(57)【要約】  複合材料(100)及び関連する方法が説明され、複合材料(100)は、動作波長における入射する放射線(101)に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を示すように構成される。複合材料(100)は動作波長に比べて小さな寸法を有する電磁的に反応するセル(106)の配列を含む。各セル(106)は、動作波長における入射する電磁放射線に対するセル(106)の共鳴反応を高めるために、外部からパワーを供給される利得素子(110)を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの波長の入射する放射線（101）に対して負の実効誘電率及び負の実効透磁率の少なくとも一方を示すように構成された複合材料（100）であって、
前記波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セル（106）の配列を含み、各共鳴セル（106）が、前記波長における前記入射する放射線（101）に対する前記共鳴セル（106）の共鳴反応を高めるために、外部からパワーを供給される利得素子（110）を含む、複合材料（100）。
【請求項２】
各共鳴セル（106）がソレノイド共鳴器（108）を含み、前記外部からパワーを供給される利得素子（110）が、前記ソレノイド共鳴回路（108）に非常に接近して配置された光学利得材料を含み、前記光学利得材料が、前記動作波長を含む増幅帯域を有する、請求項１に記載の複合材料（100）。
【請求項３】
（ａ）前記波長が概ね１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲内にあり、前記光学利得材料が、バルク活性ＩｎＧａＡｓＰからなるか、又はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ材料系による複数の量子井戸からなるか、又は
（ｂ）前記波長が概ね３〜３０μｍの範囲内にあり、前記光学利得材料が鉛塩化合物からなるか、又は
（ｃ）前記波長が約１ｃｍの範囲内にあり、前記光学利得材料が、クロム注入アルミニウム酸化物からなる、請求項２に記載の複合材料。
【請求項４】
各共鳴セル（106）がソレノイド共鳴器（108）を含み、前記外部からパワーを供給される利得素子（110）が前記ソレノイド共鳴器（108）に結合された電気増幅回路を含む、請求項１に記載の複合材料。
【請求項５】
前記ソレノイド共鳴器（108）が、リング共鳴器パターン、正方形のスプリットリング共鳴器パターン（402〜404）、又はスイスロールのパターンに形成された１つ又は複数の導体からなる、請求項２〜４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項６】
各共鳴セル（106）が、前記共鳴セルに外部から供給される光パワーを伝達する光導波路（112）に結合され、各共鳴セル（106）が、前記利得素子（110）により使用するための、前記外部から供給される光パワーを局所的な電力に変換する電気光学変換デバイス（701）をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項７】
前記複合材料（100）に関連する雑音指数を低減するために、入射する放射線（101）の伝搬の方向に沿って遠くに存在する共鳴セル（106）ほど、伝搬の方向に沿って近くに存在する共鳴セル（106）よりも、前記ソレノイド共鳴器に結合する利得が少なくなるように構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項８】
動作波長において電磁放射線を伝搬させるための方法であって、
前記電磁放射線（101）の経路内に複合材料（100）を配置し、前記複合材料（100）が、前記動作波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セル（106）を含み、前記共鳴セル（106）は、前記複合材料（100）が前記動作波長に対して負の実効誘電率及び負の実効透磁率の少なくとも一方を示すように構成されており、及び
前記共鳴セル（106）の各々に外部パワーソース（114）からパワーを供給し、各共鳴セル（106）が、その中を伝搬する前記電磁放射線（101）の正味の損失を低減するために、そのパワーの少なくとも一部をその共鳴反応に結合するように構成されていることを含む、動作波長において電磁放射線を伝搬させるための方法。
