DE112008000320T5

DE112008000320T5 - Metamaterialstrukturen für Lichtverarbeitung und Verfahren zum Verarbeiten von Licht

Info

Publication number: DE112008000320T5
Application number: DE112008000320T
Authority: DE
Inventors: Alexandre Palo Alto Bratkovski
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2009-12-17
Also published as: CN101595609A; US20080180786A1; JP2010517094A; WO2008094543A1; US7515330B2; KR20090104842A; KR101423155B1

Abstract

Eine Metamaterialstruktur (100) für Lichtverarbeitung, die folgende Merkmale umfasst:
einen ersten Lichtleiter (104, 704a); und
eine erste zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur (102, 202, 302, 402, 702a) mit einer ersten Resonanzfrequenz ω_R1, wobei die erste resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₁ des Lichts zu ω_R1 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₁ erzeugt.

Description

Hintergrund
In Lichtverarbeitungssystemen können Kristalle aus nichtlinearen Materialien verwendet werden, um die Frequenz und somit auch die Wellenlänge von Licht zu verändern, um Licht einer gewünschten Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise können Kristalle als ein Frequenzverdoppler verwendet werden, um die Frequenz von Licht, das auf den Kristall trifft, zu verdoppeln, und die Wellenlänge desselben zu halbieren. Dieser Prozess wird als Erzeugung der zweiten Harmonischen bezeichnet. In solchen Kristallen ist die Umwandlungseffizienz von zweiten Harmonischen bei geringer Intensität des einfallenden Lichts gering, aber erhöht sich mit zunehmender Intensität des einfallenden Lichts. Die Effizienz solcher Erzeugungsprozesse der zweiten Harmonischen ist jedoch typischerweise gering.
Folglich wäre es wünschenswert, Lichtverarbeitungssysteme und -verfahren zu schaffen, die in der Lage sind, effiziente Umwandlung von hohen Harmonischen zu erzeugen.
Zusammenfassung
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur für Lichtverarbeitung umfasst einen Lichtleiter; und eine zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer Resonanzfrequenz ω_R, wobei die zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω des Lichts zu ω_R hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω erzeugt.
Ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur für Lichtverarbeitung umfasst einen ersten Lichtleiter; einen zweiten Lichtleiter; einen dritten Lichtleiter; eine erste zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer ersten Resonanzfrequenz ω_R1, wobei die erste zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₁ des Lichts zu ω_R1 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₁ erzeugt; eine zweite zusammengesetzte resonante elektromagnetische Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz ω_R2, wobei die zweite zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem zweiten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₂ des Lichts zu ω_R2 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₂ erzeugt; und eine dritte zusammengesetzte resonante elektromagnetische Struktur mit einer dritten Resonanzfrequenz ω_R3, wobei die dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem dritten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₃ des Lichts zu ω_R3 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₃ erzeugt.
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Verarbeiten von Licht mit einer Metamaterialstruktur umfasst das Ausbreiten von Licht entlang einem ersten Lichtleiter, der sich durch eine erste zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer ersten Resonanzfrequenz ω_R1 erstreckt, wobei die erste zusammengesetzte resonante EM-Struktur mit Licht interagiert, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₁ des Lichts zu ω_R1 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₁ erzeugt.
Zeichnungen
1 stellt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Lichtverarbeitungssystems dar, das eine Metamaterialstruktur umfasst.
2 stellt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur dar, die Spaltringresonatoren umfasst.
3 stellt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur dar, die gedruckte Nanoresonatoren umfasst.
4 stellt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur mit einer periodischen Anordnung von Löchern dar.
5 zeigt das elektromagnetische Ansprechverhalten einer Metamaterialstruktur, die eine Metall-Isolator-Metall-Dreischichtstruktur umfasst.
6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Metamaterialstruktur, die auf der rechten Seite in 5 gezeigt ist.
7 stellt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Lichtverarbeitungssystems dar, das drei Metamaterialstrukturen und drei zugeordnete Lichtquellen umfasst.
Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Metamaterialstruktur 100 ist in 1 gezeigt. Die Metamaterialstruktur 100 umfasst eine zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur 102, die entlang einem Lichtleiter 104 angeordnet ist. Wie es gezeigt ist, ist die Metamaterialstruktur 100 in einem Lichtverarbeitungssystem vorgesehen, das ebenfalls eine Lichtquelle 106 umfasst. Die Lichtquelle 106 ist angeordnet, um Licht in den Lichtleiter 104 zu emittieren. Abhängig von dem Typ der Lichtquelle 106 kann das Licht monochromatisch sein (z. B. Laserlicht) und im Wesentlichen nur eine einzige Frequenz enthalten, oder das Licht kann einen Bereich von Frequenzen enthalten (z. B. Breitbandlicht). Das Licht breitet sich entlang dem Lichtleiter 104 aus und interagiert mit der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102. Optionale Resonatoren 108 sind an gegenüberliegenden Enden der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 vorgesehen. Eine optionale äußere Umhüllung 110 umgibt die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102.
Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 hat eine inhärente Resonanzfrequenz ω_R. die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 mischt eine Frequenz des einfallenden Lichts ω zu der Resonanzfrequenz ω_R hoch. Dieser Hochmischprozess erzeugt Harmonische des einfallenden Lichts. Die Harmonischen können zweite und/oder höhere Harmonische sein. Die Lichtfrequenz ω, die durch die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 umgewandelt wird, kann eine Frequenz sein, die in einem Bereich von Frequenzen enthalten ist, die durch eine Breitbandlichtquelle emittiert werden, oder die Einzelfrequenz, die durch eine monochromatische Lichtquelle emittiert wird.
Ausführungsbeispiele der zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen umfassen eine resonante periodische Metamaterialstruktur. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 Metallnanoresonatoren 112, die zumindest entlang einem Teil der Länge des Lichtleiters 104 angeordnet sind. Die Nanoresonatoren 112 erzeugen ein hohes elektrisches Feld und bewirken dadurch ein nichtlineares Ansprechverhalten der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Metallnanoresonatoren 112 nanogroße Partikel. Die nanogroßen Partikel können aus jedem Metall gebildet sein, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit liefert. Das Metall hat vorzugsweise eine hohe Leitfähigkeit (geringe Widerstandsfähigkeit), so dass Verluste minimiert werden können. Das Metall kann beispielsweise eine niedrige Widerstandsfähigkeit von weniger als etwa 5 μΩ cm, wie z. B. 4 μΩ·cm, 3 μΩ·cm, 2 μΩ·cm oder 1 μΩ·cm aufweisen. Das Metall kann beispielsweise Ag, Au, Al oder Cu oder Legierungen derselben sein. Die nanogroßen Partikel können auch aus Halbleitermaterialien gebildet sein, wie z. B. Silizium, oder Nichtmetallmaterialien, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren. Die nanogroßen Partikel können Einkristalle sein, um Korngrenzeneffekte zu eliminieren.
Die in 1 gezeigten nanogroßen Partikel sind kugelförmig. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die nanogroßen Partikel andere Formen aufweisen wie z. B. Röhren, Fasern, Drähte, Platten, Stäbe und Ringe. Die nanogroßen Partikel können eine maximale Abmessung (z. B. Durchmesser oder Länge) von beispielsweise etwa 10 nm bis etwa 200 nm aufweisen.
