一种基于石墨烯光学双稳态相移效应的结构及其应用

1.本发明涉及一种石墨烯光学双稳态相移效应的结构，以及该结构在移相器的应用。


背景技术：

2.在通信系统中，需要对信号进行调制，如调幅、调频和调相等，这就需要对载波的相位进行精确地操控。另外，在光纤通信中，还可能用到移相器。移相器可以对信号波的传播相位进行调整。过去的相移键控以及移相器的相移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。
3.缺陷光子晶体支持缺陷模，缺陷模对电场具有较强的局域性，而石墨烯拥有较大的非线性电导系数，于是考虑将石墨烯与缺陷光子晶体复合，来增强石墨烯的三阶非线性效应，进而实现低阈值的光学双稳态效应。
4.特别地，在光学双稳态效应中，透射系数相位在双稳态的阈值处会发生一个向上或向下的跳变，即可实现相位的移动，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，该效应可被应用于对光波的移相控制。另外，石墨烯的电导率是石墨烯的化学势的函数，因此，基于石墨烯光学双稳态效应的相移量以及相移位置可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可实现石墨烯光学双稳态相移效应结构及其应用。
6.本发明的技术方案是：一种基于石墨烯光学双稳态相移效应结构，将两种折射率不同电介质薄片a和b逐层堆叠形成两个截断光子晶体(ab)na和a(ba)n，其中字母n为大于0的正整数，所述字母n叫光子晶体的周期数，再将所述两个截断光子晶体与单层石墨烯c复合，形成一个具有双稳态相移效应的对称结构(ab)naca(ba)n；将所述复合结构置于水平面上，光波从结构左边或右边垂直入射；光波的激化方向为横电波或横磁波。
7.进一步地，上述电介质薄片a和b的厚度为1/4光学波长：即a的厚度为da=λ0/(4na)，b的厚度为db=λ0/(4nb)，其中na和nb分别为电介质薄片a和b的折射率，λ0=1.55μm为中心波长。
8.进一步地，上述电介质薄片a的材料为氟化镁(mgf2)，折射率为na=1.35，电介质薄片a的厚度为da=λ0/(4na)=0.2808μm；所述电介质薄片b的材料为硫化锌(zns)，折射率为nb=2.35，电介质薄片b的厚度为db=λ0/(4nb)=0.1649μm。
9.进一步地，双稳态阈值以及透射系数相移量通过石墨烯的化学势、入射波长和光子晶体的周期数来调控。
10.包括如权利要求上述任意一种基于石墨烯光学双稳态相移效应结构的移相器。
11.本发明的特点和有益效果在于：将周期光子晶体与石墨烯复合，利用石墨烯的光
学双稳态相移效应，可以实现利用入射光的光强对透射系数相位的相移控制，进而实现对输出光波传播相位的相移调控。透射系数的相位跳变出现在双稳态的阈值处，双稳态的阈值、透射系数相位，以及透射光波传播相位的相位跳变量可以通过石墨烯的化学势、入射波长和周期光子晶体的周期数来灵活地调控。
12.该发明可应用于可调移相器。
附图说明
13.图1截断光子晶体与石墨烯复合结构示意图；图2 不同周期数n对应的光子晶体与石墨烯复合结构中光波的线性透射谱；图3 透射系数的相位随入射光光强的变化关系；图4(a)不同石墨烯化学势对应的透射系数相位随入射光光强变化关系；图4(b)双稳态阈值随石墨烯化学势的变化关系；图5 (a)双稳态上阈值对应的透射系数相位随石墨烯化学势的变化关系；图5(b)透射系数相位向上跳变的相移量随石墨烯化学势的变化关系；图5(c)双稳态下阈值对应的透射系数相位随石墨烯化学势的变化关系；图5(d)透射系数相位向下跳变的相移量随石墨烯的化学势变化关系；图6 (a)不同的入射光波长对应的透射系数相位与入射光光强的变化关系；图6(b) 双稳态的上、下阈值随入射光波长的变化关系；图7是不同的光子晶体周期数对应的透射系数相位与入射光光强的变化关系。
具体实施方式
