[发明专利]一种具有光学双稳态效应的康托尔光子晶体复合结构

说明书

本发明提供了一种具有光学双稳态效应的康托尔光子晶体复合结构，属于光学技术领域。包括一个石墨烯单层和一个序列序号N＝2的康托尔光子晶体，所述康托尔光子晶体为ABABBBABA，字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；所述康托尔光子晶体存在2个彼此独立的光学分形态，分形态对应的电场具有局域作用，其中一个分形态的局域电场最强位置正好位于结构的中心；单层石墨烯G被嵌入到康托尔光子晶体中心，复合结构整体表示成：其中表示半层电介质薄片B；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MW/cm²，比Octonacci光子晶体和石墨烯的复合结构中光学双稳态的阈值低2个量级。

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种具有光学双稳态效应的 康托尔光子晶体复合结构。

背景技术

在全光通信中，需要在光域内对信号进行中继、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 态的全光开关便是其中重要的一类全光器件。

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，即一个入射光强可以诱导两个稳定的共振输出态。当 把光学双稳态应用于全光开关时，双稳态的上、下阈值分别对应 着全光开关的开通和关断判决阈值。阈值越大，触发光开关开通 或关断所需的光强就越大。另一方面，器件的功率越大，则器件 的稳定性会变差，对散热条件的要求也变高。另外，上、下阈值 之间的间隔越小，开通和关断的区分度就越弱，那么，误操作的 概率就变大。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，寻求具有较大三阶非 线性系数的材料，另一方面，光克尔效应正比于局域电场，故可 通过优化系统结构来增强局域电场，从而提高材料的三阶非线性 效应。

石墨烯是一种新兴的超薄二维材料，具有优良的导电性。其 表面电导率可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控。最重要的是， 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热门材料。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， 从而增强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，利用缺陷的电场局域性来增强石墨烯的非线性效应。

将两种折射率不同的电介质在空间上交替排列，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层，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性，常被用于增强材料 的三阶非线性效应。而在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，故准光子晶体或非周期光子晶体是可被用于增强电场局域性 的理想结构。

可将石墨烯和准光子晶体复合，如将石墨烯嵌入到 Thue-Morse光子晶体中，可以实现低阈值的光学双稳态。 Thue-Morse序列在数学上是一种准周期序列。将两种折射率不同 的电介质薄片按Thue-Morse序列规则排列，便可形成Thue-Morse 周期光子晶体，它是一种准周期光子晶体。Thue-Morse光子晶体 中具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又对应多个缺陷模，即共 振模或透射模，将这些共振模随着序列号的增加呈几何级数分裂， 故也将这些共振模叫Thue-Morse光子晶体的光学分形共振态。利 用光学分形态对电场的局域性可以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)。