【請求項９】
各共鳴セル（106）がソレノイド共鳴回路（108）を含み、
（ａ）前記パワーが、前記ソレノイド共鳴回路（108）に非常に接近して配置された光学利得材料によって結合され、前記光学利得材料が、前記動作波長を含む増幅帯域を有するか、又は
（ｂ）前記パワーが、前記ソレノイド共鳴回路（108）に結合された電気増幅回路によって結合される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの波長の入射する放射線（101）に対して負の実効誘電率及び負の実効透磁率の少なくとも一方を示すように構成された装置であって、
各々（106）が前記波長に比べて小さな寸法を有する、電磁的に反応するセル（106）の配列と、
前記入射する放射線そのものから生じない、外部からのパワーを、前記セルの各々に伝達するための手段（112、114）と、
前記入射する放射線が前記装置の中を通って伝搬する際に、前記波長における前記入射する放射線の損失を低減するために、各セルにおいて前記外部からのパワーを用いるための手段（108、110）とを含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分野
本特許明細書は、概して電磁放射線の伝搬に関し、より詳細には、入射する電磁放射線に対して負の実効透磁率、及び／又は負の実効誘電率を示すことができる複合材料に関する。
【０００２】
背景
近年、入射する電磁放射線に対して負の実効透磁率、及び／又は負の実効誘電率を示すことができる複合材料が大きな注目を集めている。そのような材料は、同義的に人工材料又はメタマテリアルと呼ばれることもあり、一般的には、入射する電磁放射線の波長に比べて、はるかに小さな寸法（例えば、２０％以下）を有する電磁共鳴セルの周期的なアレイを含む。入射する波面に対する任意の特定のセルの個々の反応は極めて複雑になる可能性があるが、共鳴セルの集合的な反応は、透磁率の項が実効透磁率によって置き換えられ、誘電率の項が実効誘電率によって置き換えられることを除いて、複合材料があたかも連続的な材料であるかのように、巨視的に記述され得る。しかしながら、連続的な材料とは異なり、共鳴セルは、種々の有用な放射線波長にわたって様々な範囲の実効透磁率及び／又は実効誘電率を達成することができるように、その磁気的特性及び電気的特性を変更するように操作され得る構造を有する。
【０００３】
特に興味を引くものとして、いわゆる負の屈折率材料があり、それは同義的に左手系材料又は負の屈折性材料と呼ばれることもあり、この場合、共鳴セルの大きさ、構造及び配列によって、１つ又は複数の波長に対して実効透磁率及び実効誘電率が同時に負になる。負の屈折率材料を応用できそうな工業分野は、λ／６まで、及びそれ以下の、回折限界よりもはるかに短い波長でも結像能力を有する、いわゆるスーパーレンズ、機上レーダ用の新しい設計、医療撮像用の高解像度核磁気共鳴（ＮＭＲ）システム及びマイクロ波レンズを含む。
【０００４】
負の屈折率材料を含む、そのような複合材料から有用なデバイスを実現する際に生じる１つの問題は、複合材料の中を通って伝搬する際に、入射する電磁信号が受ける大きな損失に関連する。従って、そのような複合材料内の信号損失を低減することが望ましい。さらに、種々の異なるスペクトル範囲にわたって動作する種々の複合材料に適用され得る、そのような損失を低減するための一般的な手法を提供することが望ましい。
【０００５】
概要
一実施形態によれば、複合材料が提供され、この複合材料は、動作波長における入射する放射線に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を示すように構成され、複合材料は動作波長に比べて小さな寸法を有する電磁的に反応するセルの配列を含み、各セルは、動作波長における入射する放射線に対するセルの共鳴反応を高めるために、外部からパワーを供給される利得素子を含む。
【０００６】
