一种基于双周期石墨烯阵列的复合结构

本实用新型属于全光通信技术领域，涉及一种基于双周期石墨烯阵列的复合结构。

背景技术：

全光开关是全光通信系统中的重要元件，可广泛应用于光逻辑器件和光存储器件。目前，对基于光学双稳态的全光开关的研究主要集中在如何利用新材料和新结构降低双稳态的上、下阈值和增大阈值间隔。当把双稳态用于全光开关时，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。

光学双稳态是一种基于材料折射率随局域光强变化的三阶非线性效应，一个输入光强可以对应着两个不同的共振态。

当光场足够强时，材料折射率正比于材料的三阶非线性系数和局域光场强度。因此，为增强材料的三阶非线性效应，一方面，可寻找具有较大三阶非线性系数的非线性材料，另一方面，可以构建新的结构来增强局域光场强度。

石墨烯具有可观的三阶非线性系数，而且其表面电导率可以通过化学势来灵活调节。可以利用石墨烯激发的表面等离子激元和缺陷光子晶体来增强石墨烯的非线性效应。另外，由单层石墨烯构成的周期性阵列，可被视为一维光子晶体。相邻两片石墨烯之间构成一个谐振腔，则整个阵列就构成了多谐振腔。

光在石墨烯阵列中传输，会形成驻波条件。满足驻波条件的光波就会形成共振。共振态的模场分布具有很强的局域性，因此该共振态可以被用来增强石墨烯的三阶非线性效应。

如何将石墨烯排列成双周期阵列，则两个不同的周期阵列会形成不同的驻波条件。当两个周期成倍数关系时，则共振性会得到增强。相对于单周期来说，双周期石墨烯阵列的共振性更强，电场局域性也更强，从而石墨烯的非线性效应也进一步得到提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于双周期石墨烯阵列的复合结构，本实用新型所要解决的技术问题是如何增强石墨烯多层结构的共振态的共振性，从而进一步提高石墨烯是三阶非线性效应，实现低阈值的光学双稳态。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于双周期石墨烯阵列的复合结构，其特征在于，包括若干个周期复合单元，每个所述复合单元包括第一电介质层、第二电介质层和单层石墨烯，所述每个复合单元的排列方式为：由复合结构的入射方向一侧至另一侧依次设置单层石墨烯、第一电介质层、单层石墨烯、第二电介质层；所述第一电介质层的厚度小于第二电介质层；所述复合结构的出射方向一侧设置有单层石墨烯。

进一步的，所述第一电介质层和第二电介质层均为二氧化硅材质的透光材料制成。

进一步的，所述第二电介质层的厚度为第一电介质层的厚度的四倍。

将单层石墨烯嵌入到不同厚度的第一电介质层和第二电介质层之间，形成石墨烯的双周期阵列。相对于单周期阵列，石墨烯的双周期阵列中共振态的共振性更强，对光场具有更强局域性，以此来进一步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。

光学双稳态的上、下阈值与石墨烯的化学势、输入波的波长有关，石墨烯的化学势可以通过加在石墨烯上的外界门电压来调控，因此，基于双周期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和入射波的波长来灵活调节。

附图说明

图1是本复合结构的层状结构图。

图2(a)是单周期石墨烯阵列中的透射谱和反射谱；图2(b)是双周期石墨烯阵列中的透射谱和反射谱；图2(c)是双周期石墨烯阵列中透射率随输入光强的变化关系；图2(d)是双周期石墨烯阵列中输入-输入光强关系。

图3是不同的石墨烯化学势对应的光学双稳态曲线。

图4是不同入射波长对应的输入-输出光强关系。

图中，g、单层石墨烯；a、第一电介质层；b、第二电介质层。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

