基于石墨烯超表面的光学双稳态研究

Optical bistability devices are widely used in the areas of optoelectronics such as optical switching, optical limiting, optical logic device and optical modulator due to their ability of manipulating optical nonlinear characteristics. However, high threshold value, not easy to control dynamically and band limited have limited the practical application of optical bistability devices. Graphene has unique properties that make it attractive for a range of optoelectronic devices. In particular, experiments and theories show that the graphene sheets possess large nonlinear susceptibilities and exceed values for typical dielectrics by 5-6 orders of magnitude, which makes graphene a promising material for nonlinear optics and photonics. This project will investigate the nonlinear enhancement and adjusting mechanism in graphene-based metasurface structures, and further investigate the basic principle on how the optical bistability forms and discuss theoretically the controllable optical bistable and optical switching behaviors, and their applications in optical switching. Our purpose is in order to design a kind of optical bistability and optical switching with low switching threshold, high speed, high efficiency and low power consumption based on graphene metasurface structures. Graphene-based metasurface optical devices with intrinsic optical bistability allow us to explore the promise of using such elements as the building block of future integrated optics and digital all-optical circuitry.

光学双稳器件由于能实现对光波非线性特性的操控而被广泛应用在光开关、光限幅、光逻辑器件及光调制器等广泛的领域。但是，高阈值、不易主动调控和窄带响应等都限制了光学双稳器件的应用。石墨烯由于其独特的光电性质使得它在各种光电子器件中得到了极大的关注，尤其是石墨烯超大的三阶非线性极化率（高于介质的5-6个数量级），使其在非线性光学和光子学方面具有潜在的应用价值。本项目将重点研究石墨烯超表面结构中非线性效应增强和调控机理，研究光学双稳态的形成机理和可控的光学双稳态行为及其在光开关等领域的应用，设计低阈值、高速、高效率和低功耗的双稳态和光开关器件。石墨烯超表面结构的双稳特性和光开关行为将为未来的集成光学和数字全光网络提供基本模块。

本项目以石墨烯超表面为研究对象，研究内容涉及石墨烯复合结构的线性特性、非线性效应增强以及可控光学双稳态等方面，立足于研究石墨烯微纳结构中非线性效应增强与调控的新现象、新规律，寻找实现低阈值、可调谐的光学双稳态的新方法为基本思路。取得的研究进展和成果如下：. 第一，首次在理论上研究了在太赫兹波段石墨烯-一维光子晶体表面的Tamm等离激元（光学Tamm态）。通过在一维光子晶体表面覆盖单层石墨烯可以实现在光子晶体表面光学Tamm态的激发。在此基础上，我们分别研究了基于该结构激发Tamm等离激元情形下的增强的群延迟、增强的光学横移、高灵敏度折射率传感器等特性，同时研究了基于石墨烯-布拉格反射镜结构的光学双稳态现象。发现基于石墨烯的光学Tamm态能够被用来实现低阈值的反射光学双稳态，在通过对结构参数进行优化，我们得到了电场为10^6数量级的反射型低阈值双稳态。. 第二，研究了基于石墨烯的耦合棱镜-一维光子晶体复合结构中的光学双稳态现象。发现基于石墨烯的布洛赫表面波同样能够被用来实现低阈值的反射光学双稳态，通过参数优化得到了电场为10^6数量级的反射型低阈值双稳态。同时，我们研究了基于Otto结构的具备双稳特性的反射群延迟现象。发现基于石墨烯的Otto结构能够被用来实现增强的反射群延迟。反射群延迟的双稳特性源于非线性衬底导致的非线性特性。. 第三，研究了石墨烯-光子晶体异质结构低阈值可调谐光学双稳态现象。发现光学双稳态现象的激发源于石墨烯强大的非线性效应，通过参数优化得到了电场为10^5数量级的反射型低阈值双稳态。拓扑结构独特的拓扑边缘保护态现象为产生低阈值光学双稳态现象提供了一个有效手段。在此基础上，考虑到在光通信中的实际应用，我们对1550 nm的通信波段范围内基于石墨烯的一维光子晶体Fano共振结构中透射光束的光学双稳态现象进行了分析。该结构为在1550nm通信波段范围内进行实用化双稳器件研发提供了思路和借鉴。