阅读说明：本技术 一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关 (All-optical switch based on optical bistable state in graphene array ) 是由 赵东 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关,属于全光通讯技术领域。包括相间分布的单层石墨烯和电介质薄片层,形成结构式为(gA)~Ng的周期阵列结构,单层石墨烯嵌入相邻电介质薄片层之间,周期阵列结构的两外侧均为单层石墨烯；结构式中的A为电介质薄片层,g为单层石墨烯,N为电介质薄片层的数量；单层石墨烯在不同的化学势下对应的全光开关的开、关阈值和阈值间隔均不同,通过在单层石墨烯上外加电压以改变单层石墨烯的化学势,从而调节光开关的开、关阈值和阈值间隔。本发明具有能够实现低阈值的光学双稳态等优点。(The invention provides an optical bistable all-optical switch based on a graphene array, and belongs to the technical field of all-optical communication. Comprises single-layer graphene and dielectric thin sheet layer which are distributed alternately to form a structure formula (gA) N g, a periodic array structure, wherein single-layer graphene is embedded between adjacent dielectric thin sheet layers, and the two outer sides of the periodic array structure are both the single-layer graphene; a in the structural formula is a dielectric flake layer, g is single-layer graphene, and N is the number of the dielectric flake layers; the on-off threshold and the threshold interval of the corresponding all-optical switch of the single-layer graphene are different under different chemical potentials, and the chemical potential of the single-layer graphene is changed by externally applying voltage on the single-layer graphene, so that the on-off threshold and the threshold interval of the optical switch are adjusted. The invention has the advantages of realizing low-threshold optical bistable state and the like.)

一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关

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阵列中光学双稳态的全光开关。

背景技术

在传统的光通信中，信息处理存在光-电-光的转换过程，这大大降低了数据的传输和处理速度。如果能在全光域内对数据进行中继和存储，则可极大地提高光纤通信系统中的信息传输、分析和存取速度和效率。

全光开关是一种基于光控光的开关元件，它可以直接在光阈内对信息进行处理。全光开关被广泛用作光开关、光存储和光逻辑器件。全光开关一般是利用材料的非线性效应来实现，这需要强的光场。光强越强，会引起器件发热量增加，导致器件不能稳定的工作，因此至今还没有达到实用化的地步。

在全光开关中，开通和关断所需的最低光功率叫开关阈值。为降低开关阈值，可将一环形石英腔与马赫-曾德干涉仪的一臂耦合，使环形石英腔在低功率下达到π的相移，但这种开关对环腔的精细度要求较高，开关的功率与精细度的平方成反比，开关时间与精细度成正比，所以它们互为矛盾，不得不考虑其它光学结构和光学效应来实现全光开关。

光学双稳态是基于材料折射率随输入光强变化的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。目前的研究主要集中如何通过新材料和新结构来实现低阈值光学双稳态，以及增大上、下阈值间隔。

材料的三阶非线性光学效应与其三阶非线性系数、局域光场强度的平方成正比。为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非线性材料所在位置的局域光场。

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来灵活调节。重要的是，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。

石墨烯可以激发表面等离子体，而表面等离子体可以形成很强的局域光场。另外，在缺陷光子晶体中，缺陷模的透射率接近1，因此也被称为透射模。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，如石墨烯，则可极大的增强材料的非线性效应。

另外，还可以将单层石墨烯进行周期性排列，形成石墨烯阵列。该阵列可视为一维光子晶体，相邻两片石墨烯之间构成一个谐振腔，则整个阵列就构成多个谐振腔。光在石墨烯阵列中传输，就会形成谐振态，而谐振态的模场分布具有很强的局域性，因此可以用来增强石墨烯的三阶非线性效应。

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阵列中光学双稳态的全光开关，本发明所要解决的技术问题是如何提高石墨烯的三阶非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态，以便将该光学双稳态应用于全光开关、光逻辑器件和光存储器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关，其特征在于，包括相间分布的单层石墨烯和电介质薄片层，形成结构式为(gA)^Ng的周期阵列结构，所述单层石墨烯嵌入相邻电介质薄片层之间，所述周期阵列结构的两外侧均为单层石墨烯；结构式中的A为电介质薄片层，g为单层石墨烯，N为电介质薄片层的数量；单层石墨烯在不同的化学势下对应的全光开关的开、关阈值和阈值间隔均不同，通过在单层石墨烯上外加电压以改变单层石墨烯的化学势，从而调节光开关的开、关阈值和阈值间隔。

