一种基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构
阅读说明：本技术 一种基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构 (Composite structure based on quasi-periodic photon multilayer and graphene ) 是由 章普 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构,将两种折射率不同的电介质薄片层和石墨烯层依次逐层堆叠,所述电介质薄片满足Octonacci序列规则；Octonacci序列的迭代规则为：S-(N)=S-(N-1)S-(N-2)S-(N-1),复合结构为S-(N-1)GS-(N-)-(2)GS-(N-1),其中G表示石墨烯层；N>2时,而S-(1)=A,S-(2)=B,其中N为序列的序数,A、B是两种折射率不同的均匀电介质；则：S-(3)=BAB,S-(4)=BABBBAB,S-(5)=BABBBABBABBABBBAB,S-(6)=S-(5)S-(4)S-(5),S-(7)=S-(6)S-(5)S-(6),S-(8)=S-(7)S-(6)S-(7),……。本发明Octonacci序列光子多层也具有光学分形的特性,且这些光学分形态对电场具有很强的局域性；特别地,Octonacci序列光子多层的共振透射模彼此之间可以独立,且间隔距离适当。这可以被用于实现多个彼此独立的光学双稳态,从而得到多值全光开关。(The invention discloses a composite structure based on quasi-periodic photon multilayer and graphene, wherein two dielectric thin sheet layers and graphene layers with different refractive indexes are sequentially stacked layer by layer, and the dielectric thin sheets meet the Octonacci sequence rule; the iteration rule for the Octonacci sequence is: s N =S N‑1 S N‑2 S N‑1 The composite structure is S N‑1 GS N‑ 2 GS N‑1 Wherein G represents a graphene layer; n is a radical of>2 is, and S 1 =A，S 2 = B, where N is the ordinal number of the sequence, A, B being two homogeneous dielectrics with different refractive indices; then: s 3 =BAB，S 4 =BABBBAB，S 5 =BABBBABBABBABBBAB，S 6 =S 5 S 4 S 5 ，S 7 =S 6 S 5 S 6 ，S 8 =S 7 S 6 S 7 … …. The Octonacci sequence photon multilayer of the inventionThe optical fractal characteristics are also provided, and the optical fractal characteristics have strong locality to an electric field; in particular, the resonant transmission modes of the Octonacci-sequence photonic multilayer can be independent of each other and spaced at an appropriate distance. This can be used to implement a plurality of optical bistability independent of each other, resulting in a multi-valued all-optical switch.)
技术领域
本发明属于全光通信系统技术领域，涉及一种基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构。
背景技术
在全光通信中，需要在全光域内对进行处理。这就需要大力发展光控光的全光器件，而基于光学双稳态的多值全光开关或多态光逻辑器件其中重要的一类。