Die nanogroßen Partikel können durch jede geeignete Technik hergestellt werden. Beispielsweise können die nanogroßen Partikel durch Keimbildung und Wachstum, Ausfällen, Laserablation, oberflächenmittelunterstütztes Wachstum, elektrochemische Synthese, chemische Dampfkeimbildung, Elektronenstrahlverdampfung oder Photolithographietechniken hergestellt werden. Die spezifische Technik, die verwendet wird, um die nanogroßen Partikel zu bilden, hängt von der gewünschten Zusammensetzung, Form und/oder Größe der nanogroßen Partikel ab.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Nanoresonatoren 112 in ein nichtlineares Medium 114 eingebettet. Das nichtlineare Medium 114 umkreist einen verjüngten Abschnitt 116 des Lichtleiters 104, und die Nanoresonatoren 112 sind entlang dem verjüngten Abschnitt 116 positioniert. Das nichtlineare Medium 114 ist ein elektrischer Isolator, der aus einem organischen Material, inorganischen Material oder Mischungen desselben gebildet ist. Das nichtlineare Medium 114 kann beispielsweise ein Keramikmaterial oder ein Polymer sein, wie z. B. ein Kunststoff, Polymethylmethacrylat (PMMA) oder ein Polyester. Das nichtlineare Medium 114 kann durch jeden geeigneten Prozess, wie z. B. Formen, um den Lichtleiter 104 herum gebildet werden. Alternativ kann das nichtlineare Medium um den Lichtleiter 104 gewickelt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das nichtlineare Medium 114 eine im Allgemeinen zylindrische Konfiguration mit einer Außenoberfläche 118. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das nichtlineare Medium 114 andere Außenoberflächenformen haben, wie z. B. quadratisch, rechteckig, dreieckig und dergleichen.
Wie es in 1 gezeigt ist, sind die Nanoresonatoren 112 entlang der axialen Richtung (Länge) der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 in der Form eines plasmonischen Wellenleiters gebildet. Die Pfeile zwischen den Nanoresonatoren zeigen elektrische Feldeffekte an. Die Nanoresonatoren 112 können im Wesentlichen gleichmäßig beabstandet sein entlang der axialen Richtung der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102. Die Nanoresonatoren 112 können von der Außenoberfläche des Lichtleiters 104 um einen Abstand von etwa 25 μm bis etwa 100 μm beabstandet sein. Die Anzahl von Nanoresonatoren 112 entlang der axialen Richtung der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 kann von etwa 5 bis etwa 100 oder mehr reichen. Die Nanoresonatoren 112 können im Wesentlichen linear miteinander ausgerichtet sein. Die Nanoresonatoren 112 sind außerdem entlang dem Umfang um den Lichtleiter 104 angeordnet. Beispielsweise können Gruppen der Nanoresonatoren 112, die plasmonische Wellenleiter bilden, um jeden geeigneten Winkel, wie z. B. etwa 30°, 60° oder 90° um den Umfang des Lichtleiters 104 umfangsmäßig voneinander beabstandet sein.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die resonante periodische Metamaterialstruktur Nanoresonatoren umfassen, die auf der Innenoberfläche und/oder Außenoberfläche des nichtlinearen Mediums vorgesehen sind. 2 zeigt beispielsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 202 mit Nanoresonatoren 212 (Spaltringen), die auf der Außenoberfläche 218 des nichtlinearen Mediums 214 vorgesehen sind. Die Richtung des elektrischen Felds, E, und des Magnetfelds, H, des Lichts ist angezeigt. Die Nanoresonatoren 212 können durch verschiedene Techniken auf der Außenoberfläche 218 gebildet werden, einschließlich durch Drucken auf einem Polymer (z. B. Kunststoff) durch Nanoaufdrucklithographie (NIL; NIL = nanoimprint lithography), Trockenätzen und durch Übertragung auf Faser in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. Das nichtlineare Medium 214 hat eine zylindrische Konfiguration. In 2 ist der Lichtleiter, der sich durch den Hohlraum 220 erstreckt, der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 202 kann auf einem Lichtleiter angeordnet sein, wie z. B. dem Lichtleiter 104, der in 1 gezeigt ist, um einen verjüngten Abschnitt des Lichtleiters zu umkreisen, wobei die Nanoresonatoren 212 entlang dem verjüngten Abschnitt positioniert sind.
