(57)【要約】  誘電体材料１０４、及び該誘電体材料１０４にわたって配置される複数の重なり合わないローカル共鳴セルグループ１０６を含む複合材料１０２を記載する。各ローカル共鳴セルグループ１０６は、複合材料１０２に入射した電磁放射の第１の波長λＣに比べて小さな複数の共鳴セル１０８を含む。各ローカル共鳴セルグループ１０６は、第１の波長λＣの規模以下の空間的広がりを有する。共鳴セルの複数の異なるサブセットが、第１の周波数λＣのスペクトル近傍２０３内の複数の波長のそれぞれに共鳴するように、各ローカル共鳴セルグループ１０６について、その中に含まれる共鳴セル１０８の少なくとも１つの幾何学的特徴が、チャープされる。複合材料１０２は、スペクトル近傍２０３内の複数の波長のそれぞれに対して、負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す。【選択図】図１
2010507072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料（１０４）と、
前記誘電体材料（１０４）にわたって配置される複数の重なり合わないローカル共鳴セルグループ（１０６）であって、前記ローカル共鳴セルグループ（１０６）のそれぞれが、複合材料（１０２）に入射する電磁放射の第１の波長（λＣ）に比べて小さな複数の共鳴セル（１０８）を含み、前記ローカル共鳴セルグループ（１０６）のそれぞれが、前記第１の波長（λＣ）の規模以下の空間的広がりを有する、ローカル共鳴セルグループ（１０６）とを含み、
前記共鳴セルの複数の異なるサブセットが、前記第１の周波数（λＣ）のスペクトル近傍（２０３）内のそれぞれの複数の波長に対して共鳴するように、前記ローカル共鳴セルグループ（１０６）毎に、その中にある前記共鳴セル（１０８）の少なくとも１つの幾何学的特徴がチャープされ、
前記スペクトル近傍（２０３）内の前記複数の波長のそれぞれに対して、負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す、複合材料（１０２）。
【請求項２】
前記共鳴セルはそれぞれ、複数の導電体から成るパターンを含み、チャープされる前記少なくとも１つの幾何学的特徴は、パターン縮小比、パターン形状、パターンアスペクト比、パターンタイプ、導体厚及び共鳴セル間隔から成る群から選択される、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記ローカル共鳴セルグループ（１０６）はそれぞれ、前記第１の波長（λＣ）の二乗以下の面積を有し、前記共鳴セル（１０８）はそれぞれ、前記第１の波長の５分の１よりも小さく、前記ローカル共鳴セルグループは実質的に同一であり、前記誘電体材料にわたってタイル状に構成され、それにより、前記共鳴セルの共鳴サブセットの対応するタイル状のパターンが、前記スペクトル近傍（２０３）内の前記複数の波長のそれぞれに対して、前記誘電体材料にわたって形成される、請求項１に記載の複合材料。
【請求項４】
前記少なくとも１つの幾何学的特徴は、（ａ）前記複数の波長の種々の波長に対して、横方向へのシフトを除いて、前記共鳴セルの共鳴サブセットの前記対応するタイル張りパターンが実質的に一定のままであるように、前記ローカル共鳴セルグループのそれぞれにわたって空間的に連続している様態（４０３、４０５、４１１）、（ｂ）前記ローカル共鳴セルグループのそれぞれにわたって空間的に不連続であるが、規則的な様態（４０７）、及び（ｃ）前記ローカル共鳴セルグループのそれぞれにわたって空間的にランダム又は擬似ランダムな様態（４０９）のうちの１つにおいてチャープされる、請求項３に記載の複合材料。
【請求項５】
前記共鳴セルのそれぞれに対して１つの光学利得媒体（６０６）をさらに含み、前記光学利得媒体（６０６）は、前記スペクトル近傍（２０３）内の前記複数の波長のそれぞれに対して利得を与えるように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合材料。
【請求項６】
