[发明专利]一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对和石墨烯复合结构的光学双稳态

说明书

本发明提供了一种基于Rudin‑Shapiro光子晶体对和石墨烯复合结构的光学双稳态，属于光学技术领域。包括两个对称分布的二元RS光子晶体和若干石墨烯单层，所述二元RS光子晶体包括若干第一电介质层H和若干第二电介质层L，所述Rudin‑Shapiro光子晶体对和石墨烯复合结构表示为HHHLGHHGLHHLGHHGLHHH，所述第一电介质层和第二电介质层分别为两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片，所述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。本发明具有光学双稳态的阈值低等优点。

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对和石墨烯复合结构的光学双稳态。

背景技术

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输出共振态。在全光通信中，需要在光域内对信息进行传输、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。

当把光学双稳态应用于全光开关时，双稳态的上、下阈值分别对应着光开关的开通和关断触发阈值；触发阈值越大，触发光开关开通或关断所需的光强就越强。但是，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变高。另外，双稳态的上、下阈值间隔越小，对应的全光开关的开通和关断区分度就越小，这会导致误操作率升高。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，光克尔效应正比于局域电场，故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，其表面电导率可以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光子晶体的缺陷层中来增强其非线性效应。缺陷模的模场能量主要分布在缺陷层中，在缺陷层中嵌入石墨烯，则可极大的增强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无透射地被全部反射。如果在光子晶体中引入缺陷层，透射谱中会出现透射模。透射模也是一种缺陷模，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。

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增加，故准光子晶体或非周期光子晶体是可被用于增强局域电场。

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周期光子晶体。将石墨烯嵌入到TM光子晶体中，可以实现低阈值的光学双稳态，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。随着序列号的增加，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，故这些共振模又叫分形共振态。光学分形态对电场具有局域性，可用于增强石墨烯的非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态。能否寻找到另外的准周期光子晶体和石墨烯的复合结构，从而进一步增强石墨烯的非线性效应，降低光学双稳态的阈值，是本领域的研究重点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)光子晶体对和石墨烯复合结构的光学双稳态，本发明所要解决的技术问题是如何使多层结构具有阈值更低的光学双稳态。