光学双稳态是基于材料光克尔效应一种三阶非线性光学效应。当入射光达到足够强时，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对应着两个稳定的输出光强。光学双稳态可应用于制作全光开关和光存储器。双稳态的上、下阈值分别对应着全光开关的开通和关断阈值。目前，基于的研究主要集中如何通过新材料和新结构中实现低阈值光学双稳态，以及增大上、下阈值间隔。
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，便可构成光子晶体。在光子晶体的波矢空间，光波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全部被反射回来。有限长的光子晶体便是光子多层，光子多层的也存在带隙结构。如果在光子晶体中引入缺陷层，透射谱中会出现共振透射模。透射模对电场具有较强的局域性，常被用于光学双稳态器件。含有缺陷层的光子晶体就叫准光子晶体或非周期光子晶体。
要实现低阈值的光学双稳态，就要增强材料的三阶非线性效应，一方面，可利用具有较大的三阶非线性系数的材料来实现低阈值的光学双稳态，另一方面，可以通过优化结构来增强局域光场。
石墨烯是一种超薄的二维材料，具有优良的导电性，其表面电导率可以通过化学势灵活调节。重要的上，石墨烯还具有可观的三阶非线性系数。可以利用石墨烯的表面等离子体来增强石墨烯的局域光场，或者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。缺陷模的模场能量主要分布在缺陷层中，在缺陷层中嵌入非线性材料，则可极大的增强材料的非线性效应。
将石墨烯和准光子晶体复合，如将石墨烯嵌入到Thue-Morse序列光子多层中，可以实现低阈值的光学双稳态。将两种折射率不同的电介质薄片按Thue-Morse序列规则排列，便可形成准周期光子多层。基于Thue-Morse序列光子多层中具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，即共振透射模，将这些共振模叫Thue-Morse序列光子多层的光学分形共振态，即随着序列号的增加，多层结构中电介质层数相应地增加，光子多层中透射谱中的透射模呈几何级数分裂。但是，在这些共振态中，要么两个相邻共振相隔太近，彼此间相互叠加，要么存在的孤立共振态之间相隔太远，在输入-输出光强曲线中，只能形成一个的光学双稳态或者多个彼此不独立的光学双稳态，这很难被用于多值全光开关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现多个低阈值的光学双稳态的准周期光子多层与石墨烯的复合结构。
本发明的技术方案是：
一种基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构，将两种折射率不同的电介质薄片层和石墨烯层依次逐层堆叠，所述电介质薄片排列满足Octonacci序列规则；Octonacci序列的迭代规则为：SN=SN-1SN-2SN-1，N≥3时，而N=1和2时，S1=A，S2=B，其中N为序列的序数；复合结构为SN-1GSN-2GSN-1，其中G表示石墨烯层；
A、B是两种折射率不同的均匀电介质；
则：S3=BAB，S4=BABBBAB，S5=BABBBABBABBABBBAB，S6=S5S4S5，S7=S6S5S6，S8=S7S6S7，……。
优选地，上述序数N=5的Octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构，此结构也可以表示成BABBBABGBABGBABBBAB。
进一步地，上述第 一电介质层(A)为硅，所述第二电介质层(B)为二氧化硅。
进一步地，上述电介质A为二氧化硅，折射率为na=3.53，厚度为1/4光学波长，即da=λ0/4na=0.1098μm，其中λ0=1.55μm为中心波长；B为硅，折射率为nb=1.46，厚度为db=λ0/4nb=0.2654μm；单层石墨烯的厚度为0.33nm。
一种四值全光开关，包括上述任意一种上述的基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构。
一种光存储器，包括上述任意一种所述的基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构。
一种四态光逻辑器，包括上述任意一种所述的基于准周期光子多层与石墨烯的复合结构。
本发明的特点和有益效果在于：Octonacci序列光子多层也具有光学分形的特性，且这些光学分形态对电场具有很强的局域性。
特别地，Octonacci序列光子多层的共振透射模彼此之间可以独立，且间隔距离适当。这可以被用于实现多个彼此独立的光学双稳态，从而得到多值全光开关。
