CN215833740U

CN215833740U - 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

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Publication number: CN215833740U
Application number: CN202122344226.1U
Authority: CN
Inventors: 刘芳华
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2031-09-26

Abstract

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。

Description

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

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

本实用新型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光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够用于全光开关的光子晶体复合结构。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：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，其特征在于，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；所述第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自光学波长的1/4；所述第一电介质层和第二电介质层分别为两种高、低折射率不同的均匀电介质薄片；所述复合结构中存在的光学分形态对电场具有局域作用，两个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；所述光学双稳态可应用于全光开关。

进一步的，所述第一电介质层为高折射率材料碲化铅，所述第二电介质层为低折射率材料冰晶石。

进一步的，所述全光开关的开通触发阈值、关断触发阈值和开关触发阈值之间的间隔通过石墨烯单层的化学势来调控。

进一步的，所述全光开关的开通触发阈值、关断触发阈值和开关触发阈值之间的间隔通过入射波长来调控。

二元RS序列的迭代规则为：S₀＝A，S₁＝AA，S₂＝AAAB，S₃＝AAABAABA，……，S_N＝S_N-1(AA→AAAB，AB→AABA，BA→BBAB，BB→BBBA)，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)表示序列的序号，S_N表示序列的第N项，AA→AAAB表示将S_N-1中的AA替换成AAAB。图2分别给出了序号N＝0，1，2和3的RS光子晶体结构。在对应的RS光子晶体中，字母A、B分别表示折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。

将折射率高低不同的两种电介质薄片A和B，按照序列序号N＝3的二元Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)序列依次排列，从而形成RS光子晶体；该光子晶体中存在光学分形态，对电场具有局域作用；局域电场的两个最强位置正好位于电介质分界面处，再将两个石墨烯单层分别嵌入到局域电场最强的两个位置，从而形成复合结构。

石墨烯正好位于光学分形态对应的局域电场最强的位置，因此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100MW/cm²，这比TM光子晶体和石墨烯复合结构中的光学双稳态的阈值低3个量级。

基于RS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增大而增大。所述光学双稳态可应用于全光开关，全光开关的开通和关断触发阈值，以及开、关触发阈值之间的间隔，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＝3的RS光子晶体与石墨烯复合结构示意图。

图2是不同序号的RS光子晶体与石墨烯复合结构中光波的透射谱[(a)图、(b)图和(c)图对应的RS光子晶体的序号分别为N＝2、3和4]。

图3是波长λ＝1.5623μm对应的光学分形态的归一化电场分布(光子晶体序列序号N＝3)。

图4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4中(b)图双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系。

图5中(a)图是不同的入射波长对应的输入-输出光强关系；图5中(b)图双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系。

图6是基于光学双稳态的二值全光开关原理图。

图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；G、石墨烯单层。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

图1给出的是序列序号N＝3的二元Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)光子晶体与石墨烯的复合结构示意图。序号N＝3的RS光子晶体可表示成：AAABAABA。再将两个石墨烯单层分别嵌入到光学分形态对应的局域电场两个最强位置，正好位于相邻两层电介质薄片的分界面处。这样，该复合结构可以表示成AAABGAAGBA，其中G表示单层石墨烯。

在所述的RS光子晶体对中，A为高折射率材料碲化铅，其折射率为n_A＝4.1；B为低折射率材料冰晶石，其折射率为n_B＝1.35。A和B的厚度均为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。入射光为横磁波，从左边垂直入射。

单层石墨烯的厚度约为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和B的厚度，石墨烯的厚度可以忽略。这里环境温度设置为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)。

当化学势为μ＝0.4eV，光波垂直入射时，改变入射光频率，图2给出的是不同序列序号N的RS光子晶体与石墨烯复合结构中光波的线性透射谱。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。图2(a)、(b)和(c)分别给出了N＝2，3和4的RS光子晶体与石墨烯复合结构中的透射谱。可以看到：在归一化频率的两根虚线区间内，N＝2对应的结构中存在0个共振峰；N＝3对应的结构中存在1个共振峰，对应的峰值为T_p＝0.9705，共振波长为λ＝1.5623μm；N＝4对应的结构中存在2个共振峰，对应的峰值分别为T_p＝0.9894和0.4836，共振波长为λ＝1.6427μm和1.4853μm；随着N的增加，共振峰的数目增加；当N增大时，共振峰越来越窄，越来越陡，因此其共振性越强；由于石墨烯的等效折射率受波长的影响，当频率增加时，光学损耗增加，导致N＝4对应的透射谱结构中中间2个共振峰，其右侧的共振峰的峰值比左侧的峰值小。