14.以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
15.图1为截断光子晶体与石墨烯的复合结构；将单层石墨烯镶嵌在两个截断光子晶体的中间，形成关于石墨烯的中心对称结构(ab)naca(ba)n，其中字母a和b分别表示两种折射率不同的电介质薄片，n表示截断光子晶体的周期数，故n为大于1的正整数，c表示单层石墨烯。因此，图1的所展示的具体结构为(ab)4aca(ba)4，其中n=4。字母ii表示入射光，io表示透射光线。将所述复合结构置于水平面上，光波从结构左边或右边垂直入射。光波的激化方向可以的横电波，也可以是横磁波。
16.将a和b两种电介质薄片沿水平方向依次排列，形成周期性的一维截断光子晶体(ab)na和a(ba)n，再将单层石墨烯c嵌入到这两个截断的光子晶体(ab)na和a(ba)n的中间，形成关于石墨烯的中心对称分布。
17.电介质薄片a的材料为氟化镁(mgf2)，所述电介质薄片a的折射率为na=1.35，所述电介质薄片a的厚度为da=λ0/4/na=0.2808μm(μm表示微米)，即所述电介质薄片a的厚度等于1/4光学波长，其中λ0=1.55μm为中心波长；电介质薄片b的材料为硫化锌(zns)，所述电介质薄片b的折射率为nb=2.35，所述电介质薄片b的厚度为db=λ0/4/nb=0.1649μm，即所述电介质薄片b的厚度也等于1/4光学波长。所述电介质薄片a和b也可选用其它电介质材料，但是相应的厚度应按照1/4光学波长进行调整。
18.单层石墨烯的厚度为dc=0.33nm(nm表示纳米)，石墨烯中电子的动量弛豫时间设
置为τ=0.15ps(ps表示皮秒)，环境温度设置为tc=300k(k表示开尔文)。石墨烯的厚度相对于电介质薄片a和b的厚度，基本可以忽略。因此，石墨烯所在位置就是结构的中心原点，则整个结构为一维结构，且关于石墨烯呈中心对称。
19.图2为不同光子晶体周期数n对应的光子晶体与石墨烯复合结构中光的线性透射谱。在入射光不够强的情况下，不考虑石墨烯的非线性效应。改变入射光的频率，图2给出的是周期数n=3、4和5对应的结构中光波线性透射谱。石墨烯的化学势设置为μc=0.3ev(ev表示电子伏特)，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、ω0=2πc/λ0和ω
gap
= 4ω0arcsin
│
(na−
nb)/(na nb)｜2/π分别表示入射光的角频率、入射光的中心角频率和角频率的光子带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数运算，λ表示入射光的波长。
20.可以看到，在归一化频率为[
−
1, 1]区间内，对每一个n，都存在一个光子带隙，位于带隙内的光波，不能透过光子晶体。但是在带隙中间(ω
−
ω0)/ω
gap
=0处存在一个透射模，用
☆
标注，此透射模的对应的光波长就是中心波长λ0=1.55μm。随着n的增大，透射峰的半宽越来越小，峰值透射率也越来越小。透射峰的形成是因为两个截断光子晶体(ab)na和a(ba)n中除了周期单元(ab)n外，还多出了一层a，将这两个光子晶体复合时，就形成了一个缺陷。缺陷模是共振模，电场主要能量被局域在缺陷层中。n越大，电场局域性越强，故共振性越强。同时，由于石墨烯的存在，石墨烯中存在光损耗，且石墨烯位于光场能量分布最强位置，故光波被电介质层来回反射时，光场能量会衰减，导致n增大时，共振峰的峰值透射率降低。
[0021]
图3给出的是透射系数相位随入射光光强的变化关系。增大输入光强能量，考虑石墨烯的非线性效应。取n=4，则系统结构为(ab)4aca(ba)4。石墨烯的非线性电导率系数为：其中费米速度设置为vf=c/300，c为真空中光速，其它参数的设置保持不变。
[0022]
透射系数t=eo/ei，其中为ei入射电场强度，eo为透射电场强度，它们都是复数，于是写成复指数形式为：t=|t|exp(iφ
