带有线性调频的谐振单元的复合材料

摘要

描述了一种复合材料(102)，其包含介电材料和设置在所述介电材料上的多个非重叠本地谐振单元组(106)。每个本地谐振单元组(106)包括多个谐振单元(108)，所述多个谐振单元相对于入射在所述复合材料(102)上的电磁辐射的第一波长(λc)是小的。每个本地谐振单元组(106)的空间范围不大于所述第一波长(λc)的量级。对于每个所述本地谐振单元组(106)，其中的所述谐振单元(108)关于其至少一个几何特征被线性调频，使得所述谐振单元的多个不同子集对于所述第一波长(λc)的频谱邻域(203)中的相应多个波长谐振，所述复合材料(102)对于所述频谱邻域(203)中的所述多个波长的每一个表现出负有效磁导率和负有效介电常数中的至少一个。

说明书

技术领域

本专利说明书总体涉及电磁辐射的传播，并且更具体地，涉及对于入射电磁辐射能够表现出负有效磁导率和/或负有效介电常数的复合材料。

背景技术

近几年来对于入射电磁辐射能够表现出负有效磁导率和/或负有效介电常数的复合材料越来越受到重视。这种材料(通常也可互换地称为人造材料或超材料)一般包含电磁谐振单元的周期阵列，该电磁谐振单元的尺寸与入射辐射的波长相比相当小(例如，20％或者更小)。尽管任何特定单元对于入射波前的个体响应可能相当复杂，谐振单元的整体响应可以宏观描述，好像复合材料是连续材料一样，除了磁导率项(term)被有效磁导率替代并且介电常数项被有效介电常数替代。然而，不同于连续材料，谐振单元的结构可以被操纵以改变它们的磁性质和电性质，使得在各个有用的辐射波长上可以获得具有有效磁导率和/或有效介电常数的不同范围。

特别有吸引力的是所谓的负折射率材料(negative index material)，通常可互换地称为左手材料或负折射材料，其中依据谐振单元的尺寸、结构以及布置，对于一个或多个波长，有效磁导率和有效介电常数同为负。负折射率材料的潜在工业应用包括具有远低于衍射极限成像至λ/6及超出λ/6的能力的所谓超透镜、机载雷达的新设计、用于医疗成像的高分辨率核磁共振(NMR)系统、微波透镜、以及其它辐射处理装置。

由这种复合材料(包括负折射率材料)制作有用器件的一个问题涉及器件带宽。特别地，出现与对其实现负有效磁导率和/或负有效介电常数的入射辐射的谱宽度有关的问题。因此，希望关于这种复合材料的负折射率行为、负有效磁导率行为、和/或负有效介电常数行为来在频谱上展宽这种材料。还希望在提供这种频谱展宽的同时也提供该复合材料表面上的一致响应。进一步希望的是在展宽的工作频谱上提供这种复合材料的响应的均衡和/或放大。考虑到本公开，产生的其它问题对于本领域技术人员来说是显而易见的。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种复合材料，其包括介电材料以及设置在所述介电材料上的多个非重叠的本地谐振单元组。每个本地谐振单元组包括多个谐振单元，所述多个谐振单元相对于入射到所述复合材料上的电磁辐射的第一波长是小的。每个本地谐振单元组的空间范围(spatial extent)不大于所述第一波长的量级(order)。对于每个所述本地谐振单元组，其中的谐振单元关于其至少一个几何特征被线性调频(chirped)，使得所述谐振单元的多个不同子集对于所述第一波长的频谱邻域中的相应多个波长谐振。所述复合材料对于该频谱邻域中的所述多个波长中的每一个表现出负有效磁导率和负有效介电常数的至少一个。