进一步的，所述电介质薄片层为二氧化硅。

将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料中，形成周期性排列结构，从而构成石墨烯阵列。石墨烯阵列对共振态的光场具有局域增强作用，以此来来提高石墨烯的三阶非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态，再将光学双稳态应用于全光开关、光逻辑器件和光存储器。

双稳态的阈值与石墨烯的化学势有关，石墨烯的化学势可以通过外界电压来调控，因此，基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关的开、关阈值和阈值间隔可以通过石墨烯的化学势来灵活调节。

附图说明

图1是石墨烯阵列的周期性结构。

图2是实施例中光波的线性透射谱。

图3是非线性透射率随输入光强的变化关系。

图4是输出光强随输入光强的变化关系。

图5是不同化学势对应的输出-输入关系图。

图中，A、电介质薄片层；g、单层石墨烯。

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。

将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料，形成周期阵列结构，如图1所示。其中，A是二氧化硅材质的电介质薄片层，g石墨烯单层，d是相邻石墨烯单层之间的空间周期，即相邻石墨烯单层之间的间隔，I_i是入射光线，I_o是出射光线。该结构也可以写成(gA)^Ng，其中N表示石墨烯单层的空间周期数，即周期性阵列结构中电介质薄片层的数量。这里取石墨烯单层的空间周期数N＝40，相邻石墨烯单层之间的空间周期为d＝100nm，二氧化硅的折射率为n_a＝1.449。石墨烯的表面电导率和温度、化学势和输入光波长有关，取室温为T＝23℃，石墨烯的化学势为μ_c＝0.50eV。

当一横电波入射到此周期结构上时，不考虑石墨烯的非线性效应，得到光波的透射谱如图2所示。可以看到，透射谱随波长的变化，在λ＝1.25μm(μm表示微米)的地方有一个跳变。这是因为随着波长增加，石墨烯中的电子由带内跃迁转变为带间跃迁，自由电子数密度增加，石墨烯对入射光的损耗减小，所以透射率增加。另外，在透射率曲线上，还有很多共振峰，每个共振峰对应着一个共振态，共振态对光场具有局域作用，即使得光场局部增强。这些局部光场增强的位置正好在媒质的分界面处，而石墨烯也刚好被镶嵌在相邻两片二氧化硅电介质薄片的衔接面上，因此，当输入光强较强时，石墨烯的三阶非线性效应可以得到极大地增强。

当输入光较强时，石墨烯的非线性效应不能忽略。给定输入波长λ＝1.308μm,改变入射光光强，图3给出的是石墨烯阵列结构上非线性透射率随输入光强的变化关系。横坐标单位TW/cm²表示太瓦每平方厘米。可以看到，随着光强的增加，透射率曲线的斜率出现负值，这不是真实的物理上存在的，此时一定会出现光学双稳态现象。

图4给出的是输出光强随输入光强的变化关系。当光强增加到一定值时，输入-输出关系呈现双曲关系。当输入光强增加时，输入-输出曲线沿路径I的轨迹变化，在I_i＝I_u，输出光强发生一个向上的跳变，把I_u叫光学双稳态的上阈值；当输入光强降低时，输入-输出曲线沿路径II的轨迹变化，在I_i＝I_d，输出光强发生一个向下的跳变，把I_d叫光学双稳态的下阈值。上、下阈值作差I_u-I_d叫阈值间隔。当把该结构中的光学双稳态用作全光开关时，双稳态的上、下阈值就对应着全关开关的开、关阈值，即当光强为I_i＝I_u时，光开关开通，当I_i＝I_d时，光开关关断。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。当然，入射波长不一样，对应的非线性透射率曲线不一样，双稳态曲线也就不一样。

图5给出的是不同的石墨烯化学势对应的输入-输出关系，可以看到，不同的化学势，对应着不同的双稳态曲线，且双稳态的上、下阈值也不同。当化学势为μ_c＝0.50eV时，双稳态的上阈值为I_u1，下阈值为I_d1；当化学势为μ_c＝0.40eV时，双稳态的上阈值为I_u2，下阈值为I_d2。输入光强从小到大变化，当增大到一定程度时，则输入-输出关系分别沿着路径I、III变化；输入光强从大到小变化，当减小到一定程度时，则输入-输出关系分别沿着路径II、IV变化。可见，不同的化学势，对应的全光开关的开、关阈值和阈值间隔不同，因此，只需要在石墨烯上外加电压，就可以改变石墨烯的化学势，从而灵活调节光开关的开、关阈值和阈值间隔。

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。