[实用新型]一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器

说明书

本实用新型提供了一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器，属于全光通讯技术领域。本光逻辑器包括若干第一电介质层A、若干第二电介质层B和四个石墨烯单层G，表示为ABABBBABABB₁GB₂BB₃GB₄BB₄GB₃BB₂GB₁BABABBBABA，其中B₁GB₂、B₂GB₁、B₃GB₄和B₄GB₃均表示石墨烯单层嵌入第二电介质层内形成的三明治结构；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质薄片，光逻辑器存在四个光学分形态，光学分形态对应的电场具有局域作用，四个石墨烯单层分别嵌于其中一个分形态对应的局域电场最强位置，使石墨烯单层的三阶非线性效应得到增强，进而实现低阈值光学双稳态。本实用新型具有光学双稳态阈值低等优点。

技术领域

本实用新型属于全光通讯技术领域，涉及一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器。

背景技术

在全光通信中，需要在光域内对信号进行储存、中继、定时、判决、放大和整形等，这就要用到光逻辑器，而基于光学双稳态的光逻辑器便是其中重要的一类。

光学双稳态是一种基于材料光克尔效应的非线性光学效应。当入射光强足够大时，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。当把光学双稳效应应用于光逻辑器时，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的触发阈值。触发阈值越大，触发光逻辑器判决所需的光强就越大。而当器件的功率增大时，其稳定性会变差，这对散热提出较高的要求。另外，当光学双稳态的上、下阈值间隔较小时，光逻辑器中逻辑1和逻辑0的区分度变弱，误判率增加。因此，目前对光学双稳态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。

要实现低阈值的光学双稳态，一方面是寻求具有较大三阶非线性系数的材料，另一方面，通过优化系统结构来增强局域电场。因为光克尔效应正比于局域电场，强的局域电场可以提高材料的三阶非线性效应。

石墨烯是一种超薄的二维材料，具有优良的导电性，其表面电导率可通过石墨烯的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。这使得石墨烯成为实现低阈值光学双稳态的优选材料。另外，为进一步降低双稳态的阈值，可利用石墨烯的表面等离子激元来增强石墨烯的局域电场，从而提高石墨烯的非线性效应；还可将石墨烯嵌入到光子晶体的缺陷层中，利用缺陷对电场局域性来提高石墨烯的非线性效应。另外，石墨烯的三阶非线性系数是石墨烯化学势的函数，因此，可以通过石墨烯的化学势来灵活调控基于石墨烯的双稳态阈值。当将光学双稳态用于于光逻辑器时，光逻辑器的触发阈值也可以通过石墨烯的化学势来调控。

将两种折射率不同的电介质在空间上交替排列，从而形成具有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无透射地被全部反射。若在光子晶体中引入缺陷，透射谱中会出现缺陷模，即透射模。透射模对电场具有较强的局域作用，常被用来增强材料的三阶非线性。在准光子晶体或非周期光子晶体中，存在天然的缺陷，且缺陷模的数量随序列序号的增加呈几何级数递增，这就是光学分形效应。光学分形态是缺陷模的一种，对电场具有较强的局域作用，因此可利用准光子晶体或非周期光子晶体中的光学分形效应来增强电场局域性。

Thue-Morse(T-M)序列在数学上是一种准周期序列，对应的T-M光子晶体是一种准周期光子晶体。将石墨烯和T-M光子晶体复合，可以得到强的局域电场，以及实现低阈值的光学双稳态，光学双稳态的阈值约为GW/cm²(吉瓦每平方厘米)。