動作波長において電磁放射線を伝搬させるための方法も提供され、その方法は、電磁放射線の経路内に複合材料を配置することを含み、その複合材料は、動作波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セルを含み、それらの共鳴セルは、複合材料が動作波長に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を示すように構成される。各共鳴セルには、外部パワーソースからパワーが供給され、各共鳴セルは、その中を通って伝搬する電磁放射線の正味の損失を低減するために、そのパワーの少なくとも一部をその共鳴反応に結合するように構成される。
【０００７】
動作波長において電磁放射線を伝搬させるための複合材料も提供され、その複合材料は、動作波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セルの周期的なパターンを含む。それらの共鳴セルは、複合材料が動作波長において負の実効誘電率及び負の実効透磁率の少なくとも一方を示すように構成される。各共鳴セルは、伝搬する電磁放射線の供給源とは異なる外部パワーソースからパワーを受け取り、伝搬する電磁放射線の正味の損失を低減するために、そのパワーの少なくとも一部を、その共鳴反応に結合するように構成される。
【０００８】
また、少なくとも１つの波長の入射する放射線に対して負の実効誘電率及び負の実効透磁率のうちの少なくとも一方を示すように構成された装置も提供され、その装置は、その波長に比べて小さな寸法を有する電磁的に反応するセルの配列を有する。その装置は、入射する放射線そのものから生じない外部パワーをセルの各々に伝達するための手段を含む。その装置は、入射する放射線そのものから生じない外部パワーを、セルの各々に伝達するための手段をさらに含む。
【０００９】
詳細な説明
図１は、一実施形態による複合材料１００を示す。複合材料１００は、１つ又は複数の平面アレイ１０２を含み、各アレイは半導体基板１０４上に形成される。各平面アレイ１０２は共鳴セル１０６の配列を含み、各共鳴セル１０６は動作波長よりも小さな（例えば、２０パーセント以下）の寸法を有する。本明細書において用いられる際に、動作波長は、複合材料１００内で負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率が示されることになる、入射する放射線１０１の波長又は波長範囲を指している。従って、限定しない例として、所望の動作波長が１０μｍ付近の中赤外線領域内にある場合、各共鳴セル１０６の寸法、及び平面アレイ１０２間の距離はいずれも、約２μｍ／ｎ未満になるべきであり、その寸法が約１μｍ／ｎ以下の場合に、さらに良好な性能が示される。ただし、ｎは材料の屈折率を表す。本明細書において動作波長に言及する場合、一般的には自由空間波長を指しており、基板上の動作波長の文脈における寸法は、その動作波長における基板の屈折率に従って、必要に応じてスケーリングされることになることは理解されたい。
【００１０】
図１は、明確に説明するために簡略化された例を表しており、入射する放射線１０１の伝搬方向に沿って位置合わせされた１組の平面アレイ１０２だけを示すことは理解されたい。他の実施形態では、より多くの伝搬方向に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を助長するために、第１の組の平面アレイ１０２に対して垂直に第２の組の平面アレイを設けることができる。さらに別の実施形態では、さらに多くの伝搬方向に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を助長するために、第１の組の平面アレイ及び第２の組の平面アレイの両方に対して垂直に第３の組の平面アレイを設けることができる。
【００１１】
本教示の範囲から逸脱することなく、平面アレイ１０２間に、付加的な１組又は複数組の複合材料面及び／又は連続材料面を配置できることをさらに理解されたい。一例として、複合材料１００全体に対して、さらに大きな負の実効誘電率を与えるために、誘電体支持構造上にある垂直な導電性ワイヤからなる平面アレイを平面アレイ１０２と織り合わせることができる。平面アレイ１０２上にある共鳴セル１０６の数は、所望の全体寸法及び所望の動作波長に応じて、数百、数千又はそれ以上にすることができることをさらに理解されたい。
【００１２】
図１に示されるように、各共鳴セル１０６は、容量性及び誘導性の両方の特性を有し、且つ動作波長において入射する放射線と共鳴するように相互作用するように設計されている、導電性材料のパターンを含むソレノイド共鳴器１０８を備える。図１の特定の例では、導電性材料は、正方形のスプリットリング共鳴器パターンに形成されるが、例えば、円形のスプリットリング共鳴器パターン、スイスロールのパターン、又は類似の特性を示す他のパターンを含む、他のパターンを用いることもできる。
