CN113820903A

CN113820903A - 一种具有光学双稳态效应的全光开关

Info

Publication number: CN113820903A
Application number: CN202111079935.XA
Authority: CN
Inventors: 段善荣
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2021-12-21

Abstract

本发明提供了一种具有光学双稳态效应的全光开关，属于光学技术领域。包括两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结构为：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；其中一个分形态存在两个局域电场最强的位置，两个石墨烯单层正好被嵌入这两个局域电场最强的位置；此复合结构整体上可表示成：ABAB₁GB₂BB₂GB₁ABA，其中G表示石墨烯单层；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；电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各种光学波长的1/4。本发明具有光学双稳态的阈值更低等优点。

Description

一种具有光学双稳态效应的全光开关

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。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，器件工作时的稳定性会变差，且对散热的要求变高。另外，开关的上、下阈值间隔越小，开通和关断的区分度就越小，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。最重要的是，石墨烯具有可观的三阶光学非线性系数，这使得石墨烯成为光学双稳态研究中炙手可热的材料。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。在缺陷层中嵌入石墨烯，缺陷模的模场能量主要分布在缺陷层中，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倍增，故准光子晶体或非周期光子晶体是可被应用于增强电场局域性。

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，其对应的光子晶体是准周期光子晶体。 Thue-Morse光子晶体中具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，即共振透射模。随着序列号的增加，光子晶体结构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，故将这些共振模叫Thue-Morse光子晶体的光学分形共振态。这些光学分形态对电场的局域性，可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)。

为进一步降低光学双稳态的阈值，将石墨烯与Octonacci光子晶体复合。Octonacci光子也是一种非周期光子晶体，具有光学分形的特性，这些光学分形态对电场的局域性更强。特别地， Octonacci光子晶体的共振透射模彼此之间独立，间隔距离适当。可被用于实现多个彼此独立的低阈值光学双稳态。在石墨烯与 Octonacci光子晶体的复合结构中，光学双稳态的阈值约为 100MW/cm²(MW/cm²表示兆瓦每平方厘米)。但是，能否寻找到另外的准周期光子晶体和石墨烯的复合结构，从而进一步降低光学双稳态的阈值，是本领域中值得研究的问题。

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，提供一种具有光学双稳态效应的全光开关，本发明所要解决的技术问题是如何降低全光开关的光学双稳态的阈值。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，包括两个石墨烯单层和一个序列序号N＝2的康托尔(Cantor)光子晶体，所述康托尔光子晶体结构为：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；其中一个分形态存在两个局域电场最强的位置，两个石墨烯单层正好被嵌入这两个局域电场最强的位置；此复合结构整体上可表示成： ABAB₁GB₂BB₂GB₁ABA，其中G表示石墨烯单层；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。

所述电介质薄片A的基质材料为碲化铅，折射率为n_a＝4.1；所述电介质薄片B、B₁和B₂的基质材料都为冰晶石，折射率为 n_b＝1.35。

进一步的，所述电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各种光学波长的1/4，即A的厚度为d_a＝λ₀/4/n_a＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ₀＝1.55μm为中心波长，B的厚度为 d_b＝λ₀/4/n_b＝0.287μm，B₁的厚度为d_b1＝0.2μm，B₂的厚度为 d_b2＝0.087μm，满足条件d_b1+d_b2＝d_b。

所述复合结构中光学双稳态的阈值可低至10MW/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1 个量级。

基于Cantor光子晶体与石墨烯复合结构中光学双稳态的上、下阈值，以及上、下阈值之间的间隔，随石墨烯的化学势和入射波长的减小而降低，因此，将此结构中的光学双稳态可应用于全光开关时，全光开关的开通和关断阈值，以及开、关阈值之间的间隔，都可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。

附图说明

图1是序列序号N＝2的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构示意图。

图2是序列序号N＝2的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。

图3是波长λ＝1.2442μm对应的光学分形态的归一化电场分布。

图4是出射光强随入射光强的变化关系。

图5中(a)图是不同的石墨烯化学势对应的输入-输出光强关系；图5中(b)图是双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。

图6中(a)图是不同的入射波长对应的输入-输出光强关系；图 6中(b)图是双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系。

图7是基于两光学双稳态的二值全光开关原理图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在数学上，康托尔(Cantor)序列的迭代规则为：S₀＝A， S₁＝ABA，S₂＝ABA(BBB)ABA,S₃＝S₂(BBB)²S₂，……，S_N＝S_N-1(BBB)^N-1S_N-1，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)序列的序号，S_N表示序列的第N项；(BBB)^N-1表示3^N-1个B。对应的Cantor光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片。如图1给出了序列序号N＝2的Cantor光子晶体与石墨烯的复合结构。电介质薄片和石墨烯单层沿Z轴依次排布，结构的中心位置为0点。此结构也可以表示成 ABAB₁GB₂BB₂GB₁ABA，其中，字母G表示单层石墨烯；A的基质材料为碲化铅，折射率为n_a＝4.1；B、B₁和B₂的基质材料都为冰晶石，折射率为n_b＝1.35。入射光为横磁波，从左边垂直入射， I₁表示入射光，I₂表示透射光。电介质薄片A和B厚度均为1/4 光学波长，即A的厚度为d_a＝λ₀/4/n_a＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ₀＝1.55μm为中心波长，B的厚度为d_b＝λ₀/4/n_b＝0.287μm，B₁的厚度为d_b1＝0.2μm，B₂的厚度为d_b2＝0.087μm，满足条件 d_b1+d_b2＝d_b。

