一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器的制作方法

1.本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器。


背景技术：

2.在全光通信中，需要在光域内对信号进行储存、编码、中继、定时、放大和整形等，这就要用到全光数字编码器，而基于光学双稳态数字编码器是一种光控光的全光数字编码器。
3.光学双稳态是一种基于材料光克尔效应的非线性光学效应。当入射光足够强时，一个输入光强可以对应着两个不同的输出光强，即一个入射光强可以诱导两个稳定的共振输出态。当把光学双稳态应用于全光数字编码器时，在输入光强的上、下阈值处，双稳态中输出光强发生跳变，对这种跳变状态进行编码。双稳态阈值越大，触发编码器编码所需的光强就越大。另一方面，器件的功率增大时，则其稳定性会变差，且对散热条件的要求也变高。另外，当上、下阈值之间的间隔越小时，各编码状态的区分度就越弱，那么编码的错误率就变大。因此，目前对基于光学双稳态的数字编码器研究，主要集中在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、下阈值之间的间隔。
4.要实现低阈值的光学双稳态，一方面寻求具有较大三阶非线性系数的材料；另一方面，由于光克尔效应正比于局域电场，故可通过优化系统结构来增强局域电场，从而提高材料的三阶非线性效应。
5.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石墨烯的化学势来灵活地调控。重要的是，石墨烯具有可观的三阶光学非线性系数。这使得石墨烯成为实现低阈值光学双稳态的热门材料。另外，为进一步降低双稳态的阈值，可利用石墨烯的表面等离子激元来增强石墨烯的局域电场，从而提高石墨烯的非线性效应；还可将石墨烯嵌入到光子晶体的缺陷层中，利用缺陷对的电场局域性来增强石墨烯的非线性效应。
6.在波矢空间，光子晶体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全部反射。若在光子晶体中引入缺陷，透射谱中会出现缺陷模，即透射模。透射模对电场具有较强的局域性，常被用来增强材料的三阶非线性效应。而在准光子晶体或非周期光子晶体中，存在天然的缺陷层，且缺陷模的数量随序列序号的增加呈几何级数递增，故准光子晶体或非周期光子晶体是被用来增强局域电场的理想结构。
7.将石墨烯嵌入到thue
‑
morse(t
‑
m)光子晶体中，可以实现低阈值的光学双稳态。t
‑
m序列在数学上是一种准周期序列，对应的t
‑
m光子晶体是准周期的。t
‑
m光子晶体中具有多个缺陷腔，存在光学分形共振态。在石墨烯同样t
‑
m光子晶体的复合结构中，利用光学分形态对电场的局域性，可以实现低阈值的光学双稳态，光学双稳态的阈值约为gw/cm2(吉瓦每平方厘米)。
8.为进一步降低光学双稳态的阈值，将石墨烯与octonacci光子晶体复合，其光学双稳态的阈值可低至100mw/cm2(mw/cm2表示兆瓦每平方厘米)。。octonacci光子也是一种准周
期光子晶体，具有光学分形的特性，且这些光学分形态对电场的局域性更强，可极大地增强石墨烯非线性效应。但是，octonacci光子晶体的共振透射模彼此之间独立，且相邻共振模之间存在一定的间隔，可被用于实现多个彼此独立的低阈值光学双稳态。能否得到其它准周期光子晶体和石墨烯的复合结构，一方面进一步降低光学双稳态的阈值，另一方面得到双峰或多峰共振的光学分形态，实现多重双稳态或多稳态，进而实现低触发阈值的多态全光编码器，将是本领域的重点研究方向。


技术实现要素：

9.本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器，本发明所要解决的技术问题是如何得到低触发阈值的多态全光数字编码器。
10.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器，其特征在于，本全光数字编码器包括若干第一电介质层a、若干第二电介质层b和两个石墨烯单层g，所述全光数字编码器的多层结构表示为：ababb1gb2bababbbbbbbbbababb2gb1baba，其中b1gb2和b2gb1表示石墨烯单层嵌入第二电介质层内形成的三明治结构；所述第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质薄片，所述全光数字编码器存在两个双峰共振的光学分形态，光学分形态对应的电场具有局域作用，两个石墨烯单层分别嵌于双峰共振分形态的局域电场最强位置，使石墨烯单层的三阶非线性效应得到增强，进而实现低阈值多重光学双稳态；所述第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自光学波长的1/4。