将单层石墨烯g嵌入到电介质材料中，形成双周期的阵列复合结构，如图1所示。符号d1和d2分别表示第一电介质层和第二电介质层的厚度，即石墨烯阵列的两个空间周期，第一电介质层a和第二电介质层b为同种材料，这里以二氧化硅为例。第一电介质层a的厚度为d1，第二电介质层b的厚度为d2。数字1表示入射光，数字2表示透射光。该结构也可以写成(gagb)ⁿg，其中n表示空间周期数。这里取石墨烯的空间周期数n＝40，二氧化硅的折射率为na＝1.449。石墨烯的表面电导率与温度、化学势和输入光波长有关，取室温为t＝23℃。

图2(a)给出的是单周期石墨烯阵列中透射谱和反射谱。纵坐标t表示透射率，r表示反射率。这里取d1＝d2＝200nm(nm表示纳米)，则阵列为单周期。设输入波为横电波，垂直入射。光强比较弱时，忽略掉非线性效应。石墨烯的化学势为μ＝0.50ev。横坐标λ表示输入波长，单位μm表示微米。可以看到，随着输入波长的增加，透射谱上有很多的共振峰，对应的是共振态。共振态的模场分布会集中在电介质的分界面上，因此光场具有很强的局域性，即局部光场会变得很强。石墨烯正好位于电介质的分界面上，故可以利用该结构的共振态来增强石墨烯的非线性效应。可以看到，反射率是比较低的，最大反射率约为0.1左右，而大部分光强被透射出去了。

图2(b)给出的是双周期石墨烯阵列的透射谱和反射谱。这里取d1＝200nm，d2＝800nm。石墨烯的化学势为μ＝0.50ev。透射谱上也存在很多的共振态，相对于单周期的石墨烯阵列，双周期石墨烯阵列中的相邻共振态之间的间隔变小了。共振峰变得更窄、更陡，说明共振性增强，则电场局域性就随之增强。因此，用双周期石墨烯阵列比单周期石墨烯阵列更能增强石墨烯的非线性效应，从而进一步降低光学双稳态的阈值。而且在星号符号☆位置处的反射率得到增强，可以利用该结构来提高光波的反射率。最大反射率可以达到0.3左右。

当输入光足够强时，需考虑光强对石墨烯电导率的影响，因此，光强的变化必然会引起透射率的变化。在双周期石墨烯阵列中，图2(c)给出的是透射率随输入光强的变化关系。石墨烯的化学势为μ＝0.40ev。输入波长为固定值λ＝2.2μm。横坐标ii表示输入光强，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，代表该处可以出现光学双稳态现象。

图2(d)给出的是双周期石墨烯阵列中输出-输入光强关系。符号io表示输入光强。当输入光强增加到一定值时，输入-输出光强关系呈现双曲关系，这就是光学双稳态。从插图中可以看到，当输入光强增加时，输入-输出曲线沿轨迹i变化，在ii＝iu处，输出光强发生一个向上的跳变，把iu叫光学双稳态的上阈值；当输入光强降低时，输入-输出曲线沿轨迹ii变化，在ii＝id，输出光强发生一个向下的跳变，把id叫光学双稳态的下阈值。上、下阈值作差iu-id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ii＝iu时，光开关开通，当ii＝id时，光开关关断。当输入光强位于上、下阈值之间时，即id＜ii＜iu，对应着两个输出光强，这就是所谓的光学双稳态。

图3给出的是不同石墨烯化学势对应的光学双稳态曲线。入射光波的波长为λ＝2.2μm。可以看到，随着石墨烯化学势的增加，光学双稳态的上、下阈值会增加，而且上、下阈值间隔也将增大。石墨烯的化学势可以通过加在石墨烯上的外界门电压来调节，因此可以通过门电压来灵活调控光学双稳态的上、下阈值和阈值间隔。当把光学双稳态应用于全光开关时，光学双稳态的上、下阈值就对应着全光开关的开、关阈值，则全光开关的开、关阈值和阈值间隔可以通过外界门电压来调控。

石墨烯的化学势为μ＝0.40ev，图4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，不同的入射波长对应着不同的双稳态曲线，且双稳态的上、下阈值也不同。当入射波长增加时，光学双稳态的上、下阈值增加。因此，还可以通过入射波的波长来调控光学双稳态的阈值，甚至可以调控光学双稳态的形成。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型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，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。