【００１３】
各共鳴セル１０６はさらに、動作波長を含む増幅帯域を有する利得素子１１０を設けられ、その利得素子１１０は、外部パワーソースからパワーを受け取るように結合される。利得素子１１０は、動作波長において入射する放射線に対する共鳴セルの共鳴反応を高めるように配置されて構成される。外部から供給されるパワーを共鳴セル１０６の反応に結合することによって、伝搬する放射線の損失が低減される。
【００１４】
図１の特定の例では、利得素子１１０は、図４においてさらに厳密に示される構成と同様の態様で、正方形のスプリットリングのノッチ付近に配置された光学利得素子からなる。光学利得素子１１０は、レーザ等の外部の光パワー源１１４からのポンプ光を用いてポンピングされる。光導波路１１２を用いて、ポンプ光が光学利得素子１１０まで伝達される。光学利得素子１１０は、ソレノイド共鳴器１０８において生じる共鳴場の相当な量が光学利得材料のかなりの部分を横切るように配置される。ポンプ光の量は、光学利得素子１１０が自らの上でレイジングし始めることになる量よりも少ない量に保たれるべきである。
【００１５】
限定のためではなく、一例として、所望の動作波長が、概ね１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲の近赤外線領域内にある場合、光学利得材料１１０は、バルク活性ＩｎＧａＡｓＰからなるか、及び／又はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ材料系による多数の量子井戸からなることができる。後者の場合、半導体基板１０４は、１００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰ材料の上側層と、１００ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ材料の下側層と、それらの間にある、７ｎｍ厚のドープされていないＩｎＧａＡｓの上に６ｎｍ厚のドープされていないＩｎＧａＡｓＰを重ねたものを５〜１２（又はそれ以上）回繰り返したものからなる垂直スタックとを含むことができる。所望の動作波長が、概ね１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲の近赤外線領域内にある場合、共鳴セルの寸法は、約３００ｎｍ未満にすべきであり、その寸法が約１５０ｎｍ以下である場合、さらに良好な性能を示す。イオン注入、無秩序化、パッシベーション等を含む既知のフォトリソグラフィ技術、及びＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）の製造及び／又はＳＯＡ（半導体光増幅器）の製造において用いられるような他の既知の技術を用いて、基板１０４の概ね不活性な領域を含む、光導波路１１２のような平面アレイ１０２の他の要素を形成することができる。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＮ及びＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓのような材料系が、７８０ｎｍ〜１．３μｍの範囲内の動作波長に使用され得る。代替の実施形態では、ウェーハ全体が、以下に説明される光ポンピング方式のうちの１つ又は複数を用いる光学的に活性な材料からなることができる。
【００１６】
図２は、共通の光ビームを用いて、１つ又は複数の共鳴セルにパワーが供給される、一実施形態による複合材料２００を示す。半導体基板２０４、共鳴セル２０６、ソレノイド共鳴器２０８及び光学利得素子２１０を含む平面アレイ２０２が、図１の実施形態と類似した態様で設けられる。しかしながら、ポンプ光源２１４を用いて、ポンプ光のビームが、平面外から平面アレイ２０２に与えられる。必用に応じて、基板２０４の背面の中に空のバイア（図示せず）を形成して、光学利得素子２１０の活性層までの途中で、ポンプ光が減衰するのを緩和することができる。
【００１７】