11.本复合结构包括两个石墨烯单层和一个序列序号n＝3的康托尔(cantor)光子晶体，康托尔光子晶体为ababbbababbbbbbbbbababbbaba，字母a、b分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；康托尔光子晶体存在两个双峰共振的光学分形态，分形态对应的电场具有局域性，2个石墨烯单层被嵌入到其中一个双峰共振分形态的局域电场最强位置，此复合结构整体上可表示成：ababb1gb2bababbbbbbbbbababb2gb1baba，其中g表示石墨烯单层；石墨烯单层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，进而实现低阈值多重光学双稳态，结构中光学双稳态的阈值可低至100kw/cm2，这比octonacci光子晶体和石墨烯的复合结构中光学双稳态的阈值低3个量级。
12.在基于cantor光子晶体与石墨烯复合结构中，考虑石墨烯的非线性效应，当入射波长位于双峰共振分形态附近时，存在多重低阈值光学双稳态。此多重光学双稳态可被用于多态数字编码器，编码器各状态的触发阈值，以及阈值间隔，随石墨烯的化学势和入射波长的增大而增大，因此，可以通过石墨烯的化学势和入射波长来灵活地调控编码器的触发阈值。
13.进一步的，所述第一电介质层的基质材料为碲化铅，所述第二电介质层的基质材料为冰晶石。
14.进一步的，通过入射波长调控多重双稳态的上阈值、下阈值和阈值间隔。
15.进一步的，通过石墨烯单层的化学势调控多重双稳态的上阈值、下阈值和阈值间隔。
附图说明
16.图1是序列序号n＝3的cantor光子晶体与石墨烯复合结构示意图。
17.图2是序号n＝3的cantor光子晶体中光的线性透射谱。
18.图3中(a)图是波长λ＝2.0577μm对应的双峰共振光学分形态的归一化电场分布；图3中(b)图是波长λ＝2.0406μm对应的双峰共振光学分形态的归一化电场分布。
19.图4中(a)是化学势为μ＝0.4ev对应的输入
‑
输出光强关系；图4中(b)图是石墨烯化学势对输入
‑
输出光强关系的影响。
20.图5中(a)图是不同的入射波长对应的输入
‑
输出光强关系；图5中(b)图是第iii个双稳态的上、下阈值随入射波长的变化关系。
21.图6是基于三重光学双稳态的多值全光数字编码器原理图。
22.图中，a、第一电介质层；b、第二电介质层；g、石墨烯单层。
具体实施方式
23.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。
24.在数学上，康托尔(cantor)序列的迭代规则为：s0＝a，s1＝aba，s2＝aba(bbb)aba,s3＝s2(bbb)2s2，
……
，s
n
＝s
n
‑1(bbb)
n
‑1s
n
‑1，
……
，其中n(n＝0，1，2，3，
……
)是序列的序号，s
n
表示序列的第n项；(bbb)
n
‑1表示3
n
‑1个b。对应的cantor光子晶体中的字母a、b分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片。如图1给出了序列序号n＝3的cantor光子晶体与石墨烯的复合结构。电介质薄片和单层石墨烯沿z轴依次排布，结构的中心位置为0点。
25.符号i1为入射光线，符号i2为出射光线。此结构也可以表示成ababb1gb2bababbbbbbbbbababb2gb1baba，其中，字母g表示单层石墨烯；a的基质材料为碲化铅，折射率为n
a
＝4.1；b、b1和b2的基质材料都为冰晶石，折射率为n
b
＝1.35。入射光为横磁波，从左边垂直入射。电介质薄片a和b厚度均为1/4光学波长，即a的厚度为d
a
＝λ0/4/n
a
＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，b的厚度为d
b
＝λ0/4/n
b
＝0.287μm，b1的厚度为d
b1
＝0.1443μm，b2的厚度为d
b2
＝0.1427μm，满足条件d
b1
d
b2
＝d
b,
。
