(57)【要約】  入射する電磁放射（１１０）の伝搬を制御するための装置（１００）が説明され、この装置は入射する電磁放射（１１０）の波長に比べて小さな寸法の電磁応答セル（１０６）を有する複合材料（１０２）を含む。電磁応答セル（１０６）のうちの少なくとも１つのセルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御して、複合材料（１０６）の中を伝搬する間に入射する電磁放射（１１０）に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御できるようにする。
2008521060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する電磁放射（１１０）の伝搬を制御するための方法であって、
前記入射する電磁放射（１１０）の経路内に、前記入射する電磁放射の波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セル（１０６）を含む複合材料（１０２）を配置すること、及び
前記複合材料（１０６）の中を伝搬する間に前記入射する電磁放射（１１０）に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御するため、前記共鳴セル（１０６）のうちの少なくとも１つの共鳴セルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御することを含むことを特徴とする、入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法。
【請求項２】
前記共鳴（１０６）セルはそれぞれ、少なくとも１つの電気導体（４１０、４１２）と、１つの基板（４０４、４０６、４０８）とを含み、
前記時間的に制御することは、該基板内のキャリア集団を制御することを含むことを特徴とする、請求項２に記載の入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法。
【請求項３】
前記基板は、或るバンドギャップエネルギーを有する半導体材料（４０４）を含み、
前記入射する電磁放射（１１０）の前記波長は、前記バンドギャップエネルギーに対応するバンドギャップ周波数未満の第１の周波数に対応し、
前記キャリア集団を制御することは、前記バンドギャップ周波数以上の第２の周波数において、制御放射（１１２）を前記共鳴セル（１０６）に導入することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法。
【請求項４】
前記複合材料（１０２）の中を伝搬させるために、信号入力（１０８、１１０））において前記入射する電磁放射（１１０）を受信すること、
前記共鳴セル（１０６）に導入するために、変調入力（１０８、１１２）において、前記制御放射（１１２）を受信すること、及び
前記変調入力に従って変更されるのに応じて、前記複合材料（１０２）の中を伝搬する際に前記入射する電磁放射によって形成される出力信号（１２０）を出力デバイス（１１８）において受信することをさらに含み、
該出力デバイス（１１８）は、前記変調入力に従って、可変の割合の前記入射する電磁放射を受信する、空間的に一定の受信面を含み、それにより、光スイッチ、光変調器、光結合器及び光トランジスタのうちの１つによる機能が達成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載の入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法。
【請求項５】
前記共鳴セル（１０２）は前記入射する電磁放射を受信する表面（１０４）を形成し、
前記方法は、変調強度パターンに従って、前記表面上に前記制御放射（１１２）を送信することをさらに含み、
前記共鳴セルは、前記変調強度パターンに従って、前記入射する電磁放射内の位相情報を空間的に変調し、
前記変調強度パターンは、（ｉ）実像、又は（ｉｉ）参照ビームと物体ビームとの間の干渉パターンのうちの１つによって形成され、該参照ビーム及び該物体ビームはそれぞれ前記制御放射から導出され、異なる角度で前記表面に向かって誘導されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法。
【請求項６】
複数の電磁応答セル（１０６）を含む複合材料（１０２）と、
前記複合材料の中を伝搬させるために前記複合材料（１０２）の表面（１０４）上に、前記電磁応答セル（１０６）のそれぞれの大きさよりもはるかに大きな波長を有する入射する放射（１１０）を加えるための手段（１０８）と、