前記光学利得媒体（７０９ａ）の少なくとも１つの特徴が、前記ローカルセルグループ（７０６）のそれぞれの中の前記共鳴セル（７０９）の間でチャープされ、前記共鳴セルの間でチャープされた量の利得（ｇ１〜ｇ１０）を与える、請求項５に記載の複合材料（１０２、７０６）。
【請求項７】
前記チャープされた量の利得及びチャープされる前記少なくとも１つの幾何学的共鳴セル特徴を調整して、前記スペクトル近傍（２０３）内の前記複数の波長に対する前記複合材料の反応を等しくする、請求項６に記載の複合材料（１０２、７０６）。
【請求項８】
第１の波長（λＣ）のスペクトル近傍（２０３）内の入射電磁放射を受け取るための表面（１０４）と、
前記表面（１０４）にわたって配置される複数のセルグループ（１０６）であって、前記セルグループ（１０６）のそれぞれが、前記第１の波長（λＣ）の約５分の１以下の大きさの複数の電磁反応セル（１０８）を含み、前記セルグループのそれぞれが、前記第１の波長（λＣ）の二乗の規模以下の面積を有する、複数のセルグループ（１０６）とを含み、
前記セルグループ（１０６）内の前記電磁反応セルの複数の異なるサブセットが、前記スペクトル近傍（２０３）内のそれぞれの複数の波長に対して少なくとも部分的な共鳴挙動を示すように、前記セルグループ（１０６）毎に、その中にある前記電磁反応セル（１０８）の少なくとも１つの幾何学的特徴がチャープされ、
前記スペクトル近傍（２０３）内の前記複数の波長のそれぞれに対して、負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す、スペクトル拡張された複合材料（１０２）。
【請求項９】
前記電磁反応セル（１０８）はそれぞれ、複数の導電体から成るパターンを含み、チャープされる前記少なくとも１つの幾何学的特徴は、パターン縮小比、パターン形状、パターンアスペクト比、パターンタイプ、導体厚及び電磁反応セル間の間隔から成る群から選択され、前記セルグループ（１０６）はそれぞれ、前記第１の波長（λＣ）の約二乗以下の面積を有する、請求項８に記載のスペクトル拡張された複合材料。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの幾何学的特徴は、前記セルグループのそれぞれにわたって、空間的に連続している様態（４０３、４０５、４１１）、空間的に不連続であるが、規則的な様態（４０７）、空間的にランダムな様態、及び空間的に擬似ランダムな様態（４０９）のうちの１つにおいてチャープされる、請求項８、又は請求項９に記載のスペクトル拡張された複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許明細書は、概して電磁放射の伝搬に関し、より詳細には、入射する電磁放射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。
【背景技術】
【０００２】
近年、入射する電磁放射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。そのような材料はしばしば、人工材料、又はメタマテリアルとも呼ばれ、一般に、入射する電磁放射の波長に比べて著しく小さな寸法（たとえば、２０％以下）の電磁共鳴セルの周期的なアレイを備える。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、かなり複雑になる可能性があるが、共鳴セルの集団の反応は、透磁率項が実効透磁率によって置換され、且つ誘電率項が実効誘電率によって置換される点を除けば、複合材料は、巨視的には、あたかも連続物質であるかのように表すことができる。しかしながら、連続物質とは違い、共鳴セルは、共鳴セルの磁気的性質や電気的性質を変化させるために操作可能な構造を有し、種々の有用な放射波長にわたって、種々の範囲の実効透磁率、及び／又は実効誘電率を達成することができる。
【０００３】
