[实用新型]一种基于Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关

说明书

本实用新型提供了一种基于Rudin‑Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，属于全光通讯技术领域。包括若干第一电介质层、第二电介质层和两个石墨烯单层，基于Rudin‑Shapiro光子晶体的复合结构表示为AAABGAAGBA，其中A为第一电介质层，B为第二电介质层，G为石墨烯单层；所述复合结构中存在的光学分形态对电场具有局域作用，石墨烯单层正好分别位于局域电场最强的两个位置；所述复合结构能实现低阈值的光学双稳态，光学双稳态可应用于全光开关，全光开关的触发阈值可通过石墨烯的化学势和入射波长调控。

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Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关。

背景技术

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。

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。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的触发阈值；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，器件工作的稳定性会变差，且对散热条件的要求也会增高。另外，当双稳态的上、下阈值间隔变小时，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。

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新材料；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。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缺陷光子晶体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，如果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现几何级数递增，故准光子晶体或非周期光子晶体常被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，故将这些共振模又叫作光学分形态。光学分形态对电场的具有局域性，可以用于增强的材料的三阶非线性效应。在TM光子晶体中嵌入石墨烯，可实现低阈值的光学双稳态。

能否寻找到其它准周期光子晶体与石墨烯的复合结构，实现更强的局域电场，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。

实用新型内容