3 zeigt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 302, bei der Nanoresonatoren 312 (Nanostäbe) auf der Außenoberfläche 318 des nichtlinearen Mediums 302 vorgesehen sind, um eine resonante periodische Metamaterialstruktur zu bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Nanoresonatoren 312 auf der Außenoberfläche 318 gedruckt, wie z. B. durch Nanoaufdrucklithographie. Das nichtlineare Medium 314 kann beispielsweise aus jedem geeigneten Polymermaterial zusammengesetzt sein, auf dem Drucken ausgeführt werden kann. Das nichtlineare Medium 314 kann in Lageform sein. Nachdem die Nanoresonatoren 312 auf dem nichtlinearen Medium 314 gedruckt sind, kann die Lage gerollt werden, um die gewünschte Konfiguration der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 302 zu bilden. Das nichtlineare Medium 314 hat eine zylindrische Konfiguration. In 3 ist der Lichtleiter, der sich durch den Hohlraum 320 erstreckt, der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 302 kann auf einem Lichtleiter angeordnet sein, wie z. B. in dem in 1 gezeigten Lichtleiter 104, um einen verjüngten Abschnitt des Lichtleiters zu umgeben, wobei die Nanoresonatoren 312 entlang dem verjüngten Abschnitt positioniert sind.
4 zeigt ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 mit einer gitterförmigen oder „Netz”-Struktur mit einer Außenoberfläche 414 und einem sich axial erstreckenden Hohlraum 420. Wie es in 4 gezeigt ist, umfasst die Netzstruktur ein periodisches Array von Löchern 422, das sich um den Umfang und entlang der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 erstreckt. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 402 kann auf einem Lichtleiter angeordnet sein, wie z. B. dem Lichtleiter 104, der in 1 gezeigt ist, um einen verjüngten Abschnitt des Lichtleiters zu umgeben.
5 stellt das magnetische Ansprechverhalten der Metall-Isolator-Metall-Dreischichtstruktur der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 dar. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 402 umfasst sich axial erstreckende Abschnitte 424 und sich umfangsmäßig erstreckende Abschnitte 426, die die Löcher 422 definieren. Quadratisch geformte Dreischichtstrukturen (linke Seite) liefern magnetische Resonanz, während längliche drahtartige Dreischichten (mittig) elektrische (Plasmon-)Resonanz liefern. Das Kombinieren dieser Dreischichten in der Struktur 402, die auf der rechten Seite von 5 gezeigt ist, erzeugt ein Material, das sowohl magnetische als auch elektrische (Plasmon-)Resonanz in dem gleichen Frequenzbereich haben kann.
Wie es in 6 gezeigt ist, haben die Abschnitte 424 eine Breite W_y, die typischerweise etwa 50 nm bis etwa 150 nm beträgt, und die Abschnitte 426 haben eine Breite, W_x, die typischerweise etwa 150 nm bis etwa 400 nm beträgt. Die Löcher 422 können beispielsweise entlang dem Umfang um einen Abstand von etwa 600 μm voneinander beabstandet sein, und axial um einen Abstand von etwa 500 nm bis etwa 600 nm voneinander beabstandet sein. Die Löcher 422 können verschiedene Querschnitte aufweisen, die quadratisch und rechteckig umfassen. Die Löcher 422 können beispielhafte Längen- und Breitenabmessungen von etwa 300 nm bzw. 500 nm aufweisen.
Wie es in 6 gezeigt ist, umfasst das Ausführungsbeispiel der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 eine erste Metallschicht 428, eine Isolatorschicht 430 auf der ersten Metallschicht 428 und eine zweite Metallschicht 432 auf der Isolatorschicht 430. Die erste Metallschicht 428 und die zweite Metallschicht 432 können aus jedem Metall gebildet sein, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit liefert. Das Metall kann beispielsweise eine niedrige Widerstandsfähigkeit von weniger als etwa 5 μΩ·cm, wie z. B. etwa 4 μΩ·cm, 3 μΩ·cm, 2 μΩ·cm oder 1 μΩ·cm aufweisen. Das Metall kann beispielsweise Ag, Au, Al oder Cu oder Legierungen derselben sein. Die erste Metallschicht 428 und die zweite Metallschicht 432 können beispielsweise jeweils eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 40 nm aufweisen.