特に興味を引くのは、いわゆる負屈折率材料である。負屈折率材料はしばしば、左手系材料、又は負の屈折率を有する材料とも呼ばれ、共鳴セルのサイズ、構造、及び構成によって決まる１つ、又は複数の波長に対し、実効透磁率と実効誘電率が同時に負になる。負屈折率材料に想定される産業上の用途としては、例えば、λ／６までの回折限界をはるかに超えて小さな像を結像することが可能ないわゆるスーパーレンズ、航空機搭載レーダに関する新たな設計、医療用画像形成のための高解像度の核磁気共鳴（ＮＭＲ）システム、マイクロ波レンズ、及び他の放射線処理装置などが挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
負屈折率材料を含む、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一つの問題は、デバイス帯域幅に関する問題である。詳しくは、負の実効透磁率、及び／又は負の実効誘電率が達成されるときの、入射する電磁放射のスペクトル幅に関して問題が生じる。したがって、複合材料の負の屈折率の挙動、負の実効透磁率の挙動、及び／又は負の実効誘電率の挙動に関しては、複合材料のスペクトルを拡張することが望ましい場合がある。そのようなスペクトル拡張は、複合材料の表面全体にわたる反応の均一性を与えながら行うことが更に望ましいであろう。また、拡張された動作スペクトル全体にわたって、複合材料の反応を等化し、及び／又は増幅できるようにすることが更に望ましいであろう。本明細書の開示から当業者には明らかであるように、他の問題も生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、誘電体材料と、当該誘電体材料にわたって配置される複数の重なり合わないローカル共鳴セルグループとを含む、複合材料が提供される。各ローカル共鳴セルグループは、複合材料に入射する電磁放射の第１の波長に比べて小さな複数の共鳴セルを含む。各ローカル共鳴セルグループは、第１の波長の規模以下の空間的広がりを有する。各ローカル共鳴セルグループのそれぞれについて、その中に含まれる共鳴セルは、その少なくとも１つの幾何学的特徴がチャープされ、共鳴セルの複数の異なるサブセットは、第１の周波数のスペクトル的近傍にある複数の波長に共鳴する。複合材料は、そのスペクトル的近傍にある複数の波長のそれぞれにおいて、負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す。
【０００６】
更に、第１の波長のスペクトル的近傍において入射電磁放射を受け取るための表面と、当該表面全体にわたって配置される複数のセルグループとを含む、スペクトル拡張された複合材料が、提供される。各セルグループは、第１の波長の約５分の１以下の大きさの複数の電磁反応セルを含む。各セルグループは、第１の波長の二乗の規模以下の面積を有する。各セルグループについて、その中の電磁反応セルは、その少なくとも１つの幾何学的特徴がチャープされ、セルグループ中の電磁反応セルの複数の異なるサブセットの少なくとも一部は、第１の波長のスペクトル的近傍にある複数の波長に対して共鳴挙動を示す。スペクトル拡張された複合材料は、そのスペクトル近傍における複数の波長のそれぞれに対して、負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す。
【０００７】
更に、第１の波長の近傍にある複数の波長を有する電磁放射を伝搬させるための方法も、提供される。この方法は、複合媒体の表面に電磁放射を印加するステップを含み、複合媒体は、その表面全体にわたって配置された複数の重なり合わないローカル共鳴セルグループを有し、各ローカル共鳴セルグループは、第１の波長に比べて小さな複数の共鳴セルを含む。各ローカル共鳴セルグループは、第１の波長の規模以下の空間的広がりを有する。各ローカル共鳴セルグループの共鳴セルは、少なくとも１つの幾何学的特徴に関してチャープされ、複合材料は、共鳴セルの複数の異なるサブセットが、複数の波長に共鳴するように、複数の波長に対して負の実効透磁率、及び負の実効誘電率のうちの少なくとも一方を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態による複合材料を示す図である。
