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　　一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关

　　技术领域

　　本实用新型属于全光通讯技术领域，涉及一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关。

　　背景技术

　　在传统的光通信中，信息处理存在光-电-光的转换过程，这大大降低了数据的传输和处理速度。如果能在全光域内对数据进行中继和存储，则可极大地提高光纤通信系统中的信息传输、分析和存取速度和效率。

　　全光开关是一种基于光控光的开关元件，它可以直接在光阈内对信息进行处理。全光开关被广泛用作光开关、光存储和光逻辑器件。全光开关一般是利用材料的非线性效应来实现，这需要强的光场。光强越强，会引起器件发热量增加，导致器件不能稳定的工作，因此至今还没有达到实用化的地步。

　　在全光开关中，开通和关断所需的最低光功率叫开关阈值。为降低开关阈值，可将一环形石英腔与马赫-曾德干涉仪的一臂耦合，使环形石英腔在低功率下达到π的相移，但这种开关对环腔的精细度要求较高，开关的功率与精细度的平方成反比，开关时间与精细度成正比，所以它们互为矛盾，不得不考虑其它光学结构和光学效应来实现全光开关。

　　光学双稳态是基于材料折射率随输入光强变化的一种三阶非线性光学效应。当入射光达到足够强时，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对应着两个稳定的输出光强。光学双稳态可应用于制作全光开关和光存储器。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。目前的研究主要集中如何通过新材料和新结构来实现低阈值光学双稳态，以及增大上、下阈值间隔。

　　材料的三阶非线性光学效应与其三阶非线性系数、局域光场强度的平方成正比。为增强材料的三阶非线性效应，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，可以通过优化结构来增强非线性材料所在位置的局域光场。

　　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化学势来灵活调节。重要的是，石墨烯还具有可观的三阶非线性系数。可以利用石墨烯的表面等离子体来增强石墨烯的局域光场，或者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。

　　石墨烯可以激发表面等离子体，而表面等离子体可以形成很强的局域光场。另外，在缺陷光子晶体中，缺陷模的透射率接近1，因此也被称为透射模。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，如石墨烯，则可极大的增强材料的非线性效应。

　　另外，还可以将单层石墨烯进行周期性排列，形成石墨烯阵列。该阵列可视为一维光子晶体，相邻两片石墨烯之间构成一个谐振腔，则整个阵列就构成多个谐振腔。光在石墨烯阵列中传输，就会形成谐振态，而谐振态的模场分布具有很强的局域性，因此可以用来增强石墨烯的三阶非线性效应。

　　实用新型内容

　　本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关，本实用新型所要解决的技术问题是如何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，以便将该光学双稳态应用于全光开关、光逻辑器件和光存储器。

　　本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于石墨烯阵列中光学双稳态的全光开关，其特征在于，包括相间分布的单层石墨烯和电介质薄片层，形成结构式为(gA)Ng的周期阵列结构，所述单层石墨烯嵌入相邻电介质薄片层之间，所述周期阵列结构的两外侧均为单层石墨烯；结构式中的A为电介质薄片层，g为单层石墨烯，N为电介质薄片层的数量；单层石墨烯在不同的化学势下对应的全光开关的开、关阈值和阈值间隔均不同，通过在单层石墨烯上外加电压以改变单层石墨烯的化学势，从而调节光开关的开、关阈值和阈值间隔。

　　进一步的，所述电介质薄片层为二氧化硅。

　　将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料中，形成周期性排列结构，从而构成石墨烯阵列。石墨烯阵列对共振态的光场具有局域增强作用，以此来来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。

　　双稳态的阈值与石墨烯的化学势有关，石墨烯的化学势可以通过外界电压来调控，因此，基于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来灵活调节。