[实用新型]一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构

说明书

本实用新型提供了一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构，属于全光通信系统技术领域。包括一个石墨烯层和两个对称分布在石墨烯层两侧的复合组件，复合组件包括多个第一电介质层和第二电介质层，复合组件由外至内的排布规律为：第一电介质层、第二电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第一电介质层、第二电介质层。本实用新型能够实现在多个波长附近的低阈值光学双稳态。

技术领域

本实用新型属于全光通信系统技术领域，涉及一种非周期光子晶体与石墨烯的复合结构。

背景技术

在全光通信网络中，全光开关在光逻辑器件和光存储器中扮演着十分重要的角色。全光开关是通过输入光的强弱来实现输出光强的调控，例如强的输出光强对应着光开关的开通状态或光逻辑1，而弱的输出光强对应着光开关的关断状态或光逻辑0。

光学双稳态是一种非线性光学效应。输出光强和输入光强之间会出现类似于磁滞回线的现象，即一个输入光强可以对应着两个稳定的输出光强。当输入光强增大到一定时，输出光强会出现一个向上的跳变，此时对应的输入光强叫光学双稳态的上阈值；当输入光强降低到一定时，输出光强会出现一个向下的跳变，此时对应的输入光强叫光学双稳态的下阈值。因此，可将光学双稳态的这种跳变特性应用全光开关、光逻辑与光存储器件中。光学双稳态的上、下阈值就分别对应着全光开关的开通、关断阈值。

光学双稳态是由材料的三阶非线性效应引起的。当输入光足够强时，局域光强就会引起材料折射率的变化，从而导致输出光强具有多值性。局域电场越强，或者材料的三阶非线性系数越大，越容易实现光学双稳态效应，且双稳态的上、下阈值越低。阈值越低，触发开关通断的光强就越低。另外，双稳态的上、下阈值间宽越大，则全关开关的开、关区分度就越大，误判率就越小。因此，在降低阈值和增大阈值间隔是光学双稳态的两个关键研究方向。

为增强电场的局域性，通常的做法是构建共振性强的反馈腔，或表面等离子激元。最简单的谐振腔就是法布里-珀罗谐振腔，通过两个端面构成两个反射镜，中间是腔体。另外，带缺陷的光子晶体也对电场具有很强的局域性，特别地，局域宇称-时间对称性的光子晶体，还可以进一步增强电场的局域性。但是光子晶体的构建过于严格，且在工艺上实现宇称-时间对称条件难度较大，是制约低阈值光学双稳态发展的重要因数。

石墨烯(graphene)具有较大三阶非线性系数。在近红外和太赫兹波段，石墨烯的三阶非线性系数比硅和二氧化硅的三阶非线性系数大一个量级。另外，石墨烯具有超快的光学响应、导电性可调及超薄等特点。因此，石墨烯是一种可应用实现低阈值光学双稳态器件理想的材料。

石墨烯的表面电导率是化学势(即费米能级)的函数，而石墨烯的化学势受过外界偏置电压和化学掺杂等因素的控制，因此，可以通过这些方法灵活地调控石墨烯石墨烯的表面电导率，进而调控光学双稳态的参数。

光子晶体的排列方式有周期、准周期和非周期三种结构。在波矢空间，周期光子晶体会出现类似于半导体的电子能带的光子能带结构，在能带中间存在一个带隙。当入射光波长位于带隙中时，光波不能通过该光子晶体，会被全部反射回来。如果在光子晶体中插入一层缺陷，则在带隙中间会出现一个透射模，即缺陷模。缺陷模对光场具有较强的局域性，可应用实现低阈值光学双稳态。因为透射谱中只有一个缺陷模，因此实现光学双稳态的入射波长只能在该缺陷模附近。

Fibonacci(斐波那契)序列是准周期的。满足Fibonacci序列的电介质晶格特性介于随机序列和周期晶体之间准光子晶体，其傅里叶频谱是连续的，会出现类布拉格峰，即会出现多个独立的共振峰。也可以利用该结构对电场的局域性实现光学双稳态，但此准光子晶体对电场的局域性有限，实现光学双稳态的阈值不够低。