一种基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器，属于全光通讯技术领域。复合光子晶体的光逻辑器的层状结构表示为：ABABBBABABB1GB2BBB3GB3BBB2GB1BABABBBABA，其中，字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片，G表示单层石墨烯，B1GB2、B3GB3和B2GB1均表示单层石墨烯G嵌入电介质薄片B的内部形成的三明治结构，单层石墨烯G在光逻辑器中所处位置的局域电场最强，使单层石墨烯G的三阶非线性效应得到增强，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的厚度均为各自折射率对应的1/4光学波长。本发明专利技术具有光学双稳态的阈值低等优点。学双稳态的阈值低等优点。学双稳态的阈值低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器


[0001]本专利技术属于全光通讯
，涉及一种基于复合康托尔光 子晶体的光逻辑器。

技术介绍

[0002]在全光通信中，需要在光域内对信号进行储存、中继、定时、 放大和整形等，这就要用到光逻辑器，而基于光学双稳态的光逻 辑器便是其中重要的一类。
[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共振输出态。当 把光学双稳态应用于光逻辑器时，双稳态的上、下阈值分别对应 着光逻辑器的逻辑1和逻辑0的判决阈值。判决阈值越大，触发 光逻辑器判决所需的光强就越大。另一方面，器件的功率越大， 则器件的稳定性会变得越差，且对散热条件的要求也变高。另外， 上、下阈值之间的间隔越小，逻辑1和逻辑0的区分度就越弱， 那么误判率就变大。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，另一方面通过优化系统结构来增强局域电场，因 为光克尔效应正比于局域电场，故强的局域电场可提高材料的三 阶非线性效应。
[0005]石墨烯是一种超薄二维材料，具有优良的导电性，且其表面 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 烯具有可观的三阶非线性光学系数。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 提高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被无透射地全 部反射。若在一维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，实现低阈值的光学双稳态。 如将石墨烯嵌入到Thue
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Morse(T
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M)光子晶体中，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)。T
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M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T
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M序列规则 排列，便可形成T
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M光子晶体，它是一种准周期光子晶体。T
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M 光子晶体具有多个缺陷腔，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T
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M光子晶体的光学分形共振态。
[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，也具有光 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)。是 否存在其它的准周期光子晶体和石墨烯的复合结构，能进一步降 低光学双稳态的阈值，得到低判决阈值的光逻辑器，成为本领域 的研究重点。

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 基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器，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：
[0011]一种基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器，其特征在于，基 于复合康托尔光子晶体的光逻辑器的层状结构表示为： ABABBBABABB1GB2BBBB3GB3BBB2GB1ABABBBABA，其中， 字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片，G表示 单层石墨烯，B1GB2、B3GB3和B2GB1均表示单层石墨烯G嵌入 电介质薄片B的内部形成的三明治结构，所述单层石墨烯G在光 逻辑器中所处位置的局域电场最强，使单层石墨烯G的三阶非线 性效应得到增强，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。
[0012]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。
[0013]进一步的，通过单层石墨烯G的化学势来调控双稳态的上阈 值、下阈值和阈值间隔。
[0014]进一步的，通过入射波长来调控双稳态的上阈值、下阈值和 阈值间隔。
[0015]本复合结构包括一个石墨烯单层和一个序列序号N＝3的康 托尔(Cantor)光子晶体，所述康托尔光子晶体为ABABBBABABBBBBBBBBABABBBABA，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多 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，三 个石墨烯单层被嵌入到其中一个分形态局域电场最强的位置，此 复合结构整体上可表示成： ABABBBABABB1GB2BBB3GB3BBB2GB1BABABBBABA，其中G 表示单层石墨烯；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，进而实现低阈值的光学 双稳态；所述电介质薄片A和电介质薄片B的厚度均为各自折射 率对应的1/4光学波长，此结构中光学双稳态的阈值可低至 100kW/cm2，这比Octonacci光子晶体与石墨烯复合结构中光学双 稳态的阈值低3个量级。
[0016]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，当将此结构中的光学双稳态应用于光 逻辑器时，光逻辑器的逻辑1与0的判决阈值，以及逻辑1、逻 辑0判决阈值之间的间隔，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
[0017]图1是序列序号N＝3的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构示 意图。
[0018]图2是序号N＝3的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。
[0019]图3是波长λ＝2.2301μm对应的光学分形态的归一化电场分 布。
[0020]图4是出射光强随入射光强的变化关系。
[0021]图5中(a)图为不同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器，其特征在于，基于复合康托尔光子晶体的光逻辑器的层状结构表示为：ABABBBABABB1GB2BBB3GB3BBB2GB1BABABBBABA，其中，字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片，G表示单层石墨烯，B1GB2、B3GB3和B2GB1均表示单层石墨烯G嵌入电介质薄片B的内部形成的三明治结构，所述单层石墨烯G在光逻辑器中所处位置的局域电场最强，使单层石墨烯G的三阶非线性效应得到增强，进而实现低阈值光学双稳态；所述电介质薄片...

【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：