一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器
阅读说明：本技术 一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器 (Optical logic device based on Period-double photonic crystal ) 是由 方明 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器,属于全光通讯技术领域。包括若干第一电介质层、若干第二电介质层和两个石墨烯单层,第一电介质层记为H,第二电介质层记为L,石墨烯单层记为G,光逻辑器的层状结构表示为：HLH-(1)GH-(2)HH-(2)GH-(1)LHL,其中H-(1)GH-(2)和H-(2)GH-(1)均表示石墨烯单层嵌入第一电介质层内形成的三层结构,第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自光学波长的1/4,第一电介质层和第二电介质层分别为折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。所述基于PD光子晶体的光逻辑器可实现低阈值光学双稳态,双稳态的上、下阈值分别对应着光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值。本发明具有能够用作光逻辑器等优点。(The invention provides an optical logic device based on Period-double photonic crystals, and belongs to the technical field of all-optical communication. The optical logic device comprises a plurality of first dielectric layers, a plurality of second dielectric layers and two graphene single layers, wherein the first dielectric layers are marked as H, the second dielectric layers are marked as L, the graphene single layers are marked as G, and the layered structure of the optical logic device is represented as follows: HLH 1 GH 2 HH 2 GH 1 LHL of which H 1 GH 2 And H 2 GH 1 Both represent a three-layer structure in which a graphene monolayer is embedded in a first dielectric layer, the thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer are 1/4 of the respective optical wavelengths, and the first dielectric layer and the second dielectric layer are two kinds of uniform dielectric sheets having different refractive indexes. The optical logic device based on the PD photonic crystal can realize low-threshold optical bistable state, and the upper and lower thresholds of the bistable state respectively correspond to logic 1 and logic 0 of the optical logic deviceAnd (6) judging a threshold value. The invention has the advantages of being capable of being used as an optical logic device and the like.)
技术领域
本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器。
背景技术
在全光通信中，对信息的存储、传输、中继、判决、定时、放大和整形等都是在光域内进行和完成，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光逻辑器便是其中重要的一类。光学双稳态是利用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输入光场能量就越强。但随着器件功率的增大，器件工作时的稳定性就会变差，且对散热条件的要求也会提高。另外，双稳态的上、下阈值间隔越小，对应的光逻辑器的逻辑1和逻辑0的区分度就越小，这会导致误判率升高。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，一方面是寻求具有较大三阶非线性光学系数的材料；另一方面是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强度，因此，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。石墨烯的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。缺陷模的能量主要分布在缺陷层中，因此在缺陷层中嵌入石墨烯，可极大地提高石墨烯的非线性效应。
将两种折射率不同的电介质薄片在空间上交替排列，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被全部反射。如果在光子晶体中引入缺陷，透射谱中会出现透射模。透射模是一种缺陷模，对电场具有局域作用，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几何级数递增，故常将准光子晶体或非周期光子晶体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光子晶体。将石墨烯嵌入到TM光子晶体中，可以实现光学双稳态，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。随着光子晶体序列序号的增加，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，故又将这些透射模叫分形共振态。光学分形态对电场具有很强的局域性，可用于实现低阈值的光学双稳态。能否寻找到电场局域性更强的的准周期光子晶体，进而与石墨烯复合，进一步增强石墨烯的非线性效应，以及降低光学双稳态的阈值；继而将光学双稳态应用于光逻辑器，得到低判决阈值且阈值可调的光逻辑器，是本领域的研究重点。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器，本发明所要解决的技术问题是设计能够用于光逻辑器的光子晶体。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器，其特征在于，包括若干第一电介质层、若干第二电介质层和两个石墨烯单层，所述第一电介质层记为H，所述第二电介质层记为L，所述石墨烯单层记为G，所述光逻辑器的层状结构表示为：HLH1GH2HH2GH1LHL，其中H1GH2和H2GH1均表示石墨烯单层嵌入第一电介质层内形成的三层结构，所述第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自光学波长的1/4，所述第一电介质层和第二电介质层分别为折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片；所述基于Period-Doubling光子晶体的光逻辑器可实现低阈值光学双稳态，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。
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，所述光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值和阈值间隔通过石墨烯单层的化学势调控。
进一步的，所述光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值和阈值间隔通过入射波长调控。
将折射率高、低不同的两种电介质薄片H和L，按照序列序号N＝3的Period-Doubling(周期倍增：PD)序列依次排列；再将两个石墨烯单层嵌入到PD光子晶体中，形成复合结构；PD光子晶体对中存在光学分形态，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其中一个光学分形态所对应的电场最强位置，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光子晶体与石墨烯复合结构中的光学双稳态的阈值低3个量级。
