一种具有光学双稳态效应的康托尔光子晶体复合结构制造技术

本发明专利技术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。双稳态的阈值低2个量级。双稳态的阈值低2个量级。

【技术实现步骤摘要】
一种具有光学双稳态效应的康托尔光子晶体复合结构


[0001]本专利技术属于光学
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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)。
[0008]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光子也是一种准周期光子晶体，具有光学 分形的特性，且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，相邻共振模之间 的间隔距离适当，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 的阈值可低至100MW/cm2(MW/cm2表示兆瓦每平方厘米)。能 否得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，成为了本领域值得探索的问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术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康托尔光子晶体复合结构，本专利技术所要解 决的技术问题是如何降低光学双稳态的阈值。
[0010]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种具有光学双 稳态效应的康托尔(Cantor)光子晶体复合结构，其特征在于， 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 分形态局域电场最强的位置正好位于结构的中心，石墨烯单层G 被嵌入到康托尔光子晶体中心，此复合结构整体上可表示成： 其中表示半层电介质薄片B；所述石墨烯 所处位置的局域电场最强，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；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。
[0011]进一步的，所述电介质薄片A的基质材料为碲化铅，所述电 介质薄片B的基质材料为冰晶石。
[0012]所述复合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。
[0013]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，是石墨烯的化学势和入射 波长的函数，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
[0014]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。
[0015]图2是序列序号N＝2的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。
[0016]图3是波长λ＝2.0551μm对应的光学分形态的归一化电场分 布。
[0017]图4是出射光强随入射光强的变化关系。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]图7是基于光学双稳态的二值全光开关原理图。
具体实施方式
[0021]以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方 案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。
[0022]在数学上，康托尔(Cantor)序列的迭代规则为：S0＝A， S1＝ABA，S2＝ABA(3B)ABA,S3＝S2(3B)2S2，
……
，S
N
＝ S
N
‑1(3B)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光学双稳态效应的康托尔光子晶体复合结构，其特征在于，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，其中一个分形态局域电场最强的位置位于结构的中心，石墨烯单层G被嵌入到康托尔光子晶体中心，所述康托尔光子晶体复合结构表示成：其中表示材质与电介质薄片B相同、厚度为电介质薄片B一半的电介质薄片；所述石墨烯所处位置的局域电场最强，使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...

【专利技术属性】
技术研发人员：段善荣，
申请(专利权)人：湖北科技学院，
类型：发明
国别省市：