也提供了一种频谱展宽的复合材料，其包括用于接收第一波长的频谱邻域内的入射电磁辐射的表面以及设置该表面上的多个单元组。每个单元组包括多个不大于所述第一波长的大约1/5的电磁反应单元(electromagnetically reactivecell)。每个单元组的面积不大于所述第一波长的平方的量级。对于每个单元组，其中的所述电磁反应单元关于其至少一个几何特征被线性调频，使得在所述单元组中的所述电磁反应单元的多个不同子集对于所述第一波长的频谱邻域中的相应多个波长表现出至少部分谐振行为。所述频谱展宽的复合材料对于该频谱邻域中的所述多个波长的每一个表现出负有效磁导率和负有效介电常数中的至少一个。

还提供了一种在第一波长的邻域内传播具有多个波长的电磁辐射的方法。该方法包括施加所述电磁辐射到复合介质的表面，该复合介质具有设置在所述表面上的多个非重叠的本地谐振单元组，每个本地谐振单元组包括多个谐振单元，所述谐振单元相对于所述第一波长是小的。每个本地谐振单元组的空间范围不大于所述第一波长的量级。每个本地谐振单元组的谐振单元关于至少一个几何特征被线性调频，使得所述谐振单元的相应多个不同子集对于所述多个波长谐振，所述复合材料对于所述多个波长表现出负有效磁导率和负有效介电常数的至少一个。

附图说明

图1示出了依据实施例的复合材料；

图2A-2B示出了依据实施例的复合材料以及入射在其上的电磁辐射的频谱；

图2C-2E示出了依据实施例的接收不同波长的电磁辐射的复合材料的概念图；

图3A-3B示出了依据实施例的接收不同波长的电磁辐射的复合材料的概念图；

图4A-4E示出了依据一个或多个实施例的谐振单元组的例子；

图5示出了依据一个或多个实施例的谐振单元的例子；

图6示出了依据实施例的谐振单元；以及

图7示出了依据实施例的谐振单元组。

具体实施方式

图1示出了依据实施例的复合材料102。复合材料102包括至少一个能够接收入射电磁辐射的表面104。所述表面104典型地包括例如硅的介电基底，不过多种不同介电材料的任一种都可被采用。作为例子而不是限制，所述入射电磁辐射可以源于图1的复合材料102的正-Z侧，通常向负-Z方向传播，并且在相对于所述z轴的各种角度的任一个上具有波法线。

复合材料102包括在空间上布置在所述表面104上的多个本地谐振单元组106。每个本地谐振单元组106包括多个电磁反应单元或谐振单元108，所述谐振单元相对于对于其将要表现出负有效磁导率和/或负有效介电常数的所述入射电磁辐射的波长是小的。在一个实施例中，每个谐振单元108小于大约此波长的1/5，当每个谐振单元108小于大约此波长的1/10时产生甚至更佳的响应。在图1的特定例子中，所述谐振单元108包括设置在介电表面104上的由高导电材料(例如金或银)形成的圆形裂环(split-ring)谐振器，不过多种不同类型的谐振单元的任何一种都可以被采用。依据实施例，对于每一个谐振单元组106，其中的谐振单元108关于至少一个几何特征在该特征的第一值和该特征的第二值之间被线性调频。因此，举例来说，所述谐振单元108具有在第一值D1和第二值D2之间成线性调频的直径“d”，如图1所示。

图2A示出了在所述复合材料102的表面104上的区域片段202，所述区域片段202包括本地谐振单元组106的非重叠的、基本等同的空间平铺(tiled)版本。图2B示出了可能入射到所述复合材料102上的电磁辐射的典型频谱，在该频谱内希望负有效磁导率和/或负有效介电常数，该频谱包括第一波长λ_c(其可能是，但不需要是，中心波长)以及所述第一波长λ_c周围的频谱邻域203，所述频谱邻域包括多个波长λ₁、λ₂、和λ₃。