前記複合材料（１０２）の中を伝搬する間に前記入射する放射（１１０）に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御するのを容易にするよう、前記複数の電磁応答セル（１０６）のうちの少なくとも１つの電磁応答セルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御するための手段（１０８、１１２）とを備えることを特徴とする、装置。
【請求項７】
前記電磁応答セル（１０６）はそれぞれ、少なくとも１つの電気導体（４１０、４１２）と、１つの基板（４０４、４０６、４０８）とを含み、
前記時間的に制御するための手段は、該基板内のキャリア集団を変調することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記基板は、或るバンドギャップエネルギーを有する半導体材料（４０４）を含み、
前記入射する電磁の前記波長は、前記バンドギャップエネルギーに対応するバンドギャップ周波数未満の第１の周波数に対応し、
前記バンドギャップ周波数以上の第２の周波数において、制御放射（１１２）を前記電磁応答セル（１０６）に導入することにより、前記キャリア集団が変調されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記実効屈折率は、０よりも小さな第１の値と、０よりも大きな第２の値との間で時間的に制御されることを特徴とする、請求項６から８のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】
供給元の放射を第１の横モードパターン（１１０２）を有するソースデバイス（１００４）から第２の横モードパターン（１２０２）を有するターゲットデバイス（１００６）に結合するための結合装置（１００２）であって、
前記供給元の放射の周波数において負の実効屈折率を示す共鳴セル（１０６）を有する複合材料（１０２）を含み、
該複合材料は前記ソースデバイス（１００４）から前記供給元の放射を受信し、前記共鳴セルの誘導性及び容量性のうちの少なくとも一方が、該共鳴セル間で空間的に変更され、前記ソースデバイス（１００４）から受信される前記供給元の放射が、前記ターゲットデバイス（１００６）の前記第２の横モード（１２０２）パターン上で結像されるようにすることを特徴とする、結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許明細書は包括的には、光変調、光スイッチング、又は任意の種々の他の有用な目的のために電磁伝搬を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁放射の伝搬を時間的に制御するためのデバイスは、数多くの最新技術のための基本的な構成ブロックの典型である。光ファイバ通信において信号が光ファイバの中を伝搬する場合のように、空間的な１次元が関係している場合、そのような制御は一般的に、デバイスが伝搬している光の振幅に影響を及ぼす（たとえば、オフ／オンする）ことによって達成される。その環境では、多くの場合に、印加される制御信号に応答して屈折率が変化する、方解石、石英及びニオブ酸リチウムのような電気光学及び／又は磁気光学材料に基づく１次元電気光学変調器が用いられ、それらの材料はマッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を、又は誘発された位相変化を干渉効果によって振幅変化に変換する類似のデバイスを構成するように配列される。他の１次元電気光学変調器は、かけられる電界に応じて入射信号を可変的に吸収する電気吸収型変調器、及び結晶又は平面導波路内を進行する高周波音波を用いて、１つの場所から別の場所に光を偏向させる音波変調器を含む。電力処理能力が制限されることのような、数ある問題の中でも、上記の変調器はそれぞれ、帯域幅の制約が大きく、たとえば、オンとオフとの間で出力信号を変更することができる速さに実用上の制約がある。一例として、上記の電気光学／磁気光学効果型変調器のうちの多く、及び上記の電気吸収型変調器の多くの最大ビット速度は、概ね１０〜４０ＧＨｚであり、一方、多くの音波変調器の最大ビット速度はさらに低い。
【０００３】
空間的に２次元が関係している場合、たとえば、結像系において電磁的な波面を制御しながら伝搬させる場合には、伝搬している放射を時間的に制御するためのデバイスは、液晶を利用する空間光変調器（ＳＬＭ）、及び微小電気機械（ＭＥＭ）を利用するＳＬＭを含み、それぞれ一般的には、伝搬している放射をピクセル毎に振幅又は位相変調できるようにする。数ある問題の中でも、これらのＳＬＭタイプはそれぞれ、帯域幅の制約が大きい。いくつかの液晶ＳＬＭは、電気的な制御信号ではなく、光学的な制御信号を用いることができるが、それにもかかわらず、ピクセル応答時間は、概ね数マイクロ秒（２値）又は数ミリ秒（アナログ）である。市販されているＭＥＭｓ  ＳＬＭの１つのタイプである、いわゆるデジタルマイクロミラーデバイスの場合の典型的な応答時間は、数マイクロ秒である。伝搬している放射を１次元又は２次元で制御するための上記のデバイスに関連する他の問題は、消費電力、電力処理能力、大きさ及び環境的な配慮を含む。