t
)，eo=|eo|exp(iφo)，ei=|ei|exp(iφi)。由此可得eo=t*ei=|t||ei|exp[i(φ
t
φi)]，即透射电场的相位φo=φ
t
φi。可以通过调控透射系数的相位φ
t
来调控透射电场的相位φo。这里将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相位移动，即相移。
[0023]
图3给出的是透射系数相位随入射光强的变化关系。石墨烯的化学势设置为μc=0.3ev，其它参数保持不变。可以看到，透射系数相位与入射光光强之间的变化曲线中有一段s形曲线，即双稳态关系。纵坐标单位rad表示弧度。输入光波长为λ=1.553μm，相对于中心共振波长λ0=1.55μm存在一定的红失谐，这是实现光学双稳态的必要条件。
[0024]
当入射光强由一个较低值逐渐增大时，在ii=i
iu
拐点处，透射系数相位发生一个向上的跳变，即正相移，由φ
tu1
跳变到φ
tu2
，如标记i所示，将i
iu
叫双稳态的上阈值；当入射光强由一个较大值逐渐降低时，在ii=i
id
拐点处，透射系数相位发生一个向下的跳变，即负相移，由φ
td1
跳变到φ
td2
，如标记ii所示，将i
id
叫双稳态的下阈值。当入射光强位于i
iu
》ii》i
id
区间时，一个入射光强值对应着两个透射系数相位，这就是光学双稳态效应。当增大入射光
强，或降低入射光强时，分别在ii=i
iu
处和在
ii
=i
id
处，都会导致透射系数一个突然的向上或向下的相位移动，因此，该效应可被应用于移相器。
[0025]
图4 (a)不同化学势对应的透射系数相位随输入光强变化关系。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(a)给出的石墨烯化学势分别为μc=0.2ev、0.3ev和0.4ev对应的透射系数相位曲线。可以看到，当μc=0.2ev、0.3ev和0.4ev时，透射系数相位随输入光强的变化关系曲线中都存在一条s形曲线，即都会在s曲线的拐点处，透射系数相位会发生向上或向下的突然跳变。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μc增大时，双稳态相移曲线的s形向右移动，说明双稳态的阈值增大。
[0026]
图4(b)给出的是双稳态阈值随石墨烯的化学势的变化关系，i
iu
表示双稳态的上阈值，i
id
表示双稳态的下阈值。当化学势μc《0.38ev以及时μc》0.4ev时，双稳态的上、下阈值随石墨烯的化学势增大而增大，以及上下阈值之间的间隔也随石墨烯化学势的增大而增大；但是在μc=0.39ev附近，双稳态的阈值和阈值间隔会突然降低，这是因为在μc=0.39ev附近，石墨烯的内电子跃迁会从带内跃迁转变为带间跃迁，从而影响石墨烯的电导率和光损耗。
[0027]
在s形曲线的右拐点处，透射系数相位发生一个向上的跳变，即从φ
tu1
跳变到φ
tu2
。s形曲线的拐点处的入射光强是光学双稳态的阈值。石墨烯的化学势不同，光学双稳态的阈值不同；还可以看到，石墨烯的化学势不同，对应着的透射系数相位φ
tu1
和φ
tu2
也不同，以及相位移量δφ
tu
=φ
tu2
−
φ
tu1
也不同。
[0028]
图5(a)给出的是透射系数相位发生向上跳变时的起始相位φ
tu1
和最终相位φ
tu2
随石墨烯化学势的变化关系，可以看到：随着化学势增大，φ
tu1
开始基本保持不变，后逐渐减小；而φ
tu2
开始基本保持不变，后逐渐增大。
[0029]
图5(b)给出的是在双稳态上阈值处对应的透射系数相位的相移量δφ
tu
=φ
tu2
−
φ
tu1
随石墨烯化学势的变化关系，由于φ
tu2
》φ
tu1
，因此相移量δφ
tu
》0。还可以看到，相移量随着化学势的增加而增大，因此可以通过石墨烯的化学势来调控相移大小。
[0030]
图5(c)给出的是透射系数相位发生向下跳变时的起始相位φ
