一种基于石墨烯光学双稳态的全光开关及光存储器的制作方法

本发明属于全光通信技术领域，涉及一种应用于全光通信系统中的全光开关及光存储器，具体涉及一种基于石墨烯光学双稳态的全光开关及光存储器。

背景技术：

随着全光网络和信息检测技术的发展，迫切地需要发展全光开关、光存储器等。应用非线性材料的光学双稳态效应，可以实现全光开关和光存储器。

以前一般是通过材料的表面等离子激元或法布里-珀罗腔结构来增强电场局域性，实现低阈值光学双稳态，而且应尽量减少材料的损耗。

表面等离子激元要横磁波，在金属材料的中产生，而且增强的电磁场只沿着材料的表面走向。而且只能在特殊的超材料和kretschmann结构中才能激发表面等离子激元。

如果以布拉格光栅来形成法布里-珀罗腔，光栅的周期数越大，缺陷模的单色性越好，电场局域性越强，但是由于材料中存在损耗，使得透射光强随之降低。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯光学双稳态的全光开关及光存储器。

本发明所采用的技术方案是：一种基于石墨烯光学双稳态的全光开关及光存储器，其特征在于，制作方法为：

首先利用材料的损耗和增益共同作用，精细地调制掺杂电介质材料折射率实部和虚部，使其折射率满足宇称-时间对称性，形成宇称-时间对称结构的谐振腔；然后把石墨烯嵌入此对称结构的中心，利用石墨烯的三阶非线性效应，实现低阈值的光学双稳态，双稳态的阈值低至gw/cm²量级；最后利用石墨烯的双稳态效应制作全光通信系统中的全光开关及光存储器。

光学双稳态可应用于全光通信中的全光开关和光存储器中，那么光学双稳态的阈值就是全光开关的阈值。通过增大宇称-时间对称结构中电介质材料的增益/损耗，进一步降低全光开关的阈值，以及增大上、下阈值间隔。

另外，石墨烯上配置有电极，全光开关的阈值和上、下阈值间隔可以通过调整石墨烯的化学势，即电极上的电压，来灵活地控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：在石墨烯这种新的二维材料中实现了基于光学双稳态的全光开关和光存储器，并且利用pt对称结构对电场的局域性来降低开关阈值和增大上、下阈值间隔，增益-损耗系数为0.1时，比普通谐振腔的开关阈值降低1个量级，另外，全光开关阈值可以通过石墨烯化学势灵活调节。普通认为材料的损耗都是有害的，本发明充分利用材料的损耗，增强电场局域性和石墨烯的三阶非线性效应，从而实现石墨烯的低阈值光学双稳态。

附图说明

图1为本发明实施例的含有石墨烯的宇称-时间对称电介质多层示意图；

图2为本发明实施例的双稳态的开关阈值随化学势的变化关系图；

图3为本发明实施例的电介质材料制作步骤示意图；

图4为本发明实施例的光强输入-输出关系图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

材料的折射率虚部代表材料的损耗或者增益，损耗表面上会引起能量衰减，是一个不利因素，在器件设计中应尽力减小。本发明精细地调制mgf2和zns为基质的掺杂电介质材料的折射率实部和虚部，使其折射率满足宇称-时间对称性(pt对称)，即n(z)＝n*(-z)。满足宇称-时间对称的电介质多层能增强缺陷模电场的局域性。把石墨烯嵌入到缺陷层的中间，利用电场局域性增大石墨烯的三阶非线性，从而实现低阈值的光学双稳态，再利用石墨烯的双稳态效应制作全光通信系统中的全光开关及光存储器。

请见图1，是由电介质多层构成的pt对称结构示意图。电介质a、b、a′、和b′交替排列，形成两个布拉格光栅，分别位于缺陷层c的两边。电介质a和a′以mgf2为基质材料，在a中掺杂铒活性增益介质，在a′中存在铜损耗介质。电介质b和b′以zns为基质材料，在b′中掺杂铒活性增益介质，在b中存在铜损耗介质。在石墨烯g上加一个电极，控制石墨烯的化学势(石墨烯的化学势实际上就是在石墨烯的电极上加电压，改变电极上的电压，开关阈值随化学势的变化关系如图2所示，此时的增益-损耗因子q＝0.02)。

电介质a、b、a′、b′和c的折射率分别为na＝1.38+iq，nb＝2.35–iq，na′＝1.38–iq，nb′＝2.35+iq和nc＝1.5，q叫增益-损耗因子。

a，b，a′，b′和c的厚度分别为：0.28，0.16，0.28，0.16，0.16μm。整个结构是(ab)ⁿcgc(b′a′)ⁿ，其中布拉格周期数n＝4。

请见图3(a)-图3(i)，为本发明实施例的电介质材料制作步骤为：

步骤1：以mgf2为基质材料，在其中掺杂铒离子，形成活性电介质a；如图3(a)所示；

步骤2：以zns为基质材料，在其中掺杂铜离子，形成损耗电介质b；具如图3(b)所示；

步骤3：重复2-1和2-2步骤，形成四个ab电介质交替排列的周期单元；如图3(c)所示；

步骤4：以酚醛树脂为基质材料形成c；如图3(d)所示；

步骤5：在酚醛树脂左侧附着一层单层石墨烯g；如图3(e)所示；

步骤6：在石墨烯右边再生长一层酚醛树脂c；如图3(f)所示；

步骤7：以zns为基质材料，在其中掺铒杂离子，形成活性电介质b′；如图3(g)所示；

步骤8：以mgf2为基质材料，在其中掺杂铜离子，形成损耗电介质a′；如图3(h)所示；

步骤9：重复7和8步骤，形成四个b′a′电介质交替排列的周期单元；如图3(i)所示。

对于图4，光从左边入射进，当光强较弱时，光强的输入-输出关系满足曲线1，增加入射光强，输出光强也增加。当输入光强增加到iu时，输出光强会发生向上跳变，b→c，输入-输出光强关系满足曲线2。

当光强较强时，光强的输入-输出关系满足曲线2，减弱入射光强，输出光强也减弱。当输入光强减弱到il时，输出光强会发生向下跳变，d→a，输入-输出光强关系满足曲线1。

把iu叫光学双稳态的上阈值，il叫光学双稳态的下阈值，两个参数之差叫阈值间隔。利用光学双稳态效应来实现光开关，希望双稳态的上、下阈值越小越好，那么入射光源的光强要求就低，同时，希望上、下阈值间隔越大越好，这样光开关的开、关间隔就越大，开关区分度越好。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术.本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯光学双稳态的全光开关及光存储器，首先利用材料的损耗和增益共同作用，精细地调制MgF2和ZnS为基质的掺杂电介质材料的折射率实部和虚部，使其折射率满足宇称‑时间对称性，形成宇称‑时间对称结构的谐振腔；然后把石墨烯嵌入此结构的中心，利用石墨烯的三阶非线性效应，实现低阈值的光学双稳态，双稳态的阈值低至GW/cm2量级；最后利用石墨烯的双稳态效应用制作全光通信系统中的全光开关及光存储器；本发明为现有的全光开关的光存储器提供了一种新的选择，且开关阈值可通过石墨烯的化学势灵活调节。

技术研发人员：赵东
受保护的技术使用者：湖北科技学院
技术研发日：2018.12.06
技术公布日：2019.02.01