【０００４】
電磁放射の伝搬を制御することを伴う１つの特定のシナリオは、ポンプレーザ光をターゲットデバイスに結合することに関する。これは、半導体ダイオードレーザからのポンプ光を用いて、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のコアを光学的にポンピングするため等の、数多くの場合に望ましい目的であり得る。半導体ダイオードレーザに損傷を与えることなく、より高い（たとえば、１ワット以上の）電力を放射するのを容易にするために、多くの場合に、半導体ダイオードレーザのレーザー出射面が相対的に大きくされる。半導体ダイオードレーザの横モードは極めて不規則になる可能性があり、光が、たとえば、概ね０．３〜０．４の開口数で放射される可能性がある。しかしながら、ＥＤＦＡコアは通常、小さな円形モードを有し、それよりも小さな、たとえば約０．２の開口数でしか光を受信することができない。テーパ光ファイバ及び円柱レンズを用いて、ポンプ光をＥＤＦＡコアに結合すると、効率が相対的に低くなる可能性がある。より一般的には、第１の横モードパターンを有するソースデバイスからの供給元の放射を、第１の横モードパターンとは大きく異なることがある第２の横モードパターンを有するターゲットデバイスに結合することが望ましい目的であろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、上記の１次元及び２次元のうちの少なくとも１つとの関連では、上記の問題のうちの１つ又は複数を少なくとも部分的に解決するように、電磁放射の伝搬を制御することが望ましいであろう。そのような制御能力に基づいて、１つ又は複数の有用なデバイスを提供することがさらに望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施の形態によれば、入射する電磁放射の波長に比べて小さな寸法の電磁応答セルを有する複合材料を含む、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置が提供される。電磁応答セルのうちの少なくとも１つのセルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御して、複合材料の中を伝搬する間に入射する電磁放射に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御できるようにする。
【０００７】
入射する電磁放射の経路内に複合材料を配置することを含む、入射する電磁放射の伝搬を制御するための方法も提供され、その複合材料は、入射する電磁放射の波長に比べて小さな寸法を有する共鳴セルを含む。その方法は、共鳴セルのうちの少なくとも１つのセルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御して、複合材料の中を伝搬する間に入射する電磁放射に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御することをさらに含む。
【０００８】
複合材料を含む装置も提供され、その複合材料は電磁応答セルを含み、その装置は、複合材料の中を伝搬させるために、その表面上に、入射する放射を加えるための手段をさらに備える。入射する放射は、各電磁応答セルの大きさよりもはるかに大きな波長を有する。その装置は、電磁応答セルのうちの少なくとも１つのセルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御して、複合材料の中を伝搬する間に入射する放射に作用する、関連する実効屈折率を時間的に制御するのを容易にするための手段をさらに備える。
【０００９】
信号ビームを受信する信号入力と、制御ビームを受信する制御入力と、信号ビームの波長に比べて小さな寸法の共鳴セルを含む複合材料とを含む、光トランジスタも提供される。その複合材料は、信号入力から信号ビームを受信する表面を形成し、その表面は制御入力から制御ビームも受信する。共鳴セルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方が、その表面にわたる複合材料の実効屈折率を制御するための制御ビームによって制御される。制御ビームによって制御されるのに応じて、共鳴セルの中を伝搬する信号ビームによって出力信号が形成される。
【００１０】
第１の横モードパターンを有するソースデバイスからの供給元の放射を、第２の横モードパターンを有するターゲットデバイスに結合するための結合装置も提供される。その結合装置は、供給元の放射の周波数において負の実効屈折率を示す共鳴セルを有する複合材料を含み、その複合材料は、ソースデバイスから供給元の放射を受信する。共鳴セルの誘導性及び容量性のうちの少なくとも一方が、共鳴セル間で空間的に変更され、ソースデバイスから受信される供給元の放射が、ターゲットデバイスの第２の横モードパターン上で結像されるようにする。