図３は、光ポンプの光が平面アレイ３０２のエッジに沿って提供される、一実施形態による複合材料を示しており、そのポンプ光は、光学利得材料の領域までウェーハの内部を伝搬する。本教示の範囲から逸脱することなく、ポンプ光を光学利得素子に提供するための他の方法を用いることもできる。
【００１８】
図４は、図１に類似した光学利得材料の第１の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セル４００を示す。共鳴セル４００は、外側リング４０２及び内側リング４０４を含むソレノイド共鳴器と、光学利得素子４０６及び４０８とを含む。動作波長が１０μｍである一実施形態では、複数の共鳴セルのピッチ（即ち、中心間距離）は１０９３ｎｍであり、内側リング４０２及び外側リング４０４の幅はそれぞれ１１５ｎｍであり、ノッチ幅Ａは１１５ｎｍであり、リング間間隙幅Ｂは１１５ｎｍであり、内側リング４０４の内側寸法Ｃは２８８ｎｍであり、外側リング４０２の外側寸法Ｄは９７７ｎｍである。約３μｍ〜３０μｍの範囲内の動作波長の場合、光学利得素子４０６及び４０８は、ＰｂＳ／ＰｂＳｒＳ多重量子井戸レーザ又はＰｂＳｎＴｅ／ＰｂＥｕＳｅＴｅ埋込み型へテロ接合ダイオードレーザのような中赤外線（ＭＩＲ）鉛塩レーザからなることができ、光学利得材料の増幅帯域が所望の動作波長を含むように、特定の構造及び材料が選択される。
【００１９】
ソレノイド共鳴器に対する光学利得材料の位置は、その共鳴場の相当量が光学利得材料のかなりの部分を横切るという条件で、変更され得る。図５は、光学利得素子５０６及び５０８の第２の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セル５００を示す。図６は、光学利得材料６０６の第３の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セル６００を示す。
【００２０】
光学利得材料を用いて、共鳴セルにパワーが供給される場合、所望の動作波長を含む増幅帯域を有する適切な利得材料を選択することによって、多種多様な任意の動作波長を達成することができる。光学利得材料の選択は、必ずしも光学レーザには限定されない。実際には、動作波長はスペクトルの下方に、さらにはマイクロ波周波数までの下方に良好に延長することができる。一実施形態では、例えば、１．５ｃｍ（２０ＧＨｚ）の動作波長は、Ｋバンド進行波ルビーメーザにおいて用いられることが知られているルビー（ＣｒドープトＡｌ２Ｏ３）の光学利得媒体を用いることによって提供される。この場合、共鳴セルの寸法は約１．５ｍｍであり、ルビー基板は約１ｍｍ厚である。ポンプ波長が概ね増幅帯域内にある、上述した他の光学利得媒体とは異なり、ルビー材料は、ゼーマン分裂に起因して、約５０ＧＨｚにおいてポンピングされるであろう。他の違いとしては、ルビー利得材料は通常、液体ヘリウム温度での動作を要求するので、温度制御要件が挙げられる。それにもかかわらず、マイクロ波放射線が使用される多くの実用的な用途（例えば、ＭＲＩ、レーダ）の故に、マイクロ波波長における動作は、パワーを供給される共鳴セルを用いる複合材料の魅力的な実施形態を表す。
【００２１】
図７は、光学利得素子７０６及び７０８が電気的にポンピングされる、一実施形態による複合材料の共鳴セル７００を示す。この実施形態では、光パワーが、共鳴セル７００に与えられ（例えば、図１の光導波路１１２を用いて）、その後、フォトダイオード７０１及び７０２を用いて、局所的な電力に変換される。この局所的な電力はその後、光学利得素子７０６及び７０８をポンピングするために、ポンプ回路（図示せず）に与えられる。電力を搬送する電線は複合材料全体の動作を混乱させる可能性があるが、外部からの電力を共鳴セルまで搬送するための電線は不要であるので、好都合である。小型の共鳴セルを用いるデバイスの場合、光導波路１１２は、半導体基板材料内に形成されることができ、一方、大型の共鳴セルを用いるデバイスの場合には、光導波路１１２は光ファイバからなることができる。
【００２２】
図８は、共鳴反応を高めるために電気増幅回路を含む、一実施形態による複合材料の共鳴セル８００を示す。種々の動作波長において適用可能であるが、図８の実施形態は、０．４ｃｍ未満から１５ｃｍを超える範囲内（８０ＧＨｚよりも大きく、２ＧＨｚ以下に至るまで）のマイクロ波波長に特に好都合である。２ＧＨｚの動作周波数の場合、図８の外側リング８０２の寸法Ａは約１．５ｃｍである。電気増幅回路は、図示されるように外側リング８０２と内側リング８０４との間に結合された、電界効果トランジスタ８０６と、位相制御回路８０８とからなる。図７の光導波路／フォトダイオード回路（図８には示されない）を用いて、電力が供給される。
