基于石墨烯阵列中相位多重光学双稳态效应的移相器

1.本实用新型属于移相器技术领域，具体涉及基于石墨烯阵列中相位多重光学双稳态效应的移相器。


背景技术：

2.在光电子技术中，需要对信号进行调制，如调幅、调频和调相等，这就需要对信号的相位进行精确地操控。特别地，在光通信中，经常用到移相器。移相器可以对信号波的相位进行调控。过去的相移键控以及移相器的相位量大多为半波的整数倍，或四分之一波长的整数倍，因此不能灵活地改变相移量的大小。


技术实现要素：

3.为了改善现有的移相器不能灵活地改变相移量的大小的缺陷，本实用新型提供基于石墨烯阵列中相位多重光学双稳态效应的移相器。
4.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
5.基于石墨烯阵列中相位多重光学双稳态效应的移相器，包括结构可表示成a(gb)nga的周期性石墨烯阵列，其中a和b表示两种不同厚度的电介质薄片，且电介质薄片a的厚度大于b的厚度，g表示单层石墨烯，指数n表示gb重复单元的数量，利用石墨烯的光学三阶非线性效应，实现透射系数相位的多重双稳态效应，再通过石墨烯的化学势来调控移相器中触发相移的阈值。
6.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
7.进一步，所述指数n＝39。
8.进一步，所述电介质薄片a和b的材质均为二氧化硅，折射率为na＝nb＝1.4491，厚度分别为da＝4μm、db＝0.1μm；所述石墨烯的厚度为dg＝0.33nm。
9.本实用新型的有益效果是：本实用新型所述移相器可灵活的改变相移量的大小。具体的，通过将单层石墨烯嵌入到电介质中，形成周期性石墨烯阵列a(gb)nga。所述阵列支持多个行波共振，行波共振对电场具有局域作用，强的电场局域性能增强石墨烯的非线性效应，从而实现透射系数相位的多重光学双稳态效应。在双稳态的上、下阈值处，透射系数相位分别发生突然向上、向下的跳变，即相移。而双稳态的上、下阈随石墨烯的化学势增大而增大，继而可通过石墨烯的化学势来调控移相器中触发相移的阈值。
附图说明
10.图1为本实用新型实施例1的移相器中石墨烯阵列结构示意图；
11.图2为本实用新型实施例2中不同石墨烯化学势对应的光波的线性透射谱；
12.图3为本实用新型实施例3中透射系数相位随入射光强的变化关系；
13.图4为本实用新型实施例4中不同石墨烯化学势对应的透射系数相位随输入光强的变化关系。
具体实施方式
14.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
15.为便于本领域技术人员理解，本实用新型描述结构时，以图1为参照图，定义上、下、左、右等方向。该方向定义仅为描述的便利和便于本领域技术人员对本实用新型结构的理解，不涉及对本实用新型保护范围的限定。
16.光波在大块的电介质中传播，会形成多重行波共振，行波共振对电场具有局域性。而石墨烯具有较大的三阶非线性电导系数，于是将石墨烯插入到电介质中，形成周期性石墨烯阵列，利用行波共振来增强石墨烯的非线性效应，进而实现透射系数相位的多重光学双稳态效应。
17.特别地，在透射系数相位的多重光学双稳态效应中，透射系数相位在双稳态的上、下阈值处，分别会发生一个向上、向下的跳变，即可实现相位的正、负突然移动，而透射光波的相位等于入射光波的相位加上透射系数的相位，因此，该效应可被应用于光波传播相位的移相控制器。另外，石墨烯的电导率是石墨烯的化学势的函数，因此，基于石墨烯的多重光学双稳态的相移量以及相移阈值可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控。
18.实施例1
19.图1为本实施例所设计的移相器中石墨烯阵列结构示意图。将40片单层石墨烯镶嵌在电介质中间，形成周期性一维石墨烯阵列。所述结构表示成a(gb)
39
ga，其中a和b表示两种不同厚度的电介质薄片，g表示单层石墨烯。指数39表示有39个gb重复单元。利用石墨烯的光学三阶非线性效应，实现透射系数相位的多重双稳态效应，并将所述多重双稳态效应应用于移相器中，再通过石墨烯的化学势来调控移相器中触发相移的阈值。
20.本实施例中，电介质薄片a和b的材料都选用二氧化硅，折射率为na＝nb＝1.4491。所述a的厚度为da＝4μm(微米)，所述b的厚度为db＝0.1μm；石墨烯的厚度等效为dg＝0.33nm(纳米)。电介质薄片b的厚度db也就是石墨烯阵列的空间周期。所述结构左右的电介质薄片a分别为输入光波导和输出光波导。
21.字母i1表示输入光，i2表示输出光线。光波从左边垂直入射。水平向右为z轴的正方向。光波的极化方向可以是横电波，也可以是横磁波。石墨烯中电子弛豫时间τ＝0.15ps(ps表示皮秒)，室温te＝300k(开尔文)，费米能级vf＝c/300，其中c为真空中光速。
