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　　1.一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件，其特征在于，本光学双稳态器件为八个电介质层一(A)、八个电介质层二(B)和十五个石墨烯层(G)组成的多层结构，且本光学双稳态器件由上表面至下表面依次为电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层一(A)、石墨烯层(G)、电介质层二(B)、石墨烯层(G)、电介质层一(A)；所述电介质层一(A)的材料为MgF2晶体，所述电介质层二(B)的材料为ZnS晶体。

　　2.根据权利要求1所述一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件，其特征在于，所述电介质层一(A)的厚度为da＝0.281μm，折射率为na＝1.38。

　　3.根据权利要求1所述一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件，其特征在于，所述电介质层二(B)的厚度为db＝0.165μm，折射率为na＝2.35。

　　说明书

　　一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件

　　技术领域

　　本实用新型属于全光通信系统技术领域，涉及一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件。

　　背景技术

　　随着全光网络和信息检测技术的发展，迫切地需要发展全光开关、光存储器等。基于材料的光学双稳态效应可以实现全光开关和光存储器。

　　以前一般是通过材料的表面等离激元(surface plasmon polaritons：SPPs)或法布里-珀罗腔结构来增强电场局域性，再利用非线性系数较大的材料来实现低阈值的光学双稳态。

　　SPPs需要TM波在金属或石墨烯中产生，SPPs只沿着材料的表面走向。而且只能在超材料和Kretschmann结构中才能激发SPPs。

　　石墨烯作为一种新兴的二维材料，因其独特的电子、机械和光学性质被广泛应用于生活和生产实践，已成为各研究领域的热点。常温下石墨烯的电子迁移率可以达到2.5×105cm2V-1s-1，约为硅半导体迁移率的100倍；而且石墨烯的电阻率也极小，约为10-6Ωcm，这比一般金属的电阻率还要低。

　　石墨烯的电导率可以通过化学势控制，化学势和载流子浓度之间的关系为其中vF≈106m/s为费米速度，μc为化学势，为简约普朗克常数。通过化学掺杂和静电偏压的方法可以改变载流子浓度，进而控制化学势。

　　石墨烯的表面电导率可以用九堡公式(Kubo formula)来描述

　　其中，fd＝1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])为费米-狄拉克统计，ε是粒子能量，μc是石墨烯化学势(也叫作费米能级EF))，T是温度，e是电子元电荷，τ是动量弛豫时间。

　　石墨烯还具有强的三阶非线性效应，其表面电导率可以表示成

　　σg＝σ1+σ3|E|2 (2)

　　其中σ1代表线性表面电导率，σ3代表非线性表面电导率系数，|E|2为电场强度。

　　石墨烯的非线性电导率系数为

　　可见σ3不仅是负的，而且是纯虚的，表明光在石墨烯的非线性影响下具有自聚焦效应。这种效应对电场具有很强的局域性，当光在石墨烯阵列中传输时，会形成深亚波长的模式分布。

　　将高低两种折射率不同的电介质交替排列，形成周期性对称分布。此结构可看成由两个布拉格光栅来形成法布里-珀罗腔，因此，当入射光的波长满足谐振条件时，透射光强等于入射光强。透射模的能量分布主要集中在结构的中心和电介质分界面上，从中心向两边延伸，光场能量呈指数衰减。

　　将石墨烯阵列嵌入电介质多层结构的中心和电介质分界面上，根据公式(2)，石墨烯的表面电导率与局域电场强度成正比，因此可以利用透射模的电场局域性来提高石墨烯的非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态。

　　另外，石墨烯的表面电导率可以通过化学掺杂和静电偏压调节，因此，在石墨烯整列和电介质多层复合结构中的光学双稳态阈值和阈值间隔可以通过石墨烯来灵活调控。

　　将在石墨烯整列和电介质多层复合结构中得到的光学双稳态制作成可调的低阈值全光开关及光存储器，应用于全光通信系统中。

　　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，提供一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件，本实用新型所要解决的技术问题是如何利用石墨烯这种新材料来实现可调光学双稳态以及通过多层结构以降低光学双稳态的阈值。

　　本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件，其特征在于，本光学双稳态器件为八个电介质层一、八个电介质层二和十五个石墨烯层组成的多层结构，且本光学双稳态器件由上表面至下表面依次为电介质层一、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层一、石墨烯层、电介质层二、石墨烯层、电介质层一；所述电介质层一的材料为MgF2晶体，所述电介质层二的材料为ZnS晶体。

　　在上述的一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件中，所述电介质层一的厚度为da＝0.281μm，折射率为na＝1.38。

　　在上述的一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件中，所述电介质层二的厚度为db＝0.165μm，折射率为na＝2.35。

　　在上述的一种应用于全光开关和光存储器的光学双稳态器件中，在石墨烯层上加电极，通过控制石墨烯的化学势来调控光学双稳态的上、下阈值和阈值间隔，即控制全光开关的开、关阈值和阈值间隔。

　　将两种高低折射率电介质层一和电介质层二交替排列，形成电介质多层结构。此结构关于中心呈对称分布，把中心两边的结构可分别看成是布拉格光栅，两个布拉格光栅形成法布里-珀罗谐振腔。将此结构表示成(AB)N(BA)N，其中N叫布拉格周期数。该腔对透射模的模场分布具有很强的局域性，模场能量主要分布在电介质多层结构的中心和电介质的界面上，因此，把石墨烯阵列G嵌嵌到结构的中心和电介质界面上，来增强石墨烯的三阶非线性效应，从而实现低阈值的光学双稳态，双稳态的阈值低至GW/cm2量级。另外，由于石墨烯的表面电导率可以通过化学掺杂和静电偏压调节，因此，还可以利用石墨烯调控该结构中光学双稳态的阈值和阈值间隔。

　　光学双稳态可用于制作全光开关和光存储器，其中光学双稳态的阈值就是全光开关的开关的阈值。通过增大布拉格周期数，可进一步降低光开关的上、下阈值，以及增大阈值间隔。另外，全光开关的上、下阈值和阈值间隔可以通过石墨烯的化学势来灵活地控制。

　　切割MgF2晶体作为电介质层一，厚度为da＝0.281μm，其折射率为na＝1.38。将单层石墨烯转移到电介质层一上。

　　切割ZnS晶体作为介质层二，厚度为db＝0.165μm，放置在石墨烯的右边，其折射率为na＝2.35。

　　再将石墨烯转移到电介质层二的右边，这样依次交替排列，形成光学双稳态器件，布拉格周期数N＝4。

　　在石墨烯层上加电极，通过控制石墨烯的化学势来调控光学双稳态的上、下阈值和阈值间隔，即全光开关的开、关阈值和阈值间隔。

　　与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

　　1、石墨烯具有大的三阶非线性系数，而光学双稳态是基于石墨烯的三阶非线性效应来实现的；2、石墨烯的三阶非线性系数可以通过石墨烯的化学势来灵活调节，因此该结构中实现的光学双稳态的阈值可以通过石墨烯的化学势灵活调节；3、我们这里只是利用这个多层结构对电场的局域增强作用，因为石墨烯的三阶非线性效应正比于局域电场强度，这样的话，该结构可以增强石墨烯的三阶非线性效应，从而可以降低光学双稳态的阈值。