【図２Ａ】一実施形態による複合材料を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの複合材料に入射する電磁放射のスペクトルを示す図である。
【図２Ｃ】一実施形態による、一つの波長において電磁放射を受け取る複合材料を示す概念図である。
【図２Ｄ】一実施形態による、一つの波長において電磁放射を受け取る複合材料を示す概念図である。
【図２Ｅ】一実施形態による、一つの波長において電磁放射を受け取る複合材料を示す概念図である。
【図３Ａ】一実施形態による、一つの波長において電磁放射を受け取る複合材料を示す概念図である。
【図３Ｂ】一実施形態による、一つの波長において電磁放射を受け取る複合材料を示す概念図である。
【図４Ａ】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルグループの例を示す図である。
【図４Ｂ】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルグループの例を示す図である。
【図４Ｃ】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルグループの例を示す図である。
【図４Ｄ】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルグループの例を示す図である。
【図４Ｅ】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルグループの例を示す図である。
【図５】１つ又は複数の実施形態による、共鳴セルの例を示す図である。
【図６】一実施形態による共鳴セルを示す図である。
【図７】一実施形態による共鳴セルグループを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、一実施形態による複合材料１０２を示す。複合材料１０２は、入射する電磁放射を受け取ることができる少なくとも１つの表面１０４を含む。表面１０４は通常、シリコンのような誘電体基板からなる。ただし、種々の異なる誘電体基板のうちの任意のものを使用してよい。一例であって、限定はしないが、入射する電磁放射は、図１の複合材料１０２の正のｚ側から発生し、概ね負のｚ方向へ向かって伝搬し、ｚ軸に対して種々の角度のうちの任意の角度を成す波法線を有する。
【００１０】
複合材料１０２は、表面１０４全体にわたって空間的に配置された複数のローカル共鳴セルグループ１０６を含む。各ローカル共鳴セルグループ１０６は、複数の電磁反応セル、すなわち共鳴セル１０８を含み、共鳴セルは、入射する電磁放射の波長よりも小さく、電磁放射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。一例では、各共鳴セル１０８は、そのような波長の約１／５よりも小さく、各共鳴セル１０８がそのような波長の約１／１０よりも小さいときには、さらに良好な反応が生じる。図１の特定の例では、共鳴セル１０８は、誘電体表面１０４上に配置される金、又は銀のような高い導電性の材料から形成される円形のスプリットリング共鳴器から構成される。ただし、種々の異なる共鳴セルタイプのうちのいずれを使用してもよい。一実施形態によれば、各共鳴セルグループ１０６について、その中にある共鳴セル１０８は、その少なくとも１つの幾何学的特徴が、その特徴の第１の値とその特徴の第２の値との間でチャープされる。一例として、共鳴セル１０８の直径「ｄ」は、図１に示すように、第１の値Ｄ１と第２の値Ｄ２との間でチャープされる。
【００１１】
図２Ａは、複合材料１０２の表面１０４における局部セグメント２０２を示し、局部セグメント２０２は、実質的に同一のローカル共鳴セルグループ１０６を空間的に重なり合うことなくタイル状に配置したものを含む。図２Ｂは、複合材料１０２に入射することがある電磁放射の典型的なスペクトルを示し、このスペクトル範囲内で、負の実効透磁率、及び／又は負の実効誘電率が望まれる。スペクトルは、第１の波長λＣ（この波長は、そうである必要はないが、中心波長であってもよい）と、第１の波長λＣの周辺における複数の波長λ１、λ２、及びλ３を含むスペクトル近傍２０３とを含む。