这里将以N＝3的RS光子晶体和石墨烯的复合结构为例，演示并说明其光学分形态对电场的局域作用，以及对石墨烯非线性效应的增强作用，从而实现低阈值的光学双稳态。

电介质和石墨烯按照规则沿水平方向，即Z轴，从左到右依次排列。图3给出的是图2(b)共振光学分形态在复合结构中的电场分布，对应的入射波长为λ＝1.5623μm。虚线表示相邻两层电介质的分界面，两片单层石墨烯G分别被镶嵌在结构中电场强度最强的两个位置，该位置正好位于相邻电介质分界面处。纵坐标表示Z分量的归一化的电场强度。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单层石墨烯处。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。

固定入射波长λ＝1.588μm，该波长相对于的光学分形共振波长λ＝1.5623μm存在一定的红失谐，其它参数保持不变。图4(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。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。可以看到：当μ＝0.3eV时，输入-输出光强关系曲线是非双稳的；当μ＝0.4eV和0.5eV时，输入-输出光强关系曲线中都有一段S形曲线段，即双稳态关系。

增大输出光强，在S曲线段的右拐点处，输出光强发生向上的跳变，把此时对应的输入光强值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曲线段的左拐点处，输出光强发生一个向下的跳变，把此时对应的输入光强值叫作光学双稳态的下阈值；上、下阈值作差叫阈值间隔。

当输入光强位于上、下阈值之间时，一个输入光强值对应着两个输出光强值，这就是所谓的光学双稳态。在输入-输出关系轮廓线中的S形曲线段，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。

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4(b)所示。纵坐标Thresh.表示双稳态的阈值；Upper Threshold和LowerThreshold分别表示双稳态的上、下阈值。当μ≥0.4eV时，输入-输出光强关系是双稳态关系；双稳态的上、下阈值都增大和阈值间宽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调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。

在TM光子晶体与石墨烯的复合系统中，光学双稳态阈值为100GW/cm²量级，而在本设计的RS光子晶体与石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值被地降低至100MW/cm²量级。

另外，不同的入射波长，对应的双稳态曲线和阈值也不同。

固定石墨烯化学势μ＝0.5eV，其它参数保持不变时，图5(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＝1.587μm、1.588μm和1.589μm时，输入-输出光学都是双稳的；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，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间隔增大，如图5(b)所示。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，可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。

总之，RS光子晶体与石墨烯复合结构中存在共振的光学分形态，光学分形态对电场局域较强的局域作用；而两个石墨烯单层正好分别位于分形态对应的电场最强位置，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；光学双稳态的阈值低至100MW/cm²量级，比TM光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小3个量级；所述光学双稳态可应用于二值全光开关，开关的开通、关断触发阈值，以及触发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。

入射光波长设置为λ＝1.588μm，化学势为μ＝0.5eV，输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象。将该效应应用于二值全光开关时，其原理如图6所示。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在S形曲线段的右拐点处，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触发阈值；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在S形曲线段的左拐点处，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触发阈值。此时，开通触发阈值I_u＝187.2364MW/cm²，关断触发阈值I_d＝161.6249MW/cm²，触发阈值间隔I_u-I_d＝25.6115MW/cm²。

图4(b)和图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。化学势和输入波长不同，对应的S曲线段的两个拐点位置也发生变化。S曲线段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触发阈值。因此，可以通过石墨烯的化学势和输入波长来调控全光开关的开通、关断触发阈值，以及开、关触发阈值之间间隔。可以看到，当石墨烯化学势和输入波长增大时，全关开关的开通、关断触发阈值，以及触发阈值之间的间隔都增大。

开、关触发阈值之间的间隔越大，则开通和关断操作的区分度越大，误操作率越小。要降低开关的误操作率，就需要提高石墨烯的化学势或波长失谐量，而同时开关触发阈值会增大，因此，降低全光开关的误操作率是以提高开关触发阈值为代价的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型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，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种基于Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，其特征在于，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；所述第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自光学波长的1/4；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；所述复合结构中存在的光学分形态对电场具有局域作用，两个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；所述光学双稳态可应用于全光开关。

2.根据权利要求1所述一种基于Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，其特征在于，所述第一电介质层为高折射率材料碲化铅，所述第二电介质层为低折射率材料冰晶石。

3.根据权利要求1或2所述一种基于Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，其特征在于，所述全光开关的开通触发阈值、关断触发阈值和开关触发阈值之间的间隔通过石墨烯单层的化学势来调控。

4.根据权利要求1或2所述一种基于Rudin-Shapiro光子晶体的复合结构中光学双稳态的全光开关，其特征在于，所述全光开关的开通触发阈值、关断触发阈值和开关触发阈值之间的间隔通过入射波长来调控。