Die Isolatorschicht 430 kann beispielsweise aus SiO₂, Al₂O₃, Polymeren (z. B. Polyimid) zusammengesetzt sein. Die Isolatorschicht 430 kann beispielsweise eine Dicke von etwa 30 nm bis etwa 50 nm aufweisen. Andere Metall-/Isolatormaterialkombinationen können verwendet werden, um den Schichtstapel der Netzstruktur zu bilden.
Die Anzahl von Schichten der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 kann variieren. Beispielsweise kann ein weiterer beispielhafter Stapel die folgende Schichtanordnung aufweisen: Metallschicht/Isolatorschicht/Metallschicht/Isolatorschicht/Metallschicht.
Für die in 5 und 6 gezeigte zusammengesetzte resonante EM-Struktur 402 können die Löcher 422 in der Struktur gebildet werden, nachdem alle drei Schichten 428, 430 und 432 gebildet wurden. Bei solch einem Ausführungsbeispiel sind die Löcher 422 durch alle drei Schichten ausgerichtet und haben eine Tiefe gleich der kombinierten Dicke der ersten Metallschicht 428, der Isolatorschicht 430 und der zweiten Metallschicht 432.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können sich die Löcher 422 durch nur einen Teil der Dicke der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 erstrecken. Beispielsweise kann eine Isolatorschicht ohne Löcher über der ersten Metallschicht gebildet sein, die Löcher umfasst, und dann kann eine zweite Metallschicht, die Löcher umfasst, auf der Isolatorschicht gebildet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Löcher in der ersten Metallschicht im Wesentlichen ausgerichtet mit den Löchern in der zweiten Metallschicht. Abhängig davon, ob es restliches isolierendes Material in den Löchern gibt, kann die Resonanzfrequenz verschoben sein im Vergleich zu Strukturen ohne restliches Isolatormaterial in den Löchern.
Die Schichten der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402 können durch verschiedene Techniken gebildet werden, einschließlich durch Drucken auf einem Polymer (z. B. Kunststoff), durch Nanoaufdrucklithographie (NIL), Trockenätzen und durch Übertragen auf Faser in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess.
Bei den Metamaterialstrukturen begrenzt und führt der Lichtleiter sich ausbreitendes Licht, das durch Lichtquellen emittiert wird. In dem Infrarotbereich wird eine Stegwellenleiterstruktur, wie z. B. ein Geringer-Index-Kontrast-Planarwellenleiter, der aus InP/GaInAsP/InP oder dergleichen besteht, verwendet. Infrarotwellenlängen in dem Bereich von etwa 1,1 μm bis 1,6 μm können durch Silikafasern getragen werden. In dem optischen Bereich kann der Wellenleiter aus einem dielektrischen Material hergestellt sein, wie z. B. einer optischen Faser mit einem runden Querschnitt. Bei einen anderen Ausführungsbeispiel kann der Lichtleiter ein Liniendefektkanal in einem Photonischer-Bandzwischenraum-Kristall sein.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 104 eine optische Faser mit einem runden Querschnitt, und der verjüngte Abschnitt 116 ist in der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 angeordnet. Die optische Faser kann einen beispielhaften Durchmesser von etwa 1 μm bis etwa 50 μm aufweisen, und der verjüngte Abschnitt 116 kann einen beispielhaften Durchmesser von etwa 0,3 μm bis etwa 15 μm aufweisen. Der verjüngte Abschnitt 116 ist konfiguriert, um Koppeln von Licht, das durch den Lichtleiter 104 getragen wird, mit der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 zu verbessern.