【００１２】
一例であって、限定はしないが、複合材料１０２は、波長分割多重化（ＷＤＭ）光ファイバ通信システムにおける光処理ハードウエアの一部品の構成要素を形成することが望ましい場合がある。スペクトル拡張されていない場合、ハードウエアのその部品において利用される負の実効透磁率の挙動、及び／又は負の実効誘電率の挙動は、１５２０ｎｍのような特定波長において、容認できないほど狭い波長範囲に制限されることがある。しかしながら、共鳴セル１０８の少なくとも１つの幾何学的特徴が一実施形態に従ってチャープされ、スペクトル拡張されている場合、その特定波長の近辺における２０ｎｍ幅、又は４０ｎｍ幅のスペクトル近傍のような、比較的広いスペクトル近傍２０３における複数の波長において、負の実効透磁率の挙動、及び／又は負の実効誘電率の挙動を利用できる場合がある。スペクトル近傍２０３の場所、及び幅は、材料の選択、共鳴セルタイプ、チャープされる幾何学的特徴の選択、チャープされるレベル数、あるいは既知の方法を使用してシミュレーション、及び／又は実験によって決定される関連要素に応じて変わる場合がある。本明細書の教示を参照すれば、当業者は、過度の実験を行なうことなく、それらの決定を行うことができる。本明細書は、赤外線波長範囲について特定の幾つかの例を示しているが、当然ながら、スペクトル近傍範囲２０３がマイクロ波、赤外線、あるいは光学波長範囲にある実施形態も、本明細書の教示の範囲内であるものと考えられる。
【００１３】
一実施形態によれば、ローカル共鳴セルグループ１０６は、図１に示す長さＳＬＯＣＡＬのような、第１の波長λＣの規模以下の空間的広がりを有する。一実施形態において、規模は、約１０倍を意味する場合があり、従って、空間的広がりＳＬＯＣＡＬは、第１の波長λＣの約１０倍以下である場合がある。他の実施形態において、空間的広がりＳＬＯＣＡＬは、第１の波長λＣの約２倍以下である場合がある。さらに別の実施形態では、空間的広がりＳＬＯＣＡＬは、実質的に第１の波長λＣ以下である場合がある。さらに別の実施形態では、各ローカル共鳴セルグループ１０６は、第１の波長λＣの約二乗よりも小さな面積を占める場合がある。さらに別の実施形態では、各ローカル共鳴セルグループ１０６は、第１の波長λＣの二乗の規模よりも小さな面積を占める場合がある。当然ながら、共鳴セルグループ１０６は、種々の異なる連続的な形状（たとえば、三角形、六角形、不規則な小球状の形状等）を有することができ、正方形や長方形に限定されることはない。一実施形態として、空間的広がりとは、不規則で細長い形状、すなわち１ではないアスペクト比を有する形状の長い方の寸法に沿った長さを意味する場合がある。
【００１４】
一般的には、各ローカル共鳴セルグループ１０６の空間的広がりが小さくなるほど、入射する電磁放射から「見た」ときの表面１０４における反応は、より均一になる。同時に、各ローカル共鳴セルグループ１０６の空間的広がりは、チャープされる幾何学的特徴の非常に様々なレベルを収容するための十分な数の共鳴セル１０８を収容できるように、十分に大きくなければならない。第１の波長λＣ付近における空間的広がりＳＬＯＣＡＬは、反応の空間的な均一性と、少なくとも１つの幾何学的特徴のチャープレベル数との間に、特に良好なトレードオフを生み出す。そして、チャープレベルの数は更に、達成することができるスペクトル拡張の量に関連する。
【００１５】
ＷＤＭ光学波長範囲に関する上記の非限定的な例の他に、空間的広がりＳＬＯＣＡＬは約１．５μｍであってもよく、共鳴セル１０８は、互いに空間的に拡大縮小することもでき、共鳴セルの直径は、たとえば、１００ｎｍから１５０ｎｍまで、５〜１０の異なるレベルでチャープされる。ただし、当然ながら、空間的な拡大縮小の代わりに、あるいは空間的な拡大縮小に加えて、種々の他の幾何学的特徴のうちのいずれかをチャープしてもよい。そのような他の幾何学的特徴の例としては、限定はしないが、例えば、パターン形状、パターンアスペクト比、パターンタイプ、導体厚、及び共鳴セル間隔が挙げられる。チャーピングのレベル数は、本教示の範囲から逸脱することなく、数十レベル、又は数百レベルであってよく、あるいは、２〜３程度の少数のレベルであってもよい。
