具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种Octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构，包括Octonacci序列光子多层和石墨烯层，Octonacci序列光子多层为两种折射率不同的电介质薄片，石墨烯层位于局域电场最强的位置。

Octonacci序列在数学上是一种准周期序列，其迭代规则为：当N＝1时，S₁＝A；当N＝2时，S₂＝B；当N≥3时，S_N＝S_N-1S_N-2S_N-1，其中下标N为序列的序数，S_N为序列的第N项。在满足Octonacci序列的光子多层中，符号A、B表示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的复合结构，其中字母G表示单层石墨烯。此结构也可以表示成其中的厚度为B的厚度的一半。

单层石墨烯的厚度约为0.33nm，即与一个原子的尺寸相当。相对于电介质的厚度，石墨烯的厚度可以忽略。但是这里为了在图示中清晰地看到石墨烯的存在，故意突出了石墨烯厚度。

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n_a＝3.53，厚度为1/4光学波长，即d_a＝λ₀/4n_a＝0.1098μm(μm表示微米)，其中λ₀＝1.55μm为中心波长；B为硅，折射率为n_b＝1.46，厚度为d_b＝λ₀/4n_b＝0.2654μm。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)。

改变入射光频率，图2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表示入射光角频率，ω₀＝2πc/λ₀和ω_gap＝4ω₀arcsin│(n_a-n_b)/(n_a+n_b)|²/π分别表示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称为第一，第二，第三和第四共振峰，其对应的透射率依次为：T＝[0.5388，0.9566，0.9776，0.6067]，对应的中波长分别为：λ＝[2.1963μm,1.6772μm,1.4412μm,1.1983μm]。这四个光学分形态都对电场具有局域作用，但是，只有第一个共振态(用星号标注)的局域电场的最强位置正好在镶嵌的石墨烯处，因此，要实现低阈值的光学双稳态，入射波长必须相对于第一个共振态波长适当地红失谐。当考虑石墨烯的非线性时，正好就在第一个共振峰处形成共振。

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给出的是第一个共振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。

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＝2.5μm，相对于第一个共振波长存在一定的红失谐，石墨烯的化学势仍为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，会出现一段S形曲线，即输入-输出呈双曲关系，一个输入值可以对应着两个输出值。在Thue-Morse序列光子多层与石墨烯复合中的光学双稳态为GW/cm²量级，而Octonacci序列光子多层于石墨烯的复合系统中的光学双稳态阈值为MW/cm²量级，可见，光学双稳态的阈值被降低了三个量级。

当输入光强从一个相对较低的值逐渐增加时，在S曲线的右拐点I_i＝I_u处，输出光强发生向上的跳变，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的值逐渐降低时，在S曲线的左拐点I_i＝I_d处，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、下阈值差I_u-I_d叫光学双稳态的阈值间隔。

当输入光强位于上、下阈值之间时，即I_d<I_i<I_u，对应着两个输出光强，这就是所谓的光学双稳态。输入-输出关系中的S形曲线就是光学双稳态现象，则该效应可被用于二值光逻辑器。

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。

固定入射波长λ＝2.5μm，图5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，且双稳态的上、下阈值间宽增大，如图6所示。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＝0.5eV时，图7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；随着入射波长的降低，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的上、下阈值间宽增大，如图8所示。因为波长的失谐量越大，要实现波长共振，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，那么，满足共振所需的入射光的能量就要求越强。因此，可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间宽。

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。分形态对电场局域较强的局域作用，而石墨烯正好位于电场最强的位置附近，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，光学双稳态的阈值最小可低至MW/cm²量级，比用Thue-Morse序列光子多层与石墨烯复合中的光学双稳态阈值小三个量级。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调控。该效应可应用于二值光逻辑器。

入射光波长设置为2.5μm，化学势为μ＝0.2eV，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逻辑器，其原理如图9所示。

当将该效应可应用于光逻辑器时。当输入光强由一个较低值逐渐增强时，在上阈值I_i＝I_u处，对应着光逻辑1；当输入光强由一个较高值逐渐增强时，在下阈值I_i＝I_d处，对应着光逻辑0。

图6和图8显示光学双稳态的输入-输出曲线受石墨烯化学势和入射波长的调控。化学势和入射波长不一样，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，即光逻辑器的判决阈值，因此，可以通过石墨烯的化学势或入射波长调控光逻辑器的阈值。可以看到，随着石墨烯的化学势和入射波长失谐量的增大，光逻辑器的判决阈值增大，以及上、下阈值间隔也变大。判决阈值间隔越大，则逻辑0和逻辑1的区分度越大，误判率越小。要降低光逻辑器的误判率，则需要提高石墨烯的化学势或波长失谐量，但同时判决阈值被提高，因此，降低光逻辑器的误判率是以提高判决阈值为代价的。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。