一种Octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构

一种octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构
技术领域
1.本发明涉及光逻辑器领域，具体而言，涉及一种octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构。


背景技术：

2.在全光通信中，需要在全光域内对信息进行处理。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。
3.光学双稳态是基于材料光克尔效应一种三阶非线性光学效应。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，即一个入射光强可以引发两个稳定的共振输出态。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。阈值越大，触发光逻辑门所需的光强就越大。器件功率越大，则对器件控制的稳定性和散热处理的要求就越高。另外，阈值间隔越小，逻辑1和0的区分度就越小，则误判率就越大。因此，对光学双稳态器件的研究主要集中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、下阈值间隔。
4.要实现低阈值的光学双稳态，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，因为光克尔效应正比于局域电场，故可以通过优化系统结构来增强局域电场，从而增强材料的三阶非线性效应。
5.石墨烯作为一种新兴的超薄二维材料，具有优良的导电性，且其表面电导率可以通过石墨烯的化学势来灵活调节。重要的是，石墨烯具有可观的三阶光学非线性系数。可以利用石墨烯的表面等离子体来增强石墨烯的局域电场；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，则可极大的增强材料的非线性效应，故也可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。
6.将两种折射率不同的电介质在空间上交替排列，形成周期性结构，便可构成光子晶体。在光子晶体的波矢空间，光波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回来。将光子晶体截断，形成有限长的光子多层，光子多层中也存在光子带隙结构。如果在光子晶体中引入缺陷层，透射谱中会出现透射模。透射模对电场具有较强的局域性，常被用于增强材料的三阶非线性。而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现几何级数地增加，故准光子晶体或非周期光子晶体是可被应用电场局域性的天然结构。
7.可将石墨烯和准光子晶体复合，如将石墨烯嵌入到thue
‑
morse序列光子多层中，可以实现低阈值的光学双稳态。thue
‑
morse序列在数学上是一种准周期序列。将两种折射率不同的电介质薄片按thue
‑
morse序列规则排列，便可形成准周期光子多层。基于thue
‑
morse序列光子多层中具有多个缺陷腔，且同一个缺陷腔中又存在多个缺陷模，即共振透射模，将这些共振模叫thue
‑
morse序列光子多层的光学分形共振态，且随着序列号的增加，多层结构中电介质层数相应地增加，光子多层中透射谱中的透射模呈几何级数分裂。利用这些分形态对电场的局域性实现光学双稳态，光学双稳态的阈值约为gw/cm2(吉瓦每平方厘
米)，但是，能否知道另外的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，成为了本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种octonacci序列光子多层与石墨烯的复合结构，以解决相关技术中的问题。
9.发明人经过研究，为进一步降低光学双稳态的阈值，可考虑将石墨烯与其它准周期光子多层复合，如octonacci序列光子多层。octonacci序列在数学上是一种准周期序列，且octonacci序列光子多层具有光学分形的特性，相比于thue
‑
morse序列光子多层，这些光学分形态对电场的局域性更强。特别地，octonacci序列光子多层的共振透射模彼此之间独立，且间隔距离适当。这可被用于实现多个彼此独立的低阈值光学双稳态。
10.将石墨烯与octonacci序列光子多层复合，石墨烯所在位置正好对应分形态模场分布的最大值点。利用octonacci序列光子多层中光学分形态对电场的局域性，来增强石墨烯的非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态。
11.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，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，所述octonacci序列光子多层为两种折射率不同的电介质薄片，所述石墨烯层位于局域电场最强的位置。
12.进一步地，所述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。
13.进一步地，所述石墨烯层的单层厚度为0.30nm
‑
0.35nm(nm表示纳米)。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将两种折射率不同的电介质薄片和石墨烯依次逐层堆叠，使电介质薄片满足octonacci序列规则，从而得到一种准周期光子多层与石墨烯的复合结构。此结构中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作用，而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，进而可被应用于实现低阈值的光学双稳态。
15.光学双稳态的上、下阈值和阈值间隔是石墨烯化学势和入射波长的函数，因此，基于octonacci序列光子多层与石墨烯复合结构中光学双稳态的光逻辑器，其判决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。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生
的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
18.图1为octonacci序列s5光子多层与石墨烯复合结构示意图；
19.图2为octonacci序列s5光子多层与石墨烯复合结构中光的透射谱图；
20.图3为第一个共振光学分形态的归一化电场分布图；
21.图4为出射光强随入射光强的变化关系图；
22.图5为不同的石墨烯化学势对应的输入
‑
输出光强关系；
23.图6为双稳态的上、下阈值随石墨烯化学势的变化关系图；
24.图7不同的入射波长对应的输入
‑
输出光强关系；
25.图8为双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系图；
26.图9为基于光学双稳态的二值全光逻辑器原理图。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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)。
34.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。
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
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。
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
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。
[0046]
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技术的示例性实施方式。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。
[0047]
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。
[0048]
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。