑器，是本领域的研究重点。

发明内容