【００１１】
第１の横モードパターンを有するソースデバイスからの供給元の放射を、第２の横モードパターンを有するターゲットデバイスに結合するための方法も提供される。複合材料が供給元の放射の経路内に配置され、その複合材料は、供給元の放射の周波数において負の実効屈折率を示す共鳴セルを有する。共鳴セルの誘導性及び容量性のうちの少なくとも一方が、共鳴セル間で空間的に変更され、ソースデバイスから受信される供給元の放射が、ターゲットデバイスの第２の横モードパターン上で結像されるようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、一実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置１００を示す。装置１００は、平面アレイ１０４を形成する、１つ又は複数の基板上に形成される、電磁応答セル又は共鳴セル１０６の配列を含む複合材料１０２を備える。装置１００は信号ビーム１１０の形で入力する電磁放射を受信し、制御ビーム１１２の形で制御放射をさらに受信する入力光学系１０８をさらに備える。図１の実施形態では、信号ビーム１１０及び制御ビーム１１２は、たとえば、光ファイバを介して入力光学系１０８に与えられる１次元の光ビームである。装置１００はさらに、複合材料１０２の中を伝搬した後、出力ビーム１２０として現われる入射する電磁放射を受信する出力光学系１１８も備える。
【００１３】
本明細書では、光信号（たとえば、赤外線、可視光、紫外線）の伝搬が説明されるが、本教示の範囲は光信号には限定されず、むしろ、無線周波数放射及びマイクロ波からＸ線放射までの範囲の、複合材料の中に導入され、複合材料の中を伝搬した後に受信又は収集されることができる、任意のタイプの電磁放射を含むことができることを理解すべきである。とりわけ、放射が一端から複合材料の中に入って伝搬し他端から現われる（たとえば、図面においては左から右に伝搬する）例に関して与えられるが、本明細書において用いられるような伝搬は、放射が一端から複合材料の中に入って伝搬し、同じ端部から現われる反射の事例も対象にすることができる。
【００１４】
複合材料１０２の共鳴セル１０６は、信号ビーム１１０の波長に比べて小さな寸法（たとえば、２０パーセント以下）を有することが好ましい。他に指示がなければ、規定された波長によって本明細書において特徴付けられる放射は自由空間波長に関して与えられており、その波長の周波数は自由空間の光の速さを、その規定された波長で割った値に等しい。入射する波面に対する任意の特定の共鳴セル１０６の個々の応答は、極めて複雑になる可能性があるが、共鳴セル１０６の集合的な応答は、透磁率項が実効透磁率によって置き換えられ、誘電率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１０２があたかも連続的な材料であるかのように、巨視的に記述することができる。したがって、複合材料１０２に言及するために、用語「人工材料」又は「メタマテリアル」が用いられることもある。
【００１５】
図１の特定の例では、各共鳴セル１０６は、容量性及び誘導性の両方を有する導電性材料のパターンを含むソレノイド共鳴器を備える。図１の特定の実施形態では、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作られるが、たとえば、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。限定ではなく一例として、信号ビーム１１０は１．５５μｍの波長を有することができ、その場合、共鳴セル寸法は、約３００ｎｍ未満であるべきであり、その寸法が約１５０ｎｍ以下である場合に、さらに良好な性能を示すであろう。
【００１６】
本明細書において記述される共鳴素子１０６から成る平面アレイ１０４を含む複合材料１０２は一般的には、フォトリソグラフィ技法及び／又はナノインプリントリソグラフィ技法を用いて、容易に製造することができる。数多くの異なる大きさが実現可能であるが、複合材料１０２は、約０．３ｍｍ×０．３ｍｍの面積を占めるような正方形の１０００×１０００の共鳴素子１０６のアレイを含むことができる。平面アレイ１０４のための基板材料は、信号ビーム１１０の波長において、概ね光を吸収すべきではない。したがって、ＧａＡｓ又はＳｉを含む基板材料が、１．５５μｍの信号ビーム波長のために適しているが、本教示の範囲はそれには限定されない。
【００１７】