In den Metamaterialstrukturen kann der Lichtleiter eine Einzelstückstruktur aufweisen, oder kann alternativ zwei oder mehr Abschnitte umfassen, die miteinander gekoppelt sind. Der Lichtleiter kann eine Mehrmodenfaser sein zum Tragen von Licht der Frequenz ω, die durch die Lichtquelle 106 emittiert wird, in die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102, und zum Tragen zweiter und/oder höherer Harmonischer, die sich aus dem Hochmischprozess ergeben. Die Harmonischen können für Telekommunikationsanwendungen verwendet werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Lichtleiter nur zu dem Auslassende 122 der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann Licht, das die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 verlasst, über einen Faser-Luft-Koppler in die Luft emittiert werden, wie z. B. für Anzeige- oder Projektionsanwendungen.
Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 hat eine ausreichende Länge von dem Einlassende 124 zu dem Auslassende 122, um effektiv mit dem Licht zu interagieren, das durch die Lichtquelle 106 emittiert wird, bevor das Licht von dem Auslassende 122 austritt. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur 102 kann beispielsweise eine Länge von etwa 5 μm bis etwa 150 μm aufweisen.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Resonatoren 108 an gegenüberliegenden Enden der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 beispielsweise Bragg-Spiegel sein.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel reflektiert die äußere Umhüllung 110 Licht, um Lichteinkapselung innerhalb der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 zu verbessern. Die Hülle 110 kann aus jedem geeigneten Material gebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Metamaterialstrukturen können ein Optischer-Gewinn-Medium, ein Pumpmedium oder andere Mechanismen für Verstärkung von höheren Harmonischen umfassen.
Die zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen haben andere optische Eigenschaften als die Komponenten, die diese Strukturen bilden. Die zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen haben elektromagnetische Materialeigenschaften von ihren periodischen resonanten Strukturen. Die zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen haben eine gewünschte Resonanzfrequenz, um einfallendes Licht mit einer Frequenz ω zu einer zweiten Harmonischen 2ω (λ/2) und/oder höheren Harmonischen (z. B. einer dritten Harmonische 3ω (λ/3) oder höheren geraden oder ungeraden Harmonische) hochzumischen. Die zweite Harmonische kann in dem sichtbaren Spektrum liegen. Die zweite Harmonische kann beispielsweise irgendwo innerhalb des Bereichs von etwa 400 nm zu etwa 700 nm liegen.
Das einfallende Licht, das durch die zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen umgewandelt wird, kann im Wesentlichen von einer einzelnen Wellenlänge, λ, sein, d. h. im Wesentlichen monolithisches Licht, beispielsweise innerhalb des Infrarotbereichs von etwa 1,1 μm bis etwa 1,6 μm. Bei beispielhaften Ausführungsbeispielen kann λ/2 innerhalb des Bereichs von etwa 620 nm bis 740 nm (rotes Licht), etwa 445 nm bis 500 nm (blaues Licht) oder etwa 500 nm bis 575 nm (grünes Licht) liegen. Folglich können die resonanten EM-Strukturen eine Frequenz des einfallenden Lichts (z. B. Infrarotlicht) zu sichtbarem Licht mit einer zweiten harmonischen Frequenz hochmischen, die derjenigen der Farben des sichtbaren Spektrums entspricht, wie z. B. rotem, blauem oder grünem Licht.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Metamaterialstrukturen hat die zusammengesetzte resonante EM-Struktur eine Lichtkopplungseffizienz von zumindest etwa 50%. Die „Lichtkopplungseffizienz” ist hierin definiert als der Prozentsatz der Intensität des einfallenden Lichts der Frequenz ω, das in die Resonanzmode der resonanten EM-Struktur einkoppelt und dieselbe erregt. Vorzugsweise hat die zusammengesetzte resonante EM-Struktur eine Kopplungseffizienz von etwa 50% bis etwa 70% für die Resonanzfrequenz. Das nichtlineare Material der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur kann die Umwandlungseffizienz der ausgewählten einfallenden Frequenz zu der Resonanzfrequenz der resonanten EM-Struktur erhöhen, wie z. B. von etwa 50% zu etwa 70%.
