一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器
阅读说明：本技术 一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器 (Graphene-based trigger threshold adjustable optical logic device ) 是由 李永逵 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器,属于全光通讯技术领域。本光逻辑器包括若干第一电介质层A、若干第二电介质层B和四个石墨烯单层G,表示为ABABBBABABB-(1)GB-(2)BB-(3)GB-(4)BB-(4)GB-(3)BB-(2)GB-(1)BABABBBABA,其中B-(1)GB-(2)、B-(2)GB-(1)、B-(3)GB-(4)和B-(4)GB-(3)均表示石墨烯单层嵌入第二电介质层内形成的三明治结构；所述第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质薄片,所述光逻辑器存在四个光学分形态,光学分形态对应的电场具有局域作用,四个石墨烯单层分别嵌于其中一个分形态对应的局域电场最强位置,使石墨烯单层的三阶非线性效应得到增强,进而实现低阈值光学双稳态；所述第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自光学波长的1/4。本发明具有光学双稳态阈值低等优点。(The invention provides a graphene-based adjustable optical logic device for a trigger threshold, and belongs to the technical field of all-optical communication. The optical logic device comprises a plurality of first dielectric layers A, a plurality of second dielectric layers B and four graphene monolayers G, denoted ABABBBABABB 1 GB 2 BB 3 GB 4 BB 4 GB 3 BB 2 GB 1 BABABBBABA, wherein B 1 GB 2 、B 2 GB 1 、B 3 GB 4 And B 4 GB 3 Both represent a sandwich structure formed by embedding a graphene monolayer into a second dielectric layer; the first dielectric layer and the second dielectric layer are two uniform dielectric sheets with different refractive indexes, the optical logic device has four optical fractal states, an electric field corresponding to each optical fractal state has a local effect, and the four graphene single layers are respectively embedded in the strongest position of the local electric field corresponding to one fractal state, so that the three-order nonlinear effect of the graphene single layers is enhanced, and further the low-threshold optical bistable state is realized; the first dielectric layer andthe thickness of the second dielectric layer is 1/4 of the respective optical wavelength. The invention has the advantages of low optical bistable threshold value and the like.)
技术领域
本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器。
背景技术
在全光通信中，需要在光域内对信号进行储存、中继、定时、判决、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。
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，即一个入射光强值可以诱导两个稳定的共振输出态。当把光学双稳效应应用于光逻辑器时，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的触发阈值。触发阈值越大，触发光逻辑器判决所需的光强就越大。而当器件的功率增大时，其稳定性会变差，这对散热提出较高的要求。另外，当光学双稳态的上、下阈值间隔较小时，光逻辑器中逻辑1和逻辑0的区分度变弱，误判率增加。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。
要实现低阈值的光学双稳态，一方面是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，强的局域电场可以提高材料的三阶非线性效应。
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优选材料。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，利用缺陷对电场局域性来提高石墨烯的非线性效应。另外，石墨烯的三阶非线性系数是石墨烯化学势的函数，因此，可以通过石墨烯的化学势来灵活调控基于石墨烯的双稳态阈值。当将光学双稳态用于于光逻辑器时，光逻辑器的触发阈值也可以通过石墨烯的化学势来调控。
将两种折射率不同的电介质在空间上交替排列，从而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，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作用，常被用来增强材料的三阶非线性。在准光子晶体或非周期光子晶体中，存在天然的缺陷，且缺陷模的数量随序列序号的增加呈几何级数递增，这就是光学分形效应。光学分形态是缺陷模的一种，对电场具有较强的局域作用，因此可利用准光子晶体或非周期光子晶体中的光学分形效应来增强电场局域性。