各共鳴セル１０６のスプリットリング共鳴器パターン、又は本教示による類似の構造の１つの顕著な特徴は、特定の周波数の電磁放射が存在するときに、共鳴条件を引き起こすように相互作用することができる誘導性及び容量性をもたらすことである。一般的に言うと、共鳴セル１０６が、図１の配列のような規則的に配列された構成で配置されるときに、この共鳴条件が、共鳴セル１０６に隣接する共鳴セルの容量と関連付けられて、負の実効透磁率及び／又は負の実効誘電率を示すようになる。複合材料１０２、すなわちその中にある隣接する共鳴セル１０６の集合体は、実効透磁率及び実効誘電率が同時に負であるときに、負の実効屈折率を有すると言われる。一実施形態では、複合材料１０２は、正の屈折率の光学デバイスの回折限界を越える場合であっても、非常に高い解像度で結像することができる、いわゆるスーパーレンズに形作られる。
【００１８】
一実施形態によれば、共鳴セル１０６のうちの１つ又は複数のセルの容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を時間的に制御して、制御されるセルの隣接するセル内の実効屈折率の時間的な制御を達成する。共鳴条件はこれらの特性に大きく影響を受けやすいので、これらの特性に影響を及ぼす局所的な環境をわずかに変化させるだけでも、共鳴条件を制御し、操作することができる。一実施形態では、基板内の電気的なキャリア集団が、好ましくは、制御放射、すなわち信号ビーム１１０の周波数とは異なる周波数を有する制御ビーム１１２をセルに導入することによって、外部から制御される。キャリア（たとえば、電子又は正孔）の存在は、大きく且つ有用な実効屈折率の制御が達成されるように、共鳴条件を変更し、且つ共鳴を破壊する場合もあるような十分な量だけ容量性及び／又は誘導性に影響を及ぼす。とりわけ、キャリアの存在は、基板材料がＧａＡｓを含むとき等のように、基板材料の本来の屈折率にも影響を及ぼすことができる。この本来の屈折率がわずかな量、たとえば０．１％〜１％の範囲内で変化するだけでも、共鳴条件を変更するのに十分である。
【００１９】
好ましくは、共鳴セル１０６の導体の近くにある基板材料は、制御ビーム１１２の周波数の放射を受信するのに応答してキャリア集団が変化を受けるように変更され、構成される。一実施形態では、基板は、或るバンドギャップエネルギーと、対応するバンドギャップ周波数とを有する半導体材料を含み、制御ビームは、そのバンドギャップ周波数以上の周波数を有する。制御放射は吸収され、実効屈折率を制御するようにキャリアが生成される。対照的に、信号ビーム１１０は、好ましくはバンドギャップ周波数未満の周波数であり、それゆえ、信号放射は吸収されず、キャリアの生成に大きく影響を及ぼさない。したがって、信号ビーム１１０の伝搬が、実効屈折率の変化を介して、制御ビーム１１２によって制御される。とりわけ、実効屈折率は空間的に、且つ時間的に制御することができ、それゆえ、本教示に従って、１次元光変調器及び２次元空間光変調器を含む、広範囲の有用なデバイスを実現することができる。複合材料によって信号ビームを空間的且つ時間的に制御することは主に、複合材料に入射する波面において引き起こされる相変化の形をとる。
【００２０】
限定ではなく一例として、複合材料１０２において用いられ得るようなＧａＡｓ基板は、約１．４３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができる。これは、８６７ｎｍの波長に相当するバンドギャップ周波数に対応する。制御ビーム１１２は、バンドギャップ周波数よりも高い周波数を、すなわち８６７ｎｍよりも短い波長を有するべきである。信号ビーム１１０は、バンドギャップ周波数よりも低い周波数を、すなわち８６７ｎｍよりも長い波長を有するべきである。
【００２１】
有利なことに、制御ビーム１１２の変化に応答するＧａＡｓ基板又はＳｉ基板のキャリア集団の出現及び消滅は極めて短い時間に生じることができ、空間的に変化するにしても、全体として表面にわたって均一であるにしても、複合材料１０２の実効屈折率を時間的に、極めて迅速に制御できるようになる。それゆえ、約１００ＧＨｚで、キャリア集団の出現及び消滅時間が数ピコ秒である場合であっても、極めて速い変調速度を実現することができる。
【００２２】
一実施形態では、図１の装置１００は、光トランジスタとして構成することができ、信号ビーム１１０が制御ビーム１１２によって変調され、出力ビーム１２０を出力する。詳細には、制御ビーム１１２の振幅（図１のプロット１１３「ＣＴＬ」を参照）が、（ｉ）複合材料１０２が信号ビーム１１０（図１のプロット１１１「ＩＮ」を参照）を出力光学系１１８（図１のプロット１２１「ＯＵＴ」を参照）上に適切に合焦する第１の値（オン）と、（ｉｉ）複合材料１０２が信号ビーム１１０を出力光学系１１８上に適切に合焦しない第２の値（「オフ」）との間で変調される。とりわけ、種々の異なる実効屈折率値及びプロファイルのいずれかによって、焦点外れ又はビームの向きの変更のような「オフ」状態を達成することができる。一実施形態では、「オフ」状態は、複合材料１０２全体にわたって負の実効屈折率を得るために必要とされる共鳴条件を迅速且つ完全に破壊し、その後、「オン」状態にするために共鳴条件を迅速に復元することによって達成される。