26.单层石墨烯的厚度约为0.33nm(nm表示纳米)，相当于一个原子的尺寸。相对于电介质薄片a、b、b1和b2的厚度，石墨烯的厚度可以忽略。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)。
27.当不考虑石墨烯的影响时，改变入射光频率，图2给出的是序列序号n＝3的cantor光子晶体中光的线性透射谱。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、ω0＝2πc/λ0和ω
gap
＝4ω0arcsin
│
(n
a
‑
n
b
)/(n
a
n
b
)|2/π分别表示入射光角频率、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8个透射共振峰，透射率峰值都为1，对应着8个共振光学分形态。这8个光学分形态都对电场具有局域作用。谱线左侧存在一个双峰共振分形态(用星号*标注)，其对应的波长分别为λ＝2.0577μm和2.0406μm，下一步将给出这两个波长对应的电场分布；进而将石墨烯镶嵌在局域电场最强的位置，从而增强石墨烯的非线性效应，实现低阈值光学双稳态；另外，要实现低阈值的多重光学双稳态，入射波长必须相对于第1个双峰共振态波长λ＝2.0577μm适当地红失谐。
[0028]
电介质和石墨烯按照规则沿水平方向从左到右依次排列。图3(a)给出的是谱线左侧的双峰共振光学分形态中第1个共振波长λ＝2.0577μm对应的电场分布。虚线表示相邻两层电介质的分界面，2片石墨烯单层g分别被镶嵌在结构中电场强度最强的位置。纵坐标表示z分量的归一化的电场强度。可见电场能量在结构中的分布是不均匀的，存在局域性；电场强度存在两个极大的波峰，但是，第二极大值波峰略低于第一个极大值波峰；石墨烯单层正好位于局域电场最强点，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。图3(b)给出的是谱线左侧双峰共振光学分形态中第2个共振波长λ＝2.0406μm对应的电场分布。电场强度最强的位置和第1个共振波长对应的电场强度最强位置重合；但是，第一极大值波峰略低于第二个极大值波峰。
[0029]
设置化学势为μ＝0.4ev，其它参数保持不变，图4(a)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＝2.085μm，相对于双峰共振的第一个共振波长λ＝2.0577μm存在一定的红失谐。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
‑
输出光强的关系曲线中，会出现3段s形曲线段，分别用虚椭圆框i、ii和iii标注，对应着三重光学双稳态关系。在octonacci光子晶体于石墨烯的复合系统中，光学双稳态阈值为100mw/cm2量级；在t
‑
m光子晶体与石墨烯复合中，光学双稳态为gw/cm2量级；而在n＝3的cantor光子晶体和石墨烯的复合结构中，光学双稳态的阈值为mw/cm2量级。可见，相对于octonacci和t
‑
m光子晶体，cantor光子晶体和石墨烯的复合，可极大地降低双稳态的阈值。
[0030]
当输入光强从一个相对较小值逐渐升高时，在第i段s曲线段的右拐点处，输出光强发生向上的跳变，把此时对应的输入光强叫作光学双稳态的第一上阈值；当输入光强从一个相对较大值逐渐降低时，在地i段s曲线段的左拐点处，输出光强发生一个向下的跳变，把此时对应的输入光强叫作光学双稳态的第一下阈值。上、下阈值作差叫阈值间隔。
[0031]
当输入光强位于上、下阈值之间时，一个输入光强对应着两个输出光强值，这就是所谓的光学双稳态效应。在上述的输入
‑
输出光强关系的轮廓线中，存在三段s形曲线段，这就是三重光学双稳态的典型特征，该效应可被用于多态全光数字编码器。
[0032]
当然，不同的入射波长，或石墨烯的化学势不同，对应的双稳态曲线和阈值是不同的。
[0033]
固定入射波长λ＝2.085μm，其它参数保持不变，图4(b)给出的是不同石墨烯化学势μ对应的输入
‑
输出光强关系。可以看到：当μ＝0.4ev、0.45ev和0.5ev时，输入
‑
输出光强具有三重双稳态关系；增大μ值，不同的化学势对应的双稳态曲线不同，且双稳态的上、下阈值和阈值间宽也不同；随着石墨烯化学势的增加，双稳的上、下阈值都增大，且双稳态的阈值间宽也增大，因此可以通过石墨烯的化学势来调控多重双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
[0034]