所述PD光子晶体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。因此，将该光学双稳态效应应用于光逻辑器时，光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值，以及逻辑1和逻辑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
图1是序列序号N＝3的PD光子晶体与石墨烯复合结构示意图。
图2是序列序号N＝3的PD光子晶体中光波的线性透射谱。
图3是波长λ1＝2.0855μm对应的光学分形态的归一化电场强度分布。
图4基于光学双稳态的光逻辑器原理图。
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。
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。
图中，H、第一电介质层；L、第二电介质层；G、石墨烯单层。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
数学上，Period-Doubling(周期倍增：PD)序列的迭代规则为：S0＝H，S1＝HL，S2＝HLHH，……，SN＝SN-1SN-2SN-2，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)表示序列的序号，SN表示序列的第N项。在对应的PD光子晶体中，字母H、L分别表示折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。
图1给出的是序列序号N＝3的PD光子晶体与石墨烯复合结构示意图。序列序号N＝3的PD光子晶体可以表示成：HLHHHLHL，其中字母H、L分别表示两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片；该光子晶体中存在光学分形效应，再将两个石墨烯单层分别嵌入其中一个分形态局域电场最强的位置，形成复合结构，该复合结构可以表示成：HLH1GH2HH2GH1LHL，其中G表示石墨烯单层。
在所述的PD光子晶体中，H、H1和H2为高折射率材料碲化铅，其折射率为nH＝4.1；L为低折射率材料冰晶石，其折射率为nL＝1.35。H和L的厚度均为1/4光学波长，即H的厚度为dH＝λ0/4/nH＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，L的厚度为dL＝λ0/4/nL＝0.287μm。H1的厚度为dH1＝0.0145μm，H2的厚度为dH2＝0.08μm，满足条件dH1+dL2＝dH。入射光为横磁波，从左边入射。水平向右为坐标轴Z方向的正方向。
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H、H1、H2和L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)。
改变入射光频率，当不考虑石墨烯的影响时，图2给出的是序列序号N＝3的PD光子晶体中光的线性透射谱。纵坐标T表示光波的透射率；横坐标(ω-ω0)/ωgap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ωgap＝4ω0arcsin│(nH-nL)/(nH+nL)|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，存在一个光子带隙，在带隙中间出现2个透射峰，对应着2个共振光学分形态；它们彼此独立，且相隔适当距离；这2个透射率峰值都为0.9687，对应的中波长分别为：λ1＝2.0855μm和λ2＝1.2333μm。这2个光学分形态都对电场具有局域作用，这里只选取第1个共振态(用星号☆标注)，得到其对应的模场分布；再将石墨烯单层镶嵌在复合结构中局域电场最强的位置，从而增强石墨烯的非线性效应，实现低阈值光学双稳态。另外，要在第1个共振波长λ1附近实现低阈值的光学双稳态，入射波长必须相对λ1＝2.0855μm适当地红失谐。
图3给出的是图2中第1个共振光学分形态在复合结构中的电场分布，对应的共振波长为λ1＝2.0855μm。虚线表示相邻两层电介质薄片的分界面，两个石墨烯单层G分别被镶嵌在结构中局域电场最强的两个位置。纵坐标表示归一化的Z分量电场强度。可见：电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性；两个石墨烯单层正好位于局域电场最强的两个位置。石墨烯的三阶非线性光学效应正比于局域电场强度，因此，石墨的非线性效应得到极大地增强。
固定入射波长λ＝2.23μm，相对于光学分形态的第1个共振波长λ1＝2.0855μm存在一定的红失谐。当输入光足够强时，考虑石墨烯的非线性效应，石墨烯的化学势固定为μ＝0.4eV，其它参数保持不变。图4给出的是输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象，并将其应用于光逻辑器。横坐标Ii表示输入光强，纵坐标Io表示输出光强。单位MW/cm2表示兆瓦每平方厘米。输入-输出光强关系的轮廓线中存在一段S形曲线段，这就是光学双稳态的典型特征。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在S形曲线段右拐点处，输出光强会发生一个向上的跳变，输入光强Ii＝Iu被叫作光学双稳态的上阈值，此过程对应着光逻辑器的逻辑1，把Ii＝Iu叫作光逻辑器逻辑1的判决阈值；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在S形曲线段左拐点处，输出光强会发生一个向下的跳变，输入光强Ii＝Id被叫作光学双稳态的下阈值，此过程对应着光逻辑器的逻辑0，把Ii＝Id叫作光逻辑器逻辑0的判决阈值。此时，逻辑1的判决阈值为Iu＝525.2662MW/cm2，逻辑0的判决阈值为Id＝314.3101MW/cm2，逻辑1和逻辑0判决阈值之间的间隔为Iu-Id＝210.9561MW/cm2。
保持入射波长λ＝2.23μm和其它参数不变，图5(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。可以看到：当μ＝0.3eV、0.4eV和0.5eV时，输入-输出光强关系曲线中都各存在一段S形曲线段，即双稳态关系。
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，如图5(b)所示。纵坐标Ith表示双稳态的阈值，符号Iu和Id分别表示双稳态的上、下阈值；当0.2eV≤μ<0.27eV和0.28eV≤μ时，双稳的上、下阈值，以及双稳态的上、下阈值间隔随石墨烯化学势的增大而增大；而当0.27eV≤μ<0.28eV时，双稳的上、下阈值，以及双稳态的上、下阈值间隔随石墨烯化学势的增大而减小。这因为在入射光波长为λ＝2.23μm时，石墨的内部电子会在化学势μ＝0.275eV附近，从带内跃迁到带间跃迁的转变。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结构中，光学双稳态阈值为100GW/cm2量级，而在PD光子晶体与石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值被降低至100MW/cm2量级。可见，光学双稳态的阈值被降低3个量级。
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＝0.4eV，其它参数保持不变，图6(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＝2.22μm～2.25μm时，输入-输出光强关系都是双稳的；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，即波长失谐量增大，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的上、下阈值间隔增大，如图6(b)所示。波长的失谐量越大，要实现共振，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，则所需的入射光场能量就越强。因此，可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值，以及上、下阈值之间的间隔。
总之，在PD光子晶体与石墨烯的复合结构中，存在共振的光学分形态，光学分形态对电场具有很强的局域作用，而两个石墨烯单层正好分别位于其中一个光学分形态对应的局域电场最强位置，故石墨烯的非线性效应得到极大地增强，从而实现低阈值光学双稳态，光学双稳态的阈值可低至100MW/cm2量级，比TM光子晶体与石墨烯复合结构中的光学双稳态阈值小3个量级。所述光学双稳态可应用于光逻辑器，光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值分别对应着光学双稳态的上、下阈值，则光逻辑器的逻辑1、逻辑0的判决阈值，以及逻辑1和逻辑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。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明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，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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