【００２３】
入力光学系１０８及び出力光学系１１８は、本明細書において記述される機能を達成することができる正の屈折率の結像系を含む。一例として、入力光学系１０８は、信号ビーム１１０及び制御ビーム１１２を合成して１つのビームにする光ファイバ結合器を含むことができる。その後、入力光学系１０８は、その１つのビームを、より大きな面積の複合材料１０２の第１の平面アレイ１０４上に結像する結像レンズを含むことができる。出力光学系１１８は、出力ビーム１２０を集光し、誘導するように設計される種々の光学系のいずれかを含むことができる。入力光学系１０８及び出力光学系１１８は、複合材料の前面及び背面のそれぞれから約１０〜５００μｍの距離離隔することができる。有利なことに、複合材料１０２が「完全なレンズ」を含む場合、開口数要件が大きく緩和され、低コストの集光デバイスを用いることができる。
【００２４】
図１に例示される波形において示されるような、一定レベルの信号ビームのオン／オフ変調のための実用的な用途は、光ゲーティング及び波長変換を含む。図２及び図３は、他の実施形態による、図１の装置に関連して用いることができる別の信号波形を示す。図２は、一定レベルの信号ビームのアナログ変調を示しており、実効的には制御ビームのアナログ増幅（及び波長変換）を実行する。このアナログの実施態様は、複合材料１０２の実効屈折率のわずかな変化を達成するほど十分に正確であるような、制御ビームの細かい時間変化を用いて達成することができる。これは、負の実効屈折率特性が全体として、２値で生成され、破壊される代替の実施形態とは対照的である。図３は、制御ビームの細かい時間変化で同じように実施することができるアナログ信号ビームのレベル制御を示す。
【００２５】
図４は、一実施形態による、図１の複合材料１０２において用いることができる共鳴セル４０２の一部を切り取った斜視図である。一実施形態では、ソレノイド共鳴構造の外側導体４１０及び内側導体４１２が基板上に形成され、その基板は、ｐドープＧａＡｓ上側層４０４及びｐドープＧａＡｓ中間層４０６を含み、中間層４０６は上側層４０４よりも高濃度にドープされる。その基板は、ドープされないか補償されているかのいずかである、半絶縁性ＧａＡｓを含む支持層４０８をさらに含む。金属−半導体界面が、上側層４０４と導体４１０及び４１２との間に形成され、光子吸収によって生成されるキャリアが、その界面を越えて流れ、受信される制御放射の強度に応じて、共鳴セル４０２の容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を大きく変更する。
【００２６】
とりわけ、本教示は、信号光とは異なる波長を有する制御光に応答して、共鳴セル４０２の容量性及び誘導性のうちの少なくとも一方を変更することができる種々の機構のいずれかを対象にする。他の実施形態では、上側層４０４内にｎドープ材料を配置することができる。さらに他の実施形態では、ＧａＡｓ又はＳｉの単一の半絶縁層を用いることができ、それでも、適度なキャリア集団が、実効屈折率を変更するのに十分な量だけ、共鳴条件を変更する。
【００２７】
図５は、一実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置５００を示しており、その装置は、平面アレイ５０４を形成する１つ又は複数の基板上に形成される、共鳴セル５０６の配列を有する複合材料５０２を含む。装置５００は、信号ビーム５１０の形で入射する電磁放射を受信する入力光学系５０８をさらに含み、複合材料５０２の中を伝搬した後、出力ビーム５２０として現われる信号放射を受信する出力光学系５１８をさらに含む。１つ又は複数の入射する制御信号５１２が、図５に示されるように、基板の縁部に導入され、基板キャリア集団を制御することによって、信号ビーム５１０の時間的な１次元制御を達成する。一実施形態では、基板は、制御信号５１２が基板エリアを横方向から「照らす」ことができるように構成されるが、代替の実施形態では、導波路を用いて、光を共鳴セル５０６の中に誘導することができる。図５の構成の１つの潜在的な利点は、先行する層が制御光を吸収することに起因して、後続の層が少ない制御光しか受信できない図１の実施形態とは対照的に、制御光が平面アレイ５０４の中でそれぞれ均等に分布できることである。別の実施形態では、制御光は、所望の制御プロファイルに応じて、平面アレイ５０４の中で分布することができる。
【００２８】
図１及び図５は、本教示に従って、制御光を複合材料に加えることができる種々の方法のうちのいくつかを表すにすぎないことは理解されたい。本教示の範囲から逸脱することなく、制御光を、前面、背面、側面等から加えることができる。たとえば、図６〜図８は、さらに他の実施形態による、複合材料６０２、７０２及び８０２をそれぞれ用いて、制御ビーム（ＣＴＬ）で信号ビーム（ＩＮ）を制御し、出力ビーム（ＯＵＴ）を生成するための構成を示す。
【００２９】