【００１６】
図２Ｃ〜図２Ｅは、一実施形態による複合材料の局部セグメント２０２’が、図２Ｂに示すスペクトル近傍２０３内の複数の波長λ１、λ２、及びλ３において、入射した放射２０４を受け取るときの局部セグメント２０２’を示す概念図である。局部セグメント２０２’は、タイル状に配置された複数のローカル共鳴セルグループ２０６を含み、それらは、上記の図１のローカル共鳴セルグループ１０６と同様に構成される場合がある。明確に表現するために、図２Ｃ〜図２Ｅでは、ローカル共鳴セルグループ２０６の個々の共鳴セルの描写は、省略されている。ここで、波長λ１が入射する図２Ｃを参照すると、各ローカル共鳴セルグループ２０６の中には、波長λ１に対して少なくとも部分的に共鳴する共鳴セルの第１のサブセット２０５Ｃが存在する。スペクトル近傍２０３内の第２の波長λ２が入射する図２Ｄを参照すると、少なくとも部分的に共鳴する第２のサブセット２０５Ｄが存在する。スペクトル近傍２０３内の第３の波長λ３が入射する図２Ｅを参照すると、少なくとも部分的に共鳴する第３のサブセット２０５Ｅが存在する。ローカル共鳴セルグループ２０６がタイル状に配置され、波長の規模以下の限られた空間的広がりを有する実施形態では特に、各波長λ１、λ２、及びλ３に対し、局部セグメント２０２’全体にわたる均一な負の実効透磁率特性、及び／又は負の実効誘電率特性が、はっきりと「見てとれる」。
【００１７】
図２Ｃ〜図２Ｅの具体例では、チャープされる少なくとも１つの幾何学的特徴が、空間的に連続的に変化され、波長が変化されるのに従って、各ローカル共鳴セルグループ２０６内の共鳴するセルのサブセットは移動する（２０５Ｃ→２０５Ｄ→２０５Ｅ）傾向にあるものと仮定する。また、図２Ｃ〜図２Ｅにおいてチャープされる少なくとも１つの幾何学的特徴は、移動するサブセットが連続的なものとなり、サブセットが移動しても、サブセットのサイズ、及び形状が維持されるように、特定の度合い、及びレイアウトでチャープされるものと仮定する。横方向シフトを除き、異なる波長で同じ反応が「観察」されるこの種の整合性は、種々の光学処理用途のいずれにおいても有用である。本明細書の教示を参照すれば、当業者は、過度に実験を行なうことなく、そのような反応を実現するための、共鳴セルをチャープする特定の度合い、及びレイアウトを容易に達成するであろう。チャープされた共鳴セルのそのようなレイアウトの簡単な例は、後で、図４Ａ、及び図４Ｅに示す。ただし、本明細書の教示範囲は、共鳴セルの少なくとも１つの幾何学的特徴に関する空間的に連続的なチャーピング方式、及び不連続なチャーピング方式を含む種々のチャーピング方式の全てに及ぶ。
【００１８】
図３Ａ〜図３Ｂは、複合材料の局部セグメント３０２を示す概念図である。局部セグメント３０２は、同じローカル共鳴セルグループ３０６が一実施形態に従ってタイル状に配置されたものを含む。この実施形態では、チャープされる少なくとも１つの幾何学的特徴が、空間的に不連続的に変化されるものと仮定し、各ローカル共鳴セルグループ３０６内の共鳴するセルのサブセットのサイズ、形状、数、及び／又は場所は、波長によって大きく変化する。したがって、第１の波長λ１（図３Ａ）では、図示のように３つのクラスタを成すように見える共鳴セルの第１のサブセット３０５Ａが現れ、第２の波長λ２（図３Ｂ）では、図示のように異なる場所に２つのクラスタを成すように見える共鳴セルの第２のサブセット３０５Ｂが現れる。
【００１９】