作为例子但不是限制，可能希望复合材料102形成波分复用(WDM)光纤光学通信系统中的一块光学处理硬件的部件。在非频谱展宽的情况中，在该块硬件中利用的(harness)负有效磁导率和/或负有效介电常数行为可能受限于特定波长(例如1520nm)处的不可接受的窄波长范围。然而，在依据实施例的谐振单元108的至少一个几何特征是线性调频的频谱展宽情况中，对于该特定波长周围的更明显的频谱邻域203(例如20nm或40nm宽的邻域)上的多个波长，所述负有效磁导率和/或负有效介电常数行为可以被利用。频谱邻域203的位置和宽度依赖于材料的选择、谐振单元的类型、呈线性调频的几何特征的选择，线性调频的等级的数量，以及使用已知方法根据经验和/或通过模拟确定的相关因素，考虑到本教导，本领域技术人员不需过度实验就能得到这种确定。应该理解，尽管此处给出了红外波长范围的某些例子，但是频谱邻域区203在微波、红外、或光学波长范围中的任一个的实施例都在本教导的范围内。

依据实施例，本地谐振单元组106具有空间范围，例如图1所示的长度S_本地，所述空间范围不大于所述第一波长λ_c的量级。对于一个实施例，量级指的是大约10的因子，也就是说，所述空间范围S_本地不大于所述第一波长λ_c的大约10倍。对于另一个实施例，所述空间范围S_本地不大于所述第一波长λ_c的大约两倍。对于再一实施例，所述空间范围S_本地不大于大约所述第一波长λ_c。对于又一实施例，每个本地谐振单元组106占据的面积小于大约所述第一波长λ_c的平方(one square)。对于再一实施例，每个本地谐振单元组106占据的面积小于所述第一波长λ_c的平方的量级。应理解，谐振单元组106可采取多种不同的邻近的(contiguous)形状(例如，三角形、六边形、不规则的块状形状等)，并且形状上不局限于正方形或矩形。对于一个实施例，对于不规则、椭圆形、或具有不一致纵横比的形状而言，空间范围指的是沿主要尺寸的长度。

一般而言，随着每个本地谐振单元组106的空间范围变得更小，所提供的由入射电磁辐射“看到”的表面104上的响应更一致。同时，每个本地谐振单元组106的空间范围应该大得足以容纳充足数量的谐振单元108以包含要被线性调频的几何特征的足够不同的等级。大约为第一波长λ_c的空间范围S_本地提供一个在响应的空间一致性和该至少一个几何特征的线性调频等级的数量之间的特别好的折衷，线性调频等级的数量又与能够获得的频谱展宽的量相关。

进一步参考以上的WDM光学波长范围的非限制性例子，所述空间范围S_本地可大约为1.5微米并且谐振单元108可以是彼此的空间缩放版本，以5-10个不同的等级在例如100纳米和150纳米之间对它们的直径线性调频。然而，应理解，可替换空间尺度地或与空间尺度相结合地，多种其它几何特征的任一个可以被线性调频。这些其它几何特征的例子包括但不限于，图案形状，图案纵横比，图案类型、导体厚度、以及谐振单元间隔。线性调频的等级的数量可以是数十或数百个等级，或者可选地可以少至两个或三个等级，而不脱离本教导的范围。

图2C-2E示出了依据实施例的当复合材料在如图2B所示的频谱邻域203内的相应多个波长λ₁、λ₂、和λ₃接收入射辐射204时该复合材料的区域片段202’的概念图。区域片段202’包括平铺的多个本地谐振单元组206，每个本地谐振单元组206与前述图1中的本地谐振单元组106相似。为了清楚呈现，本地谐振单元组206的各个谐振单元的图从图2C-2E中省略。现在参考波长λ₁入射的图2C，在每个本地谐振单元组206内将存在对于波长λ₁至少部分谐振的谐振单元的第一子集205C。参考频谱邻域203中的第二波长λ₂入射的图2D，存在至少部分谐振的第二子集205D。参考频谱邻域203中的第三波长λ₃入射的图2E，存在至少部分谐振的第三子集205E。尤其对于本地谐振单元组206是平铺的并且具有波长量级或更小的有限空间范围的实施例，对于每个波长λ₁、λ₂、和λ₃在区域片段202’可看到明显一致的负有效磁导率和/或负有效介电常数特性。