図６の例では、信号ビーム及び制御ビームがそれぞれ、信号入力光学系６０４及び制御入力光学系６０６を用いて、複合材料６０２の前面受信表面に個別に加えられる。制御入力光学系６０６は、所望の時間変調方式に従って量を変更することによって信号ビームを出力光学系６０８上に結像するような強度パターンに従って、制御ビームが複合材料６０２に作用するように構成される。図７の例は、信号入力光学系７０４、制御入力光学系７０６及び出力光学系７０８を用いて類似の結果を達成するが、制御入力光学系７０６が、制御光を、複合材料７０２の背面上に導入することが異なる。図８の例は、信号入力光学系８０４及び制御入力光学系８０６を用いる二方向スイッチングを達成し、制御ビームの第１の状態では、複合材料８０２は信号ビームを第１の出力光学系８０８上に合焦し、制御ビームの第２の状態では、複合材料８０２は、信号ビームを、第２の出力光学系８０８上に合焦する。
【００３０】
図９は、空間的及び時間的に入射する電磁放射の伝搬を制御し、それにより空間光変調機能を達成するための装置を示す。制御ビーム入力系９０６は、所望の強度パターンＣＴＬ（ｘ，ｙ，ｔ）に従って複合材料９０２の表面上に制御光を結像し、その強度パターンによって、対応する実効屈折率プロファイルが、例示するためにコヒーレント平面波として示される入射する信号ビーム９０４に作用する。信号ビーム９０４が複合材料９０２の中を伝搬すると、その信号ビームは、２次元のパターンＯＵＴ（ｘ，ｙ，ｔ）に結像され、且つ／又はホログラフィのように、すなわち複合材料９０２において引き起こされる相変化の所望の空間分布に従って、所望の３次元実像ＯＵＴ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）９０８に結像される。都合の良いことに、極めて高速の空間光変調のために、制御信号ＣＴＬ（ｘ，ｙ，ｔ）の変化に対して極めて高速の応答時間が実現される。光学素子、画像形成及び／又は通信に応用するための数多くの異なるデバイスを実現することができる。一実施形態では、強度パターンＣＴＬ（ｘ，ｙ，ｔ）は２値パターンを含み、そのパターンによって、２値の第１の値の場合には、その場所において負の実効屈折率が生じ、２値の第２の値の場合には、その場所において正の実効屈折率が生じる。数多くの例の１つとして、そのようなデバイスは、ホログラフィによる信号暗号化／信号暗号解読に応用するのに有用であろう。さらに別の実施形態では、その強度パターンは２つの制御ビーム、すなわちそれぞれが制御放射周波数を有する参照ビーム及び物体ビームによって形成され、参照ビーム及び物体ビームは、ホログラムがフィルムエマルジョン上に記録されるのと同じように異なる角度において複合材料の前面に向かって誘導され、それにより、結果として生成される強度パターンは、ホログラムのような干渉パターンを含む。
【００３１】
図１０は、一実施形態による、供給元の放射をソースデバイス（たとえば、ポンプレーザ１００４）からターゲットデバイス１００６に結合するための結合装置を示しており、その結合装置は複合材料１００２を含む。この例では、ポンプレーザ１００４は、放射面１００８を有し、第１の横モードパターン１１０２を示す図１１に概念化されるように、不規則な横モードパターンに従ってポンプ光を放射するのに対して、ターゲットデバイス１００６は受信面１０１０を有し、図１２に示される第２の横モードパターン１２０２に従って動作する。一例として、ターゲットデバイス１００６として、コアポンピング式のＥＤＦＡを用いることができ、一方、ポンプレーザ１００８は、半導体ダイオードレーザを含むことができるが、本教示の範囲は、それには限定されない。
【００３２】
一実施形態によれば、複合材料１００２は、第１の横モードパターン１１０２を第２の横モードパターン１２０２上に結像する空間実効屈折率パターンを有するように構成される。一実施形態では、この実効屈折率パターンは静的に、すなわち複合材料にわたる静的な共鳴セルパラメータ変化（たとえば、材料、形状、大きさ）によって達成することができる。別の実施形態では、実効屈折率パターンは、基板内のキャリア集団を時間的及び空間的に制御することによって、空間的及び時間的に制御される。
【００３３】
図１３は、本発明の一実施形態による、供給元の放射をソースデバイス（たとえば、ポンプレーザ１３０４）からターゲットデバイス１３０６に結合するための結合装置を示しており、その結合装置は、複合材料１３０２と、制御入力光学系１３０６と、センサ１３１０と、フィードバック制御プロセッサ１３１２とを備える。制御入力光学系１３０６は、複合材料１３０２がポンプレーザ１３０４の第１の横モードパターンをターゲットデバイス１３０８の第２の横モードパターン上に結像するように設計される所望の強度パターンＣＴＬ（ｘ，ｙ，ｔ）に従って、制御光を複合材料１３０２の表面上に結像する。センサ１３１０は、たとえば、ターゲットデバイス１３０８によって生成される出力の強度を検出することによって、結合効率を検出するように構成される。フィードバック制御プロセッサ１３１２は、結合効率を改善又は最適化するように、強度パターンＣＴＬ（ｘ，ｙ，ｔ）を動的に変更するように構成される。