固定石墨烯化学势μ＝0.45ev时，其它参数保持不变，图5(a)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：在给定3个波长值λ＝2.084μm、2.085μm和2.086μm时，输入
‑
输出都具有三重双稳态关系；不同入射波长对应的双稳态曲线不同，即双稳态的上、下阈值和阈值间宽不同；随着入射波长的增大，即失谐量增大，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间隔增加，如图5(b)所示。纵坐标thresh.表示双稳态的阈值。这里选取的是图5(a)中第iii(虚椭圆框标记)个s形曲线段对应的光学双稳态的上、下阈值随波长的变化关系。upper threshold和lower threshold分别表示双稳态的上、下阈值。可以看到，在
整个给定的波长区间2.083μm≤λ≤2.086μm，都会出现三重双稳态；双稳态的上、下阈值和阈值间隔随波长的增大而增大。因为波长的失谐量越大，就需要用非线性效应来弥合这部分差值，则满足共振所需的入射光能量就越强。因此，可以通过入射波长来调控多重双稳态的上、下阈值和阈值间隔。
[0035]
总之，序列序号n＝3的cantor光子晶体与石墨烯复合结构中存在双峰共振的光学分形态，该光学分形态对电场具有强的局域作用，2片石墨烯单层正好分别位于双峰共振分形态的局域电场最强位置，故石墨烯的非线性效应得到极大地增强，从而实现低阈值多重光学双稳态；光学双稳态的阈值低至mw/cm2量级，比t
‑
m光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态的阈值小6个量级，比octonacci光子晶体与石墨烯复合中的光学双稳态的阈值小2个量级。且多重光学双稳态的上、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地调控。该效应可应用于多态全光数字编码器。
[0036]
入射光波长设置为λ＝2.085μm，化学势为μ＝0.4ev，输入
‑
输出光强关系中出现三重光学双稳态现象，将其应用于多态全光数字编码器，其原理如图6所示。当输入光强由一个较低值逐渐升高时，在第i段s曲线段(位于曲线最左下方)的右拐点处，输出光强会发生一个向上的跳变，把输入光强i
i
＝i
u1
叫作第一个双稳态上阈值，此过程对应着编码器的编码000，故也把i
i
＝i
u1
叫作编码器的码元000的触发阈值；继续增大输入光强至第ii段s曲线段(位于曲线中间)的右拐点处，对应着第二个双稳态上阈值i
i
＝i
u2
，输出光强又会发生一个向上的跳变，此过程对应着编码器的编码010，故把i
i
＝i
u2
被叫作编码器的码元010的触发阈值；再继续增大输入光强至第iii段s曲线段(位于曲线最右上方)的右拐点处，对应着第三个双稳态上阈值i
i
＝i
u3
，输出光强再会发生一个向上的跳变，此过程对应着编码器的编码100，把i
i
＝i
u3
被叫作编码器的码元100的触发阈值。
[0037]
当输入光强由一个较大值逐渐降低时，在第iii段s曲线段的左拐点处，输出光强会发生一个向下的跳变，把输入光强i
i
＝i
d3
叫作第三个双稳态下阈值，此过程对应着编码器的编码101，故也把i
i
＝i
d3
叫作编码器的码元101的触发阈值；继续降低输入光强至第ii段s曲线段的左拐点处，对应着第二个双稳态下阈值i
i
＝i
d2
，输出光强又会发生一个向下的跳变，此过程对应着编码器的编码011，故也把i
i
＝i
d2
叫作编码器的码元011的触发阈值；再继续降低输入光强至第i段s曲线段的左拐点处，对应着第一个双稳态下阈值i
i
＝i
d1
，输出光强再会发生一个向下的跳变，此过程对应着编码器的编码001，故也把i
i
＝i
d3
叫作编码器的码元001的触发阈值。
[0038]
图4(b)显示三重光学双稳态的阈值受石墨烯化学势的影响。随着石墨烯化学势的增大，对应的各段s曲线段的上、下阈值，以及阈值间隔增加。多重双稳态的的上、下阈值对应着多态编码器的编码触发阈值，因此可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控数字编码器的各态对应的编码触发阈值。此触发阈值还可以通过入射波长来调控，如图5(a)和图5(b)所示。通过改变入射波长，使得波长失谐量增大，双稳态的上、下阈值，以及阈值间宽增大，以此可以调控数字编码器的各态编码触发阈值。
[0039]
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。