于是将石墨烯与Octonacci序列光子多层复合，石墨烯所在的位置正好对应分形态模场分布的最大值点附近；利用Octonacci序列光子多层中光学分形态对电场的局域性，来增强石墨烯的非线性效应，以及利用其彼此独立且间隔适当距离的光学分形态，实现多个彼此独立的低阈值光学双稳态。
附图说明
图1 Octonacci序列S5光子多层与石墨烯复合结构示意图；
图2 Octonacci序列S5光子多层与石墨烯复合结构中光的透射谱；
图3 第二个共振光学分形态的归一化电场分布图；
图4 出射光强随入射光强的变化关系图；
图5 (a) 不同的石墨烯化学势对应的输入-输出光强关系；(b) 不同的入射波长对应的输入-输出光强关系；
图6 (a) Thue-Morse序列光子多层中的透射率；(b) 透射模①附近的光学多稳态；(c)透射模④附近的光学双稳态；
图7 基于两个光学双稳态的四值全光开关原理图；
图8 石墨烯化学势对开关阈值的调控图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，Octonacci序列的迭代规则为：SN=SN-1SN-2SN-1，N≥3时，而N=1和2时，S1=A，S2=B，其中N为序列的序数，A、B是两种折射率不同的均匀电介质。我们由此还可以迭代出：S3=BAB，S4=BABBBAB，S5=BABBBABBABBABBBAB，S6=S5S4S5，S7=S6S5S6，S8=S7S6S7，……。图1给出了序数N=5的Octonacci序列光子多层与石墨烯G的复合结构，此结构也可以表示成BABBBABGBABGBABBBAB。单层石墨烯的厚度为0.33nm（nm表示纳米），该厚度相对于电介质A和B的厚度可以忽略，但是这里为了凸显石墨烯的存在，故在示意图中表示石墨烯时对其厚度进行了放大。
光从左边垂直入射，符号I i 表示入射光线，I o 表示出射光线。入射光为横磁(TM)波。电介质A为二氧化硅，折射率为na=3.53，厚度为1/4光学波长，即da=λ0/4na=0.1098μm（μm表示微米），其中λ0=1.55μm为中心波长；B为硅，折射率为nb=1.46，厚度为db=λ0/4nb=0.2654μm。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 = 0.5 ps（ps表示皮秒）。
参见图2，改变入射光频率，本图给出的是Octonacci序列S5光子多层与石墨烯复合结构中光的透射谱。化学势为μ=0.2eV（eV表示电子伏），其它参数保持不变。纵坐标T表示透射率；横坐标(ω−ω 0)/ω gap表示归一化角频率，其中ω=2πc/λ、ω 0 =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，存在四个透射率的共振峰，对应着四个共振光学分形态。它们彼此独立，且相隔适当距离。这四个透射率峰值从左到右依次为：T=[0.6142, 0.5922, 0.5896, 0.5794]，对应的中波长分别为：λ=[2.1962μm, 1.6785μm, 1.4425μm, 1.1982μm]。这四个光学分形态都对电场具有局域作用，但是只有第二个共振态（用五星号标注）的局域电场最强的位置正好在镶嵌的石墨烯附近，因此，要实现多个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红失谐。
电介质和石墨烯按照上述规则沿水平向右的方向，即Z轴的正方向，从左到右依次排列。图3给出的是第二个光学分形态在复合结构中的电场分布。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在镶嵌的两片石墨烯附近。由于石墨烯的光学三阶非线性效应与局域电场强度成正比，石墨的非线性效应得到极大地增强。
参见图4，是输出光强随输入光强的变化关系图。入射光波长为λ=1.9μm，相对于第二个共振波长存在一定的红失谐，石墨烯的化学势为μ=0.2eV，其它参数保持不变。横坐标I i 表示输入光强，纵坐标I o 表示输出光强。单位TW/cm2表示太瓦每平方厘米。当光强增加到一定值时，在输入-输出关系曲线中，从下到上依次出现三个S形，即三个双曲关系。其中第一个S曲线和第三个S形曲线是独立的，而第二个S形曲线（虚线框标注）包含在第一个S曲线之中，故这里我们将其阈值跳变忽略，只考虑第一和第三个S曲线拐点的阈值跳变。
当输入光强从弱到强逐渐增加时，在第一和第三个S曲线的右拐点处，输出光强发生向上的跳变，即输入-输出曲线沿I和II的轨迹变化，把和叫这两个光学双稳态的上阈值；当输入光强从一个强到弱逐渐降低时，在第一和第三个S曲线的左拐点处，输出光强发生向下的跳变，即输入-输出曲线沿III和IV的轨迹变化，把和叫这光学双稳态的下阈值。上、下阈值差叫阈值间隔。很明显，这两个阈值间隔没有交叠区域，故两个光学双稳态彼此独立。
当输入光强位于上、下阈值之间时，即或，一个输入光强对应着两个输出光强，这就是光学双稳态。在整个输入-输出光强关系中，存在两个独立的S形曲线，即两个独立的光学双稳态，则该效应可被用于四值全光开关、光存储器和光逻辑器。