【００３４】
これまでの説明を読んだ後には、これらの実施形態の数多くの改変及び変更が当業者にはおそらく明らかになるがゆえに、例示として図示及び説明される個々の実施形態が、限定するものと見なされることを決して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、負の屈折率材料との関連で説明されるが、それらの実施形態の特徴及び利点は、他の複合材料との関連で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、いわゆる無限物質（国際公開特許第２００４／０２０１８６号を参照されたい）が含まれる。
【００３５】
さらに別の例として、図１の複合材料１０２は、説明を明確にするために、簡略化された例を示しており、１つの伝搬方向に沿って揃えられる１組の平面アレイ１０４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１組の平面アレイ１０４に対して垂直に第２の１組の平面アレイを設けることができる。さらに他の実施形態では、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１組の平面アレイ及び第２の１組の平面アレイの両方に対して垂直に第３の１組の平面アレイを設けることができる。本教示の範囲から逸脱することなく、平面アレイ１０４の間に、付加的な１組又は複数組の複合材料平面及び／又は連続材料平面を配置できることはさらに理解されたい。一例として、誘電体支持構造上にある垂直な導電性ワイヤから成る平面アレイを、平面アレイ１０４と織り合わせて、複合材料１００の全体にわたって、さらに大きな負の実効誘電率を与えることができる。所望の全体寸法及び所望の動作波長に応じて、平面アレイ１０２上に数百、数千又はそれ以上の数の共鳴セル１０６が存在できることをさらに理解されたい。
【００３６】
さらに別の例として、時間的に制御される共鳴セルは、それらの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現することができるか、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、連続材料と交互配置させることができる。さらに別の例として、共鳴セル内への電気的なキャリアの注入も、他の点で共鳴条件を破壊することなく達成できるのであれば、本教示の範囲内にある。さらに別の例として、本教示によるデバイスは、非常に速い時間的な制御を提供することができるが、そのような制御は当然、一定の制御ビームを有する静的なデバイス、及び／又は制御ビームを有する、極めて稀にしか変更されない（たとえば、フラッシュメモリデバイスが制御されるのと同じように１日、１月又は１年に一度だけ変更される）準静的なデバイスを提供するように、極めて遅く実施することができる。それゆえ、説明される実施形態の詳細を参照することは、それらの範囲を制限することは意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置を示す図である。
【図２】一実施形態による、図１の装置に関連する信号波長を示す図である。
【図３】一実施形態による、図１の装置に関連する信号波長を示す図である。
【図４】一実施形態による、共鳴セルの一部を切り取った斜視図である。
【図５】一実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置を示す図である。
【図６】１つ又は複数の実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するためのデバイスの平面図である。
【図７】１つ又は複数の実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するためのデバイスの平面図である。
【図８】１つ又は複数の実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するためのデバイスの平面図である。
【図９】一実施形態による、入射する電磁放射の伝搬を制御するための装置を示す図である。
【図１０】一実施形態による、結合装置を示す図である。
【図１１】図１０のソースデバイスの横モードを示す図である。
【図１２】図１０のターゲットデバイスの横モードを示す図である。
【図１３】一実施形態による、結合装置を示す図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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