図３Ａ〜図３Ｂの具体例は、チャープされる少なくとも１つの幾何学的特徴が、空間的にランダムに、又は擬似ランダムに変更されるものと仮定する（たとえば、以下の図４Ｄを参照）。この場合でも、「チャープされる」という用語は使用される。なぜなら、共鳴セルの集団が、チャープされる特徴に比べて空間的に連続していない場合であっても、共鳴セルの集団は、チャープされる幾何学的特徴に関するパラメータの変化によってチャープされるからである。他の実施形態として、チャープされる少なくとも１つの幾何学的特徴は、空間的に規則的ではある（すなわち、或るタイプのパターンを形成する）が、不連続な形で空間的に変化される場合がある（たとえば、以下の図４Ｃを参照）。規則的／パターンを成す場合、いずれのローカル共鳴セルグループ内においても、共鳴セルのサブセットは、規則的、すなわち周期的に現れるが、波長が変われば、その規則性、すなわち周期性は大きく変化することがある。ランダムな場合も、規則的／周期的な場合も、ローカル共鳴セルグループ３０６がタイル状に構成されていることから、複合材料の表面にわたって１波長の規模以下の周期性が存在し、波長λ１、λ２、及びλ３のそれぞれに対する反応の均一性が確保される。
【００２０】
図４Ａ〜図４Ｅは、１、又は複数の実施形態により複合材料の中に組み込まれることがある多種多様なローカル共鳴セルグループの一部を示す。図４Ａのローカル共鳴セルグループ４０２は、長方形の形を有し、且つ円形のスプリットリング共鳴器４０３を含み、共鳴器４０３の縮尺は、第１の端部から第２の端部まで空間的に連続した形でチャープされる。図４Ｂのローカル共鳴セルグループ４０４は、六角形の形を有し、且つ円形のスプリットリング共鳴器４０５を含み、共鳴器４０５の縮尺は、角度セクタ毎に段階的に連続した形でチャープされる。図４Ｃのローカル共鳴セルグループ４０６は、正方形の形を有し、且つ円形のスプリットリング共鳴器４０７を含み、共鳴器４０７の縮尺は、空間的に不連続であるが、規則的に／パターンを成して（かなり複雑なパターンではあるが）チャープされる。図４Ｄのローカル共鳴セルグループ４０８は、正方形の形を有し、且つ円形のスプリットリング共鳴器４０９を含み、共鳴器４０９の縮尺は、空間的にランダムにチャープされる。図４Ｅのローカル共鳴セルグループ４１０は、長方形の形を有し、且つ共鳴セル４１１を含み、共鳴セル４１１のタイプは、一端（下側）におけるオープンリング共鳴器から他端（上側）における平行ナノワイヤ／バーまでチャープされ、チャープされる特徴は、ローカル共鳴セルグループ４１０全体にわたって空間的に連続している。
【００２１】
図５は、幾つか実施形態に関連して使用されることがある多数の異なる共鳴セルタイプの一部を示している。共鳴セル５０２は、直線状導体素子５０３ｂと共に、正方形のスプリットリング共鳴器構造５０３ａを備え、直線状導体素子５０３ｂは、共鳴周波数付近における負の実効誘電率の達成に役立つ。共鳴セル５０４は円形スプリットリング共鳴器からなり、共鳴セル５０６は平行なナノワイヤ／バー共鳴器からなり、共鳴セル５０８は正方形のオープンリング共鳴器からなり、共鳴セル５１０は、４個一組の回転Ｌ字形導体からなる。
【００２２】
上記の各実施形態によって提供される１つの利点は、受動素子を使用してスペクトル拡張を実現できることである。しかしながら、後で詳しく説明するように、スペクトルの拡張と共に利得を与えることも、当然ながら、本明細書の教示の範囲内であるものと考えられる。
【００２３】
図６は、一実施形態による、チャープすることが可能な利得特性、及びチャープすることが可能な少なくとも１つの幾何学的特徴を有する共鳴セル６０２を示す。共鳴セル６０２は、正方形のオープンリング導体６０４と、光学利得媒体６０６とを含む。光学利得媒体６０６は、外部ポンプ源（図示せず）から光学的にポンピングされ、入射する電磁放射のスペクトル近傍２０３（上記の図２Ｂを参照）を含む増幅帯を有し、スペクトル近傍２０３内の複数の波長λ１、λ２、及びλ３に対してそれぞれ利得を与える。
【００２４】
光学利得媒体６０６は、共鳴セル６０２を支持する誘電体構造（図示せず）の中に組み込まれることがある。一例であって、限定はしないが、スペクトル近傍２０３がＷＤＭ波長範囲内である場合、光学利得媒体６０６は、バルク活性ＩｎＧａＡｓＰ、及び／又はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ材料系による多量子井戸を含むことができる。後者の場合、誘電体支持構造は、ｐ−ＩｎＰ材料１００ｎｍ厚の上側層と、ｎ−ＩｎＰ材料１００ｎｍ厚の下側層とを備え、その間に、ドープされないＩｎＧａＡｓ７ｎｍ厚の上にドープされないＩｎＧａＡｓＰ６ｎｍ厚を配置したものを５〜１２回（又は、それ以上）だけ反復して成る垂直スタックを更に含む場合がある。