Thue-Morse(T-M)序列在数学上是一种准周期序列，对应的T-M光子晶体是一种准周期光子晶体。将石墨烯和T-M光子晶体复合，可以得到强的局域电场，以及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)。
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。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)。能否得到其它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，以及实现光学双稳态的阈值灵活可调，得到低触发阈值可调的光逻辑器，成为本领域的研究重点。
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，提供一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器，本发明所要解决的技术问题是如何降低光学双稳态的阈值，以及实现阈值灵活可调，使其可应用于光逻辑器。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于石墨烯的触发阈值可调光逻辑器，其特征在于，本光逻辑器包括若干第一电介质层A、若干第二电介质层B和四个石墨烯单层G，所述全光数字编码器的多层结构表示为ABABBBABABB1GB2BB3GB4BB4GB3BB2GB1BABABBBABA，其中B1GB2、B2GB1、B3GB4和B4GB3均表示石墨烯单层嵌入第二电介质层内形成的三明治结构；所述第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质薄片，所述光逻辑器存在四个光学分形态，光学分形态对应的电场具有局域作用，四个石墨烯单层分别嵌于其中一个分形态对应的局域电场最强位置，使石墨烯单层的三阶非线性效应得到增强，进而实现低阈值光学双稳态；所述第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自光学波长的1/4。
本复合结构包括四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性，4个石墨烯单层被嵌入到其中一个分形态对应的局域电场最强的位置，此复合结构整体上可表示成：ABABBBABABB1GB2BB3GB4BB4GB3BB2GB1BABABBBABA，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的厚度均为各自光学波长的1/4；此结构中光学双稳态的阈值可低至MW/cm2，这比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。
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，将此结构中的光学双稳态应用于光逻辑器时，光逻辑器的逻辑触发阈值，以及逻辑1、逻辑0的触发阈值之间的间隔，都可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。
进一步的，所述第一电介质层的基质材料为碲化铅，所述第二电介质层的基质材料为冰晶石。
进一步的，通过入射波长调控光逻辑器的逻辑1触发阈值、逻辑0触发阈值，以及阈值间隔。
进一步的，通过石墨烯单层的化学势调控光逻辑器的逻辑1触发阈值、逻辑0触发阈值，以及阈值间隔。
附图说明
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。
图2是序号N＝3的Cantor光子晶体中光的线性透射谱。
图3是波长λ＝1.7209μm对应的光学分形态的归一化电场分布。
图4出射光强随入射光强的变化关系。
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7基于光学双稳态的二值光逻辑器原理图。
图中，A、第一电介质层；B、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。
在数学上，康托尔(Cantor)序列的迭代规则为：S0＝A，S1＝ABA，S2＝ABA(BBB)ABA,S3＝S2(BBB)2S2，……，SN＝SN-1(BBB)N-1SN-1，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)是序列的序号，SN表示序列的第N项；(BBB)N-1表示3N-1个B。对应的Cantor光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片。如图1给出了序列序号N＝3的Cantor光子晶体与石墨烯的复合结构。符号I1表示入射光线，符号I2表示出射光线。电介质薄片和单层石墨烯沿Z轴依次排布，结构的中心位置为0点。此结构也可以表示成ABABBBABABB1GB2BB3GB4BB4GB3BB2GB1BABABBBABA，其中，字母G表示单层石墨烯，B1GB2和B2GB1表示石墨烯单层嵌入第电介质层B内形成的三明治结构；A的基质材料为碲化铅，折射率为na＝4.1；B、B1、B2、B3和B4的基质材料都为冰晶石，折射率为nb＝1.35。入射光为横磁波，从左边垂直入射。电介质薄片A和B厚度均为1/4光学波长，即A的厚度为da＝λ0/4/na＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，B的厚度为db＝λ0/4/nb＝0.287μm，B1的厚度为db1＝0.0482μm，B2的厚度为db2＝0.2388μm，满足条件db1+db2＝db,，B3的厚度为db3＝0.1116μm，B4的厚度为db4＝0.1754μm，满足条件db3+db4＝db。
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A、B、B1、B2、B3和B4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Cantor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│(na-nb)/(na+nb)|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8个透射率的共振峰，对应着8个共振光学分形态，都对电场具有局域作用。这8个透射率峰值都为1。这里只选取第在4个共振态(用星号标注)附近实现光学双稳态。该峰对应的共振波长为λ＝1.7209μm，下一步计算其对应的电场分布，再将石墨烯镶嵌在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，要实现低阈值的光学双稳态，入射波长必须相对于第4个共振态波长λ＝1.7209μm适当地红失谐。
