光学双稳态光子晶体复合结构及其控制方法与流程

本发明涉及微纳光电器件，尤其涉及一种光学双稳态光子晶体复合结构及其控制方法。

背景技术：

1、随着对高集成、低功耗以及快响应的微型器件的要求越来越高，设计制备高性能的光电微纳器件成为当前热点。光学双稳态是非线性光学领域的重要研究内容，由于光学双稳态的输出状态与输入状态呈现明显的磁滞回线关系，这一特点使得其可广泛应用于各种微纳光电器件中，如全光开关、光传感器、光逻辑门以及光存储器等。相较于传统的电子器件，光学器件的实用化能够大大地提高器件的响应速度。而光学双稳态器件的大规模集成需要较低的功率、较快的调制速率以及较小的尺寸，因而为了达到上述要求，需要尽可能地降低光学双稳态的阈值。

2、实现光学双稳态需要满足光学非线性和反馈机制两个必要条件，光学双稳态的阈值取决于材料的非线性响应程度或结构中的场局域程度。现有技术中通常是使用传统非线性材料实现光学双稳态现象，但是传统非线性材料的非线性折射率通常较低，基于传统材料实现光学双稳态要么无法产生理想的光学双稳态现象，要么产生的光学双稳态现象的阈值比较大，需要较强的入射光才能够产生明显的双稳现象，而较大的阈值通常会导致光学双稳态器件损坏，不仅制备成本高，且无法满足集成光学中小尺寸和低功耗等的要求，致使光学双稳态器件的应用范围会受到较大的限制，阻碍了光学双稳态在微纳光电器件中的应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、体积小、功耗低且阈值小的光学双稳态光子晶体复合结构及其控制方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种光学双稳态光子晶体复合结构，包括依次设置的棱镜、光子晶体、截断层以及衬底，所述光子晶体由两种不同电介质按照指定周期n交替布置构成，所述截断层与衬底之间还嵌入设置有狄拉克半金属，入射光从所述棱镜入射到所述光子晶体后激发布洛赫表面波所需的波矢，在所述截断层表面形成局域的电磁场，即为布洛赫表面波。

4、进一步的，所述光子晶体的两种电介质的厚度分别为：，其中为中心波长，为光子晶体的两种电介质的折射率，所述狄拉克半金属的厚度取值范围为20nm～35nm，所述截断层的厚度取值范围为22μm～37μm。

5、进一步的，所述光子晶体的两种电介质中第一电介质的折射率的取值范围为3.4～3.45，第二电介质的折射率的取值范围为1.9～2.1，所述截断层的折射率取值范围为3～4.216，所述棱镜和衬底的折射率为。

6、进一步的，所述狄拉克半金属的费米能级的取值范围为0.45ev～0.51ev，弛豫时间的取值范围为0.3ps～0.45ps。

7、进一步的，所述截断层以及光子晶体的两种电介质中第一电介质的材料为硅，光子晶体中第二电介质的材料为砷化镓，所述棱镜和衬底的材料为锗。

8、进一步的，所述狄拉克半金属的线性电导率表达式为：

9、

10、其中是多段对数，；

11、狄拉克半金属的三阶非线性电导率表示为：

12、

13、其中，是电荷常量，是约化的普朗克常量，是角频率，是狄拉克半金属的费米能级，是狄拉克半金属的弛豫时间，是玻尔兹曼常数，是温度。

14、进一步的，根据狄拉克半金属的线性和非线性电导率得到所述狄拉克半金属的三阶极化率的表达式为：

15、

16、所述狄拉克半金属的线性折射率是一个复数，表示为：

17、

18、其中，是真空中介质的介电常数。

19、用于上述光学双稳态光子晶体复合结构的控制方法，包括：

20、通过改变载流子密度调整狄拉克半金属费米能级，进而通过调整费米能级和弛豫时间对狄拉克半金属的电导率进行调控；

21、使用非线性传输矩阵法计算反射电场、透射电场与入射电场之间的关系，步骤包括：

22、使用非线性矩阵将狄拉克半金属两侧的电磁场进行关联，构建形成狄拉克半金属两侧的电磁场之间的关系模型：

23、

24、其中，是狄拉克半金属的非线性传输矩阵，、分别为狄拉克半金属两侧的电磁场；

25、通过迭代求解得到非线性传输矩阵，根据得到的所述非线性传输矩阵计算得到整个复合结构的传输矩阵为：

26、

27、其中，、、、以及分别为棱镜、光子晶体中两种电介质、截断层以及衬底的传输矩阵；

28、根据复合结构的传输矩阵计算整个复合结构的透射系数，根据所述透射系数计算得到透射率、反射系数以及反射率，按照计算得到反射电场、透射电场与入射电场之间的关系，为透射系数，为反射系数。