对于图2C-2E的特定例子，假定线性调频的所述至少一个几何特征在空间上连续变化，使得每个本地谐振单元组206中的谐振单元的子集倾向于随着所述波长的变化而在其上迁移(205C→205D→205E)。另外，假定图2C-2E的线性调频的所述至少一个几何特征具有特定程度和布局的线性调频变化，使得所述迁移子集是邻接的并且当它们在其上迁移时保持它们的大小和形状。这种类型的一致性对于多种光学处理应用的任一种都是有用的，其中不同波长看到同样的响应，除非发生横向移动。在本发明的教导下本领域技术人员不需要过度的实验就可以容易获得实现这种响应的特定程度和布局的线性调频谐振单元。在下述图4A-4E中示出了线性调频谐振单元的这种布局的简化例子。然而，本教导的范围延伸到对于谐振单元的该至少一个几何特征的多种空间连续或不连续线性调频策略的任一种。

图3A-3B示出了复合材料的区域片段302的概念图，依据实施例区域片段302包括相同的本地谐振单元组306的平铺版本。对于这个实施例，假设线性调频的所述至少一个几何特征以不连续方式在空间上变化，其中每个本地谐振单元组306内的谐振单元的子集从一个波长到下一个波长在尺寸、形状、数量、和/或位置方面明显变化。因此，对于第一波长λ₁(图3A)存在如所示的以三个聚类出现的谐振单元的第一子集305A，而对于第二波长λ₂(图3B)存在如所示的以不同位置的两个聚类出现的谐振单元的第二子集305B。

图3A-3B的特定例子假定线性调频的该至少一个几何特征在空间上以随机或准随机的方式变化(例如参考下文的图4D)。术语“线性调频(chirped)”仍然适用，因为即使相对于线性调频的特性不是空间连续的，谐振单元的总体关于线性调频的几何特征在参数上是线性调频的。对于其他实施例，线性调频的该至少一个几何特征在空间上以空间规则(即，形成某种类型的图案)、但不连续(例如参见下文的图4C)的方式变化。对于规则/图案化的情况，任何特定本地谐振单元组中的谐振单元的子集看起来是规则或周期性的，不过该规则性或周期性的性质在不同波长中可能显著变化。对于随机情况以及规则/周期性情况，根据所述平铺的本地谐振单元组306，在复合材料的表面上总是存在大约一个波长或者更少的重叠周期性(overlying periodicity)，以促进对于每个波长λ₁、λ₂、和λ₃的一致响应。

图4A-4E示出了依据一个或多个实施例的可以合并到复合材料中的多种本地谐振单元组的一些。图4A中的本地谐振单元组402为矩形形状并且包含圆形裂环谐振器403，圆形裂环谐振器403的尺度以空间连续的方式从第一端到第二端进行线性调频。图4B中的本地谐振单元组404为六边形形状并且包含圆形裂环谐振器405，圆形裂环谐振器405的尺度以步进连续的方式按角度扇区进行线性调频。图4C中的本地谐振单元组406为正方形形状并且包含圆形裂环谐振器407，圆形裂环谐振器407的尺度以空间不连续但规则/图案化的方式(虽然相当复杂的图案)进行线性调频。图4D中的本地谐振单元组408为正方形形状并且包含圆形裂环谐振器409，圆形裂环谐振器409的尺度以空间上随机的方式进行线性调频。图4E中的本地谐振单元组410为矩形形状并且包括谐振单元411，谐振单元411在一端(底端)的开环(open ring)谐振器到另一端(顶端)的平行纳米线/棒之间的类型上线性调频，所述线性调频特性在本地谐振单元组410上是空间连续的。

图5示出了可与一个或多个实施例结合使用的许多不同谐振单元类型中的一些。谐振单元502包括正方形裂环谐振器结构503a以及线性导体元件503b，线性导体503b使在谐振频率附近获得负有效介电常数更容易。谐振单元504包括环形裂环谐振器，谐振单元506包括平行纳米线/棒谐振器，谐振单元508包括正方形开环谐振器，并且谐振单元510包括四个一组的旋转L形导体。