石墨烯单层的厚度约为0.33nm(nm表示纳米)，相当于一个原子的尺寸。相对于电介质薄片A、B、B₁和B₂的厚度，石墨烯的厚度可以忽略不计。但是这里为了凸显石墨烯的存在，在示意图中对石墨烯进行了加粗处理。这里环境温度为300K(K表示开尔文)，石墨烯中电子的驰豫时间τ＝0.5ps(ps表示皮秒)。

改变入射光频率，当不考虑石墨烯的影响时，图2给出的是序列序号N＝2的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。纵坐标T 表示光波的透射率；横坐标(ω-ω₀)/ω_gap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω₀＝2πc/λ₀和ω_gap＝4ω₀arcsin│(n_a-n_b)/(n_a+n_b)|²/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。在归一化频率为[-1,1]区间内，存在2个透射率的共振峰，对应着2个共振光学分形态。它们彼此独立，且相隔适当距离。这2个透射率峰值都为1，对应的中波长分别为：λ＝[2.0551μm,1.2442μm]。这2个光学分形态都对电场具有局域作用，但是，第二个共振态(用星号标注)的局域电场的两个最强位置，因此，将两个石墨烯单层镶嵌在结构中这两个电场强度最强的位置，从而增强石墨烯的非线性效应，实现低阈值光学双稳态；另外，要实现低阈值的光学双稳态，入射波长必须相对于第二个共振态波长λ＝1.2442μm适当地红失谐。

电介质和石墨烯按照上述规则沿水平方向从左到右依次排列。图3给出的是第二个共振光学分形态在复合结构中的电场分布。虚线表示相邻两层电介质的分界面，两片石墨烯单层G分别被镶嵌在结构中电场强度最强的两个位置。纵坐标表示归一化的电场强度。可见电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性。局域电场最强点正好位于石墨烯单层处。石墨烯的光学三阶非线性效应与局域电场强度成正比，因此，石墨的非线性效应得到极大地增强。

设置石墨烯的化学势为μ＝0.3eV，其它参数保持不变，图4 给出的是输出光强随输入光强的变化关系。入射光波长为λ＝1.27μm，相对于第二个共振波长λ＝1.2442μm存在一定的红失谐。横坐标I_i表示输入光强，纵坐标I_o表示输出光强。单位MW/cm²表示兆瓦每平方厘米。当光强增加到一定值时，在输入-输出关系曲线中，会出现一个S形曲线段，即光学双稳态关系。在Octonacci 光子晶体与石墨烯的复合系统中光学双稳态阈值为100MW/cm²量级，而Thue-Morse光子晶体与石墨烯复合中光学双稳态阈值为 GW/cm²量级。在Cantor光子晶体和石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值被地降低至10MW/cm²量级。

当输入光强从一个相对较小值逐渐增加时，在S曲线的拐点 1处，输入光强I_i＝I_u，输出光强分别发生向上的跳变，即输入-输出曲线沿I轨迹变化，把I_u叫作光学双稳态的上阈值；当输入光强从一个相对较大值逐渐降低时，在S曲线的拐点2处，输入光强I_i＝I_d，输出光强发生一个向下的跳变，即输入-输出曲线沿II 的轨迹变化，把I_d叫作光学双稳态的下阈值。上、下阈值作差I_u-I_d叫阈值间隔。

当输入光强位于上、下阈值之间，即I_d<I_i<I_u时，一个输入光强对应着两个输出光强值，这就是所谓的光学双稳态。在输入- 输出光强关系的轮廓线中，存在的一段S形曲线就是光学双稳态的典型特征，该效应可被用于二值光控光的全光开关。

当然，不同的入射波长，或石墨烯的化学势不同，对应的双稳态曲线和阈值是不同的。

固定入射波长λ＝1.27μm，其它参数保持不变，图5(a)给出的是不同石墨烯化学势μ对应的输入-输出光强关系。可以看到：当μ＝0.1eV～0.4eV时，输入-输出光强都是双稳态关系；增大μ值，不同的化学势对应的双稳态曲线不同，且双稳态的上、下阈值和阈值间隔也不同；随着石墨烯化学势的增加，双稳的上、下阈值都增大，且双稳态的阈值间隔也增大，如图5(b)所示。Upper Threshold和Lower Threshold分别表示双稳态的上、下阈值。双稳的上、下阈值和阈值间隔随石墨烯的化学势增大而增大，因此，可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。