当然，不同的入射波长，或石墨烯的化学势不同，对应的双稳态曲线不一样。
参见图5(a)，其入射波长λ=1.9μm固定，给出的是不同石墨烯化学势对应的输入-输出光强关系。可以看到：不同化学势对应的双稳态曲线不同，且双稳态的上、下阈值也不同；随着石墨烯化学势的增加，双稳的上、下阈值都增大，且双稳态的阈值间宽增大。因此，可以通过石墨烯的化学势来调控双稳态的上、下阈值和阈值间宽。固定石墨烯化学势μ=0.2eV时，图5(b)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：不同入射波长对应的双稳态曲线不同，且双稳态的上、下阈值也不同；当入射波长的降低时，双稳的上阈值增大，而下阈值减小，且双稳态的阈值间宽增大。因此，也可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间宽。
另外，我们再将Octonacci序列光子多层和Thue-Morse序列光子多层分别于石墨烯复合所形成的光学双稳态作对比，来凸显本发明的特点。图6(a)是序数为S4的Thue-Morse序列光子多层的透射谱。这里仍然以两种电介质A和B为例进行排列，则S4=ABBABAABBAABABBA。可以看到在带隙中间存在三个交叠的透射峰①②③和两个独立的透射峰④和⑤。这些透射模对电场都具有局域作用，将石墨烯插入到透射峰①②③对应的模场最强位置，形成的复合系统结构为ABGBABAABBAABABGBA。当输入波长在透射峰①②③附近，且相对于透射峰③红失谐时，图6(b)给出的是输入-输出光强关系，可以看到：在输入-输出光强曲线上存在三个S形曲线段，这意味着有三个光学双稳态；但这三个S形曲线段相互交叠，即三个阈值间隔彼此存在公共区间。当入射光强增大或减小时，上下跳变非常复杂，且不易控制，故很难被用作多值开关。
参见图6 (a) 是Thue-Morse序列光子多层中的透射率；图6(b) 透射模①附近的光学多稳态；图6(c)透射模④附近的光学双稳态。
将石墨烯插入到透射峰④和⑤对应的模场最强位置，形成的复合系统结构为ABBABAABGBAABABBA。当输入波长在透射峰④附近，且相对于透射峰④红失谐时，图6(c)给出的是的输入-输出光强关系，可以看到：对每个特定的石墨烯化学势，对应着一条输入-输出光强曲线，且每条曲线上存在一个S形曲线段，这意味着有一个光学双稳态，就只能被用作双值开关。当输入波长在透射峰⑤附近，且相对于透射峰⑤红失谐时，得到的输入-输出光强关系与图6(c)类似，只是实现光学双稳态所需的阈值变大了。
总之，Octonacci序列光子多层与石墨烯复合结构中存在多个共振分形态。分形态对电场具有很强的局域作用，而石墨烯正好位于电场最强的位置点附近，故石墨烯的非线性效应得到极大地增强，从而实现两个彼此独立的低阈值光学双稳态。这两个光学双稳态的上、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调控。该效应可应用于四值全光开关、光存储器和四态光逻辑器。
具体实施例
如图7所示，入射光波长设置为1.55μm，化学势为μ=0.2eV，输入-输出光强关系中存在两个独立的光学双稳态，将其应用于四值全光开关。
当将该效应可应用于全光开关（或光存储器、光逻辑器）时。当输入光强由一个较低值逐渐增强时，在上阈值处，对应着光开关的开通1（或写入1、逻辑11），继续升高时，在上阈值处，对应着光开关的开通2（或写入2、逻辑10）；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在下阈值处，对应着光开关的关断1（或读取1、逻辑01），继续降低时，在下阈值处，对应着光开关的关断2（或读取2、逻辑00）。
图5(a)显示光学双稳态的输入-输出曲线受石墨烯化学势的调控。化学势不同，S曲线的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，即全光开关的开通和关断阈值，因此，可以通过石墨烯的化学势调控全光开关的开关阈值。
参见图8给出的是基于两个独立的光学双稳态的四值开关阈值随石墨烯化学势变化情况。可以看到，随着石墨烯的化学势增大，全光开关的开关阈值增大，以及阈值间隔也变大。开关阈值间隔越大，则开关的区分度越大，开关的误判率越小。要降低开关的误判率，则需要提高石墨烯的化学势，同时开关的阈值却变大，因此，降低开关的误判率是以提高开关阈值为代价。
类似地，从图5(b)中可以得到，可以通过入射波长灵活地调控全光开关的开关阈值。
如果将此双稳态效应应用于光存储和逻辑器件，则存储器和逻辑器的写入、读出和判决阈值都受石墨烯的化学势和入射波长调控。
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