td1
和最终相位φ
td2
随石墨烯化学势的变化关系，可以看到：随着化学势增大，φ
td1
开始基本保持不变，后逐渐增大；而φ
tu2
开始基本保持不变，后逐渐减小。
[0031]
图5(d)给出的是在光学双稳态下阈值处对应的相移量δφ
td
=φ
td1
−
φ
td2
随化学势的变化关系。由于φ
td1
》φ
td2
，因此相移量δφ
td
《0。还可以看到，相移量的绝对值随着石墨烯化学势的增加而增大，因此可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控相移大小。
[0032]
图6(a)给出的是不同入射波长对应的透射系数相位随输入光光强的变化关系，固定石墨烯化学势μ=0.3ev，不同的入射波长对应着不同的双曲线相移关系；入射光波的波长不同，双稳态曲线的拐点，即上、下阈值不同。
[0033]
图6(b)给出的是双稳态的阈值随入射光波长的变化关系，随着入射光波长的增大，即相对于中心波长的波长失谐量增大，双稳的上、下阈值增大，且双稳态的阈值间宽也增大。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。
[0034]
图7给出的是不同光子晶体的周期数n对应的透射系数相位随入射光光强的变化关系曲线。入射光波长设置为λ=1.553μm，其它参数保持不变。当n=3时，没有s形曲线出现；当n=4、5和6时，出现了s形曲线，说明此时可以通过改变入射光的光强来实现透射系数相位
的突然跳变；并且还可以看到，随着n的增大，光学双稳态相移的阈值和阈值间隔也增大。
[0035]
总之，将周期光子晶体与石墨烯复合，利用石墨烯的光学双稳态相移效应，可以实现利用入射光光强对透射系数相位的相移控制，进而实现对输出光波的相移调控。透射系数的相移跳变出现在双稳态的阈值处，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、入射波长和周期光子晶体的周期数来灵活地调控。该发明可应用于可调移相器。
[0036]
具体实施方式：将截断光子晶体的周期数设置为n=4，即系统结构为(ab)4aca(ba)4，展开后为ababababacababababa，其中字母a表示氟化镁电介质薄片，其折射率为na=1.35，厚度为da=λ0/(4na)=0.2808μm，其中λ0=1.55μm；字母b表示硫化锌电介质薄片，其折射率为nb=2.35，厚度为db=λ0/(4nb)=0.1649μm，字母c为单层石墨烯。将电介质薄片a和b，以及石墨烯c按照如图1所示在水平方向上依次排列。横磁波或横电波从结构左边或右边垂直入射。入射光的光波长为λ=1.553μm。石墨烯中电子的动量弛豫时间设置为τ=0.15ps(ps表示皮秒)，环境温度设置为tc=300k(k表示开尔文)，石墨烯的化学势为μc=0.3ev。当ii=i
iu
=72.7031gw/cm2，透射系数相位φ
t
发生一个向上的跳变，从φ
tu1
=2.11rad(弧度)跳变到φ
tu2
=3.045rad，因此相移量为δφ
tu
=φ
tu2
−
φ
tu1
=0.935rad；当ii=i
id
=64.2079gw/cm2，透射系数相位φ
t
发生一个向下的跳变，从φ
td1
=2.638rad跳变到φ
td2
=1.958rad，因此相移量为δφ
td
=φ
td2
−
φ
td1
=
−
0.68rad，如图3所示。
[0037]
透射系数相位发生向上跳变处，即双稳态相移的上阈值，以及透射系数相位发生向下跳变的下阈值，可以通过石墨烯的化学势、入射波长和光子晶体的周期数来调控，如图4(a)、图6(a)和图7所示。双稳态相移的上、下阈值和阈值间隔也可以通过石墨烯的化学势、入射波长和光子晶体的周期数来调控，如图4(b)、图6(b)和图7所示。
[0038]
透射系数相位的双稳态跳变处的相移量可以通过石墨烯的化学势来调控，如图5(a)-5(d)所示。