固定石墨烯化学势μ＝0.3eV，其它参数保持不变时，图6(a) 给出的是不同入射波长对应的输入-输出光强关系。可以看到：当λ<1.263μm时，输入-输出不是双稳关系；当λ≥1.263μm时，输入 -输出光学是双稳的；不同入射波长对应的双稳态曲线不同，即双稳态的上、下阈值和阈值间隔不同；随着入射波长的增大，即失谐量增大，双稳态的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间隔增大，如图6(b)所示。Upper Threshold和Lower Threshold分别表示双稳态的上、下阈值。可以看到，当λ≥1.263μm时，才出现双稳态；双稳态的阈值和阈值间隔随波长的增大而增大。当因为波长的失谐量越大，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，则满足共振所需的入射光能量就越强。因此，可以通过改变入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。

总之，序列序号N＝2的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构中存在2个共振分形态。分形态对电场局域较强的局域作用，而两片单层石墨烯正好分别位于其中一个分形态对应的局域电场最强位置，故石墨烯的非线性效应得到极大的增强，从而实现低阈值光学双稳态，光学双稳态的阈值可低至10MW/cm²量级，比 Thue-Morse光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小5个量级，比Octonacci光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小1个量级。且光学双稳态的上、下阈值和阈值间隔可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。该效应可应用于二值全光开关。

入射光波长设置为λ＝1.27μm，化学势为μ＝0.3eV，输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象，将其应用于二值全光开关中，其原理如图7所示。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在拐点1处，输出光强会发生一个向上的跳变，输入光强I_i＝I_u被叫作上阈值，此过程对应着全光开关的开通过程，把I_i＝I_u被叫作全光开关的开通阈值；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在拐点 2处，输出光强会发生一个向下的跳变，输入光强I_i＝I_d被叫作下阈值，此过程对应着全光开关的关断过程，把I_i＝I_d被叫作全光开关的关断阈值。上阈值I_u＝107.5415MW/cm²，下阈值 I_d＝76.1345MW/cm²，阈值间隔I_u-I_d＝31.407MW/cm²。

图5(b)显示光学双稳态的输入-输出曲线受石墨烯化学势的影响。化学势不同，对应的S曲线两个拐点位置也发生变化。S 曲线的两个拐点分别对应着光学双稳态的上、下阈值，即光开关的开通和关断阈值。保持入射波长λ＝1.27μm不变，化学势增大到μ＝0.4eV，此时上阈值I_u＝133.0646MW/cm²，下阈值 I_d＝97.9482MW/cm²，阈值间隔I_u-I_d＝35.1164MW/cm²。可见，当化学势增大时，全关开关的开关阈值和阈值间隔增大。

图6(b)给出的是光学双稳态的输入-输出曲线受入射波长的影响。当化学势为μ＝0.3eV，入射波长为λ＝1.27μm时，对应的上阈值I_u＝107.5415MW/cm²，下阈值I_d＝76.1345MW/cm² _,，阈值间隔I_u-I_d＝31.407MW/cm²。保持化学势μ＝0.3eV不变，降低入射波长至λ＝1.265μm时，对应的上阈值I_u＝65.5221MW/cm²，下阈值 I_d＝59.7432MW/cm² _,，阈值间隔I_u-I_d＝5.7789MW/cm²。可见，当入射波长减小时，波长失谐量的减小，全关开关的开关阈值和阈值间隔降低。

开关阈值间隔越大，则开通和关断操作的区分度越大，误操作概率越小。要降低开关的误判率，则需要提高石墨烯的化学势或波长失谐量，另一方面，判决阈值增大。因此，降低全光开关的误判率是以提高判决阈值为代价的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，包括两个石墨烯单层和一个序列序号N＝2的康托尔(Cantor)光子晶体，所述康托尔光子晶体结构为：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；其中一个分形态存在两个局域电场最强的位置，两个石墨烯单层正好被嵌入这两个局域电场最强的位置；此复合结构整体上可表示成：ABAB₁GB₂BB₂GB₁ABA，其中G表示石墨烯单层；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。

2.根据权利要求1所述一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，所述电介质薄片A的基质材料为碲化铅，折射率为n_a＝4.1；所述电介质薄片B、B₁和B₂的基质材料都为冰晶石，折射率为n_b＝1.35。

3.根据权利要求1或2所述电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各种光学波长的1/4，即A的厚度为d_a＝λ₀/4/n_a＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ₀＝1.55μm为中心波长，B的厚度为d_b＝λ₀/4/n_b＝0.287μm，B₁的厚度为d_b1＝0.2μm，B₂的厚度为d_b2＝0.087μm，满足条件d_b1+d_b2＝d_b。

4.根据权利要求1或2或3所述一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，通过入射波长来调控全光开关双稳态的上阈值、下阈值和阈值间隔。

5.根据权利要求1或2或3或4所述一种具有光学双稳态效应的全光开关，其特征在于，通过石墨烯单层的化学势调控全光开关光学双稳态的上阈值、下阈值和阈值间隔。