电介质和石墨烯按照规则沿水平方向从左到右依次排列。图3给出的是第4个共振光学分形态在复合结构中的电场分布。虚线表示相邻两层电介质的分界面，4片石墨烯单层G分别被镶嵌在结构中电场强度最强的位置。纵坐标表示Z分量的归一化的电场强度。可见电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性。4个石墨烯单层正好分别位于局域电场4处最强位置。石墨烯的三阶非线性光学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。
设置化学势为μ＝0.45eV(eV表示电子伏)，其它参数保持不变，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＝1.724μm，相对于第4个共振波长λ＝1.7209μm存在一定的红失谐。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。当光强增加到一定值时，在输入-输出光强的关系曲线中，会出现一段S形曲线，代表输入-输出之间的双稳关系。在Octonacci光子晶体于石墨烯的复合系统中，光学双稳态阈值为100MW/cm2量级，在T-M光子晶体与石墨烯复合中，光学双稳态为GW/cm2量级；而在本所述结构中，光学双稳态的阈值被地降低至MW/cm2量级。可见，在N＝3的Cantor光子晶体和石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值被极大地降低。
当输入光强从一个相对较小值逐渐增加时，在S曲线段的右拐点处，对应的输入光强Ii＝Iu，输出光强发生向上的跳变，故把Iu叫作光学双稳态的上阈值；当输入光强从一个相对较大值逐渐降低时，在S曲线段的左拐点处，对应的输入光强Ii＝Id，输出光强发生一个向下的跳变，故把Id叫作光学双稳态的下阈值。上、下阈值作差Iu-Id叫阈值间隔。
当输入光强位于上、下阈值之间，即Iu<Ii<Id时，一个输入光强值对应着两个输出光强值，这就是所谓的光学双稳态效应。在输入-输出光强关系的轮廓线中，光学双稳态效应呈现为一段S形曲线，该效应可被用于二值光逻辑器。
当然，不同的入射波长，或石墨烯的化学势不同，对应的双稳态曲线和阈值是不同的。
固定入射波长λ＝1.724μm，其它参数保持不变，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＝0.425eV、0.45eV和0.475eV时，输入-输出光强关系都是双曲的；增大μ值，双稳的上、下阈值，以及双稳态的阈值间隔增大，如图5(b)所示。横坐标μ表示石墨烯的化学势，纵坐标Thresh.表示双稳态的阈值。Upper Threshold和Lower Threshold分别表示双稳态的上、下阈值。双稳的上、下阈值和阈值间隔都随石墨烯的化学势增大而增大，因此可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
固定石墨烯化学势μ＝0.475eV时，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：在给定3个波长值λ＝1.724μm、1.725μm和1.726μm时，输入-输出光强都是双稳关系；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，即失谐量增大，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间隔也增大，如图6(b)所示。可以看到，在整个给定的波长区间1.724μm≤λ≤1.726μm，都会出现双稳态；双稳态的上、下阈值和阈值间隔随波长的增大而增大。因为波长的失谐量越大，要实现共振，弥合失谐量所需的入射光能量就越强。因此，可以通过入射波长来调控双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
总之，序列序号N＝3的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构中存在多个共振的光学分形态。光学分形态对电场具有强的局域作用，而4片石墨烯单层正好分别位于其中一个分形态对应的4个电场最强位置，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；光学双稳态的阈值低至MW/cm2量级，比T-M光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小6个量级，比Octonacci光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态小2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地调控。该效应可应用于二值光逻辑器，光逻辑器的触发阈值可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控。
入射光波长设置为λ＝1.724μm，化学势为μ＝0.45eV，输入-输出光强关系中出现光学双稳态现象，将其应用于二值光逻辑器，其原理如图7所示。当将该双稳态效应可应用于光逻辑器时。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在右拐点处，输出光强会发生一个向上的跳变，故把输入光强Ii＝Iu被叫作上阈值，此过程对应着光逻辑器的逻辑1，把Ii＝Iu叫作光逻辑器的逻辑1触发阈值；当输入光强由一个较高值逐渐降低时，在下左拐点处，输出光强会发生一个向下的跳变，输入光强Ii＝Id被叫作下阈值，此过程对应着光逻辑器的逻辑0触发阈值，故把Ii＝Id叫作光逻辑器的逻辑0触发阈值。上阈值Iu＝2.1162MW/cm2，下阈值Id＝0.3424MW/cm2，阈值间隔Iu-Id＝1.7738MW/cm2。
图5(b)显示光学双稳态的输入-输出曲线受石墨烯化学势的影响，化学势不同，对应的S曲线段的两个拐点位置也发生变化。S曲线段的两个拐点分别对应着光学双稳态的上、下阈值，即光逻辑器的逻辑1和逻辑0的触发阈值。保持入射波长λ＝1.724不变，化学势增大到μ＝0.475eV，此时上阈值Iu＝13.6316MW/cm2，下阈值Id＝0.0367MW/cm2，，阈值间隔Iu-Id＝13.6028MW/cm2。可见，当化学势增大时，光逻辑器的逻辑1和逻辑0的触发阈值，以及阈值间隔增大。
图6(b)给出的是光学双稳态的输入-输出曲线受入射波长的影响，当化学势为μ＝0.45eV，降低入射波长降低至λ＝1.723时，对应的上阈值Iu＝1.5487MW/cm2，下阈值Id＝0.0187MW/cm2,，阈值间隔Iu-Id＝1.53MW/cm2。可见，当入射波长减小时，波长失谐量的减小，光逻辑器的逻辑1和逻辑0的触发阈值，以及阈值间隔降低。
触发阈值间隔越大，则逻辑1和逻辑0的逻辑判断操作区分度就越大，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，同时，触发阈值则增大，因此，降低光逻辑器的误判率是以提高触发阈值为代价的。
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。