每个上述实施例提供的一个优点是采用无源部件实现了频谱展宽。然而，应理解连同频谱展宽一起提供增益也在本教导的范围内，如下面进一步描述的。

图6示出了依据实施例的谐振单元602，其具有可被线性调频的增益特性以及可被线性调频的至少一个几何特征。谐振单元602包括正方形开环导体604和光学增益介质606。所述光学增益介质606从外部泵浦源(没有示出)中光学泵浦(opfically pumped)并且具有包括入射电磁辐射的频谱邻域203(见上述图2B)的放大带，用于为其中的所述多个波长λ₁、λ₂、和λ₃的每一个提供增益。

光学增益介质606可以集成到支撑谐振单元602的介电结构(没有示出)中。作为示例但不是限制，在频谱邻域203处于所述WDM波长范围中的情况下，光学增益介质606可以包括依据InGaAsP/InGaAs/InP材料系统的体有源InGaAsP和/或多个量子阱。在后一种情况中，介电支撑结构可以包括100纳米厚的p-InP材料的顶层、100纳米厚的n-InP材料的底层、以及它们之间的垂直堆叠，所述垂直堆叠包括在7纳米厚的未掺杂的InGaAs上的5-12(或更多)个重复的6纳米厚的未掺杂的InGaAsP。具有可空间变化的几何特性和增益特性之一的其他谐振单元的例子能够在一个或多个下述共同受让的申请中找到：US2006/0044212A1；US2006/0109540A1；以及于2005年11月23日提交的序列号11/285910，代理人案号200503281-1，这些申请的每一个都在此引入以供参考。

图7示出了依据实施例的本地谐振单元组706，其能够在空间上平铺在表面上以形成依据实施例的复合材料。本地谐振单元组706包括关于至少一个几何特征以类似上述的图1-5的实施例中的方式线性调频的多个谐振单元709。特别地，尽管在图7的实施例中线性调频的特性(尺度)在空间上连续变化，在其它实施例一个或多个前述不连续空间变化可以被合并。每个谐振单元709还包括关联的增益介质709a以提供在感兴趣的频谱邻域中的增益。

根据实施例，光学增益介质709a的至少一个特性也在本地单元组706内被线性调频以提供在谐振单元709中的线性调频的增益量，如图7中的g1-g10所示。一般来说，因为普通本地谐振单元组的谐振单元往往相对于泵浦辐射的波长彼此非常接近，相应地，难以实现谐振单元中的泵浦光强的空间控制，在一个实施例中，增益的空间变化源于增益介质的固有的结构差异。对于这个实施例，可以通过改变光学增益介质绝对尺寸、与相关的谐振单元尺寸比较的光学增益介质相对尺寸、以及光学增益介质的半导体掺杂程度(包括量子点(quantumdot)的掺杂程度，其中量子点用作所述光学增益介质)而改变由每个光学增益介质709a提供的增益量。

在一个实施例中，增益g1-g10的线性调频量被调整以均衡复合材料对于感兴趣的频谱邻域的响应。因此，例如，在谐振单元组706的响应在没有任何增益材料时对于λ₁比对于λ₂强(λ₂＞λ₁)的情况下，这对应于具有较大谐振单元的某些组比具有较小谐振单元的某些组弱，可以增加提供给较大谐振单元的增益以便均衡在λ₁和λ₂处的响应。

尽管在阅读了前述描述后实施例的许多变化和修改对于本领域技术人员来说无疑是显而易见的，但是应理解作为例证示出和描述的特定实施例决不打算被认为是限制性的。作为示例，尽管前面描述的谐振单元的许多线性调频的几何特征影响有效磁导率，在大范围的其它实施例中，线性调频的几何特征与谐振单元的各方面有关，影响有效介电常数，例如线性导体的长度，或平行棒/纳米线谐振单元导体的纵向尺度。此外，尽管在许多上述实施例中谐振单元主要包括两维导体图案，但是在其它实施例中谐振单元是三维的(例如，用于增加的各向同性)，并且在每个本地谐振单元组中一个或多个平面外的垂直几何特征被线性调频。因此，对描述的实施例的细节的引用不打算限制它们的范围。