29、进一步的，所述狄拉克半金属的非线性传输矩阵的表达式为：

30、

31、其中，是真空中波矢，和分别是向前和向后传播波的波矢量，计算表达式为：

32、

33、其中，，和是正向波和反向波的振幅，是狄拉克半金属的线性折射率。

34、进一步的，按照下式计算得到整个复合结构的透射系数：

35、

36、其中，、、以及分别是整个复合结构传输矩阵 m中的矩阵元素。

37、与现有技术相比，本发明的优点在于：

38、1、本发明通过将狄拉克半金属与光子晶体形成一个复合结构，将狄拉克半金属嵌入设置在光子晶体截断层和衬底之间形成多层结构，以使得既能够激发布洛赫表面波，又能够实现光学双稳态的非线性效应，光子晶体耦合结构激发的布洛赫表面波导致截断层附近的局域场增强，有效降低光学双稳态的阈值，从而实现低阈值可调谐光学双稳态。

39、2、本发明充分结合传统的光学机理和具有优异光电特性的狄拉克材料，在利用狄拉克半金属形成复合结构的基础上，通过调整狄拉克半金属的费米能级、弛豫时间等参数，实现狄拉克半金属的电导率的动态调控，可以进一步改变、优化光学双稳态的阈值，提高可调谐光学双稳态的性能，弥补传统光学双稳态器件的缺点和限制。

技术特征：

1.一种光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：包括依次设置的棱镜、光子晶体、截断层以及衬底，所述光子晶体由两种不同电介质按照指定周期n交替布置构成，所述截断层与衬底之间还嵌入设置有狄拉克半金属，入射光从所述棱镜入射到所述光子晶体后激发布洛赫表面波所需的波矢，在所述截断层表面形成局域的电磁场，即为布洛赫表面波。

2.根据权利要求1所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：所述光子晶体的两种电介质的厚度分别为：，其中为中心波长，为光子晶体的两种电介质的折射率，所述狄拉克半金属的厚度取值范围为20nm～35nm，所述截断层的厚度取值范围为22μm～37μm。

3.根据权利要求1所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：所述光子晶体的两种电介质中第一电介质的折射率的取值范围为3.4～3.45，第二电介质的折射率的取值范围为1.9～2.1，所述截断层的折射率取值范围为3～4.216，所述棱镜和衬底的折射率为。

4.根据权利要求1所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：所述狄拉克半金属的费米能级的取值范围为0.45ev～0.51ev，弛豫时间的取值范围为0.3ps～0.45ps。

5.根据权利要求1所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：所述截断层以及光子晶体的两种电介质中第一电介质的材料为硅，光子晶体中第二电介质的材料为砷化镓，所述棱镜和衬底的材料为锗。

6.根据权利要求1~5中任意一项所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：所述狄拉克半金属的线性电导率表达式为：

7.根据权利要求6所述的光学双稳态光子晶体复合结构，其特征在于：根据狄拉克半金属的线性和非线性电导率得到所述狄拉克半金属的三阶极化率的表达式为：

8.用于权利要求1～7中任意一项所述的光学双稳态光子晶体复合结构的控制方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述狄拉克半金属的非线性传输矩阵的表达式为：

10.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于：按照下式计算得到整个复合结构的透射系数：

技术总结本发明公开一种光学双稳态光子晶体复合结构及其控制方法，该复合结构包括依次设置的棱镜、光子晶体、截断层以及衬底，光子晶体由两种不同电介质按照指定周期交替布置构成，所述截断层与衬底之间还嵌入设置有狄拉克半金属，入射光从所述棱镜入射到光子晶体以激发布洛赫表面波所需的波矢，在所述截断层表面形成局域的电磁场，即为布洛赫表面波。该控制方法通过对狄拉克半金属的电导率进行调控，使用非线性传输矩阵法计算反射电场、透射电场与入射电场之间的关系。本发明能够实现实现低阈值可调谐光学双稳态，且具有结构简单、成本低、体积小、功耗低且阈值小等优点。技术研发人员：龚国辉,周嘉礼,卢灵敏,吴圳羲,陈俊贤,王磊受保护的技术使用者：湖南长城银河科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/16