幾何学的特徴と利得特性のいずれか一方を空間的に変更することが可能な他の共鳴セルの例は、本件と同じ譲受人に譲渡される米国特許出願公開第２００６／００４４２１２号明細書、米国特許出願公開第２００６／０１０９５４０号明細書、及び２００５年１１月２３日に出願された米国特許出願第１１／２８５，９１０号明細書（代理人整理番号２００５０３２８１−１）のうちの１、又は複数に記載されており、それらの特許出願はそれぞれ参照により本明細書に援用される。
【００２５】
図７は、一実施形態によるローカル共鳴セルグループ７０６を示している。このローカル共鳴セルグループ７０６は、一実施形態による複合材料を形成するために、表面全体にわたって空間的にタイル状に構成される。ローカル共鳴セルグループ７０６は、複数の共鳴セル７０９を含み、共鳴セル７０９の少なくとも１つの幾何学的特徴は、上記の図１〜図５の実施形態と同様の仕方でチャープされる。特に、図７の実施形態では、チャープすべき特徴（縮尺）を空間的に連続的に変更しているが、実施形態によっては、上に記載した不連続な空間的変化の幾つかを組み込む場合もある。各共鳴セル７０９は、関心のあるスペクトル近傍内で利得を得るために、関連利得媒体７０９ａをさらに含む場合がある。
【００２６】
一実施形態によれば、ローカルセルグループ７０６内において、光学利得媒体７０９ａの少なくとも１つの特徴がさらにチャープされ、図７にｇ１〜ｇ１０で示すように、種々の共鳴セル７０９にわたって利得にチャープ量を与える。一般に、同じローカル共鳴セルグループ内の共鳴セルは、ポンプ放射の波長に比べて、互いに非常に近くにあることが多く、それに対応し、共鳴セルごとにポンプ光強度の空間的調節を行うことが難しいため、一実施形態では、利得の空間的変化は、利得媒体が本来有する構造的差異から生成される。この実施形態の場合、各光学利得媒体７０９ａによって得られる利得の大きさの変更は、絶対的な光学利得媒体サイズ、関連共鳴セルサイズに対する相対的な光学利得媒体サイズ、及び光学利得媒体の半導体ドーピングレベル（光学利得媒体として量子ドットが使用される場合、量子ドットのドーピングレベルを含む）を変更することによって行うことができる。
【００２７】
一実施形態では、関心のあるスペクトル近傍における複合材料の反応を均一にするために、利得ｇ１〜ｇ１０のチャープ量を調節する場合がある。したがって、たとえば、利得材料が何も存在しない場合、共鳴セルグループ７０６の反応は、λ２に対する反応よりも、λ１に対する反応の方が強い場合があり（λ２＞λ１）、これは、大きい共鳴セルのグループが、小さい共鳴セルのグループよりも「弱い」ことに相当するため、λ１における反応とλ２における反応を均等にするために、大きい共鳴セルに与えられる利得を高めることがある。
【００２８】
これまでの説明を読んだ後、当業者にはおそらく、それらの実施形態の多数の代替、及び変更が明らかになるが、例として図示説明した特定の実施形態は、制限として解釈されることを全く意図していないことは理解されたい。一例として、上記の共鳴セルのチャープされる幾何学的特徴（複数可）の多くは実効透磁率に影響を及ぼすが、広範な他の実施形態では、チャープされる幾何学的特徴（複数可）は、直線状導体の長さ、又は平行なバー／ナノワイヤ共鳴セル導体の長さ方向の寸法のように、実効誘電率に影響を及ぼす共鳴セルの態様に関連する。さらに、共鳴セルは、上記の実施形態の多くにおいて、主に２次元導体パターンを含むが、他の実施形態では、共鳴セルは３次元であり（たとえば、等方性を高めるために）、１、又は複数の垂直方向の平面外の幾何学的特徴が、各ローカル共鳴セルグループ内でチャープされる。したがって、記載した実施形態の詳細を参照する場合でも、その範囲を限定することは意図していない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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