[发明专利]基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器

说明书

本发明提供了一种基于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。包括两个N＝3对称分布的PD光子晶体和一个石墨烯单层；所述复合结构可以表示成：HLHHHLHLGLHLHHHLH，其中G表示石墨烯单层；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二，两个PD光子晶体的对称中心处嵌入有一石墨烯单层；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。本发明具有光学双稳态的阈值低等优点。

技术领域

本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于PD光子晶体与石墨烯复合结构的光逻辑器。

背景技术

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。

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，触发光逻辑器的逻辑1和逻辑0所需的输入光能量就越强。但随着器件功率的增大，器件工作时的稳定性会变差，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的判决阈值区分度就越小，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，故强的局域电场可以提高材料的三阶非线性光学效应，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重要材料。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。缺陷光子晶体中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，即可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，对电场具有强的局域作用，常被用于增强材料的三阶非线性效应。

准周期光子晶体(简称准光子晶体)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，增大入射光强，可以实现光学双稳态效应，光学双稳态的阈值约为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增加，透射谱中的透射模呈几何级数分裂，故也将这些透射模叫分形共振态。光学分形态对电场具有强的局域性，可用于实现低阈值的光学双稳态。

另外，相对于单个光子晶体，中心对称光子晶体中，缺陷模的共振性更强，电场局域性也更强。能否寻找到电场局域性更强的准周期光子晶体，形成中心对称的光子晶体，再与石墨烯复合，这样可以更大限度地加强石墨烯的非线性效应，从而实现更低阈值的光学双稳态，并将其应用于光逻辑器，将是本领域的研究重点。

发明内容