[发明专利]一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器

说明书

本发明提供了一种基于多重光学双稳态的全光数字编码器，属于全光通讯技术领域。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，全光数字编码器表示为：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；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，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；多重双稳态的上、下阈值对应着数字编码器的各态的编码触发阈值。本发明具有触发阈值低等优点。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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)。