【００２３】
図９は、電界効果トランジスタの代わりにトンネルダイオード９０６が用いられることを除けば、図８に類似している一実施形態による複合材料の共鳴セル９００を示す。トンネルダイオード９０６は、図示されるように、外側リング９０２と内側リング９０４との間で位相制御回路９０８と結合され、その負性抵抗領域において動作するようにバイアスをかけられる。また、図７の光導波路／フォトダイオード回路（図９には示されない）を用いて、電力も供給される。
【００２４】
別の実施形態によれば、複合材料が提供され、その複合材料は動作波長において入射する放射線に対して負の実効誘電率及び／又は負の実効透磁率を示すように構成され、その複合材料は、パワーを供給される共鳴セルの配列を含み、入射する放射線の伝搬方向に沿って遠くに存在する共鳴セルの利得素子ほど、その伝搬方向に沿って近くに存在する共鳴セルの利得素子よりも小さな量の利得を与えるように構成される。全体として同じ利得を有するが、遠くの利得も近くの利得も同じである実施形態と比べると、遠くの利得よりも、近くにいくほど利得が高くなる実施形態は、全体的な雑音指数が小さくなる。
【００２５】
上記の説明を読んだ後に、これら実施形態の多くの変更及び修正が当業者にはおそらく明らかになるが故に、例示として示されて説明された特定の実施形態が、決して、限定するように見なされることを意図していないことは理解されたい。一例として、上記のいくつかの実施形態は負の屈折率材料の文脈において説明されるが、それらの実施形態の特徴及び利点は、他の複合材料の文脈においても容易に適用することができる。それらの例には、透磁率及び誘電率が反対の符号を有する、いわゆる無限（indefinite：不定）の材料（マテリアル）（ＷＯ２００４／０２０１８６Ａ２を参照されたい）が含まれる。
【００２６】
さらなる例として、パワーを供給される共鳴セルは、実施形態の範囲から逸脱することなく、より大きな複合材料の一部のみの上に、又は異方性複合材料の取り得る方向の一部に合わせて実施されることができるか、又はより大きな複合材料の一部として、１つ又は複数の方向において、連続的な材料と交互配置されることができる。さらに別の例として、本実施形態の範囲から逸脱することなく、複合材料層、又は複合材料若しくは連続的な材料の付加的な層の種々のパラメータ及び／又は寸法をリアルタイムに、又は概ねリアルタイムに変調する（modulate：調節する）ことができる。従って、説明された実施形態の詳細を参照することは、それらの実施形態の範囲を限定することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】光導波路を用いて、１つ又は複数の共鳴セルにパワーを供給する、一実施形態による複合材料を示す図である。
【図２】光ビームを用いて、１つ又は複数の共鳴セルにパワーを供給する、一実施形態による複合材料を示す図である。
【図３】共鳴セルが配置される基板のエッジに光パワーが供給される、一実施形態による複合材料を示す図である。
【図４】光学利得材料の第１の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図５】光学利得材料の第２の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図６】光学利得材料の第３の空間的配置を有する、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図７】光学利得材料が電気的にポンピングされる、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図８】電界効果トランジスタを含む電気増幅回路を備える、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図９】トンネルダイオードを含む電気増幅回路を備える、一実施形態による複合材料の共鳴セルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2008512897.tif 000012
2008512897.tif 000013
2008512897.tif 000014