22.实施例2
23.以实施例1得到的石墨烯阵列结构(n＝39)进行试验。图2给出的是不同石墨烯化学势对应的光波的线性透射谱。当输入光强较弱时，不用考虑石墨烯的非线性影响。可以看出，不同的石墨烯化学势μ＝0.3ev、0.4ev和0.5ev(电子伏)，对应着不同的透射谱。横坐标λ表示入射光波波长，纵坐标t表示光波的透射率。每个透射谱中，存在许多共振峰，对应着行波共振。行波共振对电场具有局域性，而石墨烯的三阶非线性效应正比于局域电场强度，故该结构可用于增强石墨烯的非线性效应，从而实现相位的光学双稳态效应。
24.还可以看到，随着波长的增大，存在一个透射率跳变，这是因为石墨烯的电子存在带内跃迁到带间跃迁的转变。波长增大，损耗降低，故透射率增大。化学势增大时，带内跃迁到带间跃迁的转变的跳变点向左移动，即向低输入波长移动。
25.实施例3
26.在实施例2的基础上，以实施例1得到的石墨烯阵列结构(n＝39)继续进行试验。
27.现增大输入光强能量，考虑石墨烯的非线性效应。石墨烯的非线性电导率系数为
[0028][0029]
其中ω＝2π/λ，其它参数的设置保持不变，e是单个电子的电荷量，为简约普朗克常量，i为虚数单位，μ为石墨烯化学势。
[0030]
透射系数t＝eo/ei，其中为ei输入电场强度，eo为透射电场强度，它们都是复数。于是将它们分别写成复指数形式为：是将它们分别写成复指数形式为：由此可得即透射电场的相位可以通过调控透射系数的相位来调控透射电场的相位这里利用石墨烯的三阶非线性效应，通过输入光的强度来控制透射电场的传播相位移动，即相移。
[0031]
图3给出的是透射系数相位随入射光强的变化关系。石墨烯的化学势为μ＝0.3ev，其它参数保持不变。可以看到，透射系数相位与入射光强之间的变化曲线中有2段s形曲线，即双重双稳态关系。纵坐标单位rad表示弧度。输入光波长为λ＝2.0μm。
[0032]
当入射光强由一个较低值慢慢增大时，在ii＝i
iu1
拐点处，透射系数相位发生一个向上的跳变，由跳变到如标记i所示，i
iu1
为第一个双稳态的上阈值；继续增大入射光强，在ii＝i
iu2
拐点处，透射系数相位又发生一个向上的跳变，由跳变到如标记ii所示，i
iu2
为第二个双稳态的上阈值。
[0033]
当入射光强由一个较大值慢慢降低时，在ii＝i
id2
拐点处，透射系数相位发生一个向下的跳变，由跳变到如标记iii所示，i
id2
为第二个双稳态的下阈值；继续降低输入光强，在ii＝i
id1
拐点处，透射系数相位又发生一个向下的跳变，由跳变到如标记iv所示，i
id1
为第一个双稳态的下阈值。
[0034]
当入射光强位于i
iu1
》ii》i
id1
和i
iu2
》ii》i
id2
区间时，一个入射光强值对应着两个透射系数相位，这就是相位的光学双稳态效应。增大入射光强，或降低入射光强时，分别在双稳态的上阈值ii＝i
iu1
和ii＝i
iu2
处，透射系数一个突然的正的相位移动，以及在双稳态的下阈值ii＝i
id1
和ii＝i
id2
处，透射系数一个突然的负的相位移动，都会导致，因此，可以通过控制入射光强，控制透射系数的相位移动，从而控制透射光电场的相位移动，该效应可被应用于光控光的移相器。
[0035]
实施例4
[0036]
在实施例3的基础上，以实施例1得到的石墨烯阵列结构(n＝39)继续进行试验。
[0037]
其它参数保持不变，改变石墨烯的化学势，对应着不同的透射系数相位随输入光强的变化关系曲线。图4给出的石墨烯化学势分别为μ＝0.3ev、0.4ev和0.5ev对应的透射系数相位曲线。可以看到，当μ＝0.3ev、0.4ev和0.5ev时，透射系数相位随输入光强的变化关系曲线中间都有两个s形曲线，即都会在s曲线的拐点处，相位发生向上或向下的跳变。s曲线的左、右拐点分别对应着双稳态曲线的下阈值和上阈值。当μ增大时，双稳态曲线的s形向右移动，说明双稳态的阈值增大。双稳态的上、下阈值处正好是移相器发生突然正、负相移的输入光强值，因此，可以通过石墨烯的化学势控制移相器的相移触发阈值。
[0038]
总之，将单层石墨烯嵌入到电介质中，形成周期性石墨烯阵列，利用石墨烯的光学三阶非线性效应，实现透射系数相位的多重双稳态效应，从而实现利用入射光强对透射系数相位和透射光电场的相移控制。透射系数的正、负相移出现在双稳态的上、下阈值处，双稳态的阈值以及透射系数相移量可以通过石墨烯的化学势来调控，从而使本实用新型所述移相器可灵活地改变相移量的大小。
[0039]
本实用新型中，未对结构进行描述的设备及组件，均为市售设备或组件。
[0040]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。