Der „Qualitätsfaktor”, Q, ist definiert durch: E_lokal = QE₀, wobei E_lokal das lokale elektrische Feld nahe der zusammengesetzten resonanten EM-Struktur ist, und E₀ die Elektrisches-Feld-Intensität in dem einfallenden Licht ist, das in die zusammengesetzte resonante EM-Struktur eingeführt wird und zu der Resonanzfrequenz umgewandelt wird. Ausführungsbeispiele der Metamaterialstruktur können einen Q-Wert >> 1 liefern. Das heißt, das lokale elektrische Feld QE₀ kann wesentlich verbessert werden, so dass E_lokal/QE₀ >> 1
Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel eines in 7 gezeigten Lichtverarbeitungssystems umfassen die Metamaterialstrukturen 700a, 700b und 700c einen ersten Lichtleiter 704a, einen zweiten Lichtleiter 704b bzw. einen dritten Lichtleiter 704c. Die Metamaterialstrukturen 700a, 700b und 700c umfassen auch eine erste zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702a mit einer Resonanzfrequenz ω_R1, eine zweite zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702b mit einer Resonanzfrequenz ω_R2, und eine dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702c mit einer Resonanzfrequenz ω_R3. Die erste, zweite und dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702a, 702b und 702c sind angeordnet, um mit einfallendem Licht zu interagieren, das sich entlang dem ersten, zweiten bzw. dritten Lichtleiter 704a, 704b und 704c ausbreitet, um das Licht zu einer ersten, zweiten bzw. dritten Farbe hochzumischen. Die unterschiedlichen Farben können gleichzeitig hergestellt werden oder in einer gewünschten zeitlichen Struktur hergestellt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel können die erste, zweite und dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702a, 702b und 702c jeweils die gleiche Struktur aufweisen, wie diejenige der in 1 gezeigten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 102 oder der in 4 bis 6 gezeigten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 402. Der erste, zweite und dritte Lichtleiter können jeweils die gleiche Struktur aufweisen, wie z. B. diejenige des in 1 gezeigten Lichtleiters 104. Bei anderen Ausführungsbeispielen können sich die zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen und Lichtleiter der jeweiligen Metamaterialstrukturen voneinander unterscheiden.
Wie es in 7 gezeigt ist, sind Lichtquellen 706a, 706b und 706c wirksam zugeordnet zu einer ersten, zweiten bzw. dritten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur 702a, 702b und 702c. Beispielsweise können die Lichtquellen 706a, 706b und 706c jeweils monochromatische Strahlung emittieren mit jeweiligen Frequenzen ω₁, ω₂ und ω₃, die sich entlang den jeweiligen Lichtleitern 704a, 704b und 704c ausbreitet, und hochgemischt wird zu zweiten und/oder höheren Harmonischen, z. B. zweiten Harmonischen 2ω₁, 2ω₂ und 2ω₃, durch die erste, zweite und dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur 702a, 702b und 702c. Die zweiten Harmonischen 2ω₁, 2ω₂ und 2ω₃ können beispielsweise die erste, zweite und dritte Farbe sein.
Die Farben, die durch die Metamaterialstruktur erzeugt werden, die die drei zusammengesetzten resonanten EM-Strukturen umfasst, können selektiv miteinander kombiniert werden, um mehrere unterschiedliche Farben zu erzeugen. Die additiven Primärfarben Rot, Grün und Blau können beispielsweise durch die Metamaterialstruktur erzeugt werden und dann kombiniert werden, um die additiven Sekundärfarben zu erzeugen. Grünes und blaues Licht können kombiniert werden, um Cyan zu erzeugen; rotes und blaues Licht können kombiniert werden, um Magenta zu erzeugen; grünes und rotes Licht können kombiniert werden, um Gelb zu erzeugen; und rotes, grünes und blaues Licht können kombiniert werden, um Weiß zu erzeugen.
Es wird in Betracht gezogen, dass Ausführungsbeispiele der Metamaterialstrukturen verwendet werden können, um Licht für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzeugen, wie z. B. Lichtprojektion, Anzeigen und optoelektronische Schaltungen (optische Verbindungen).
Es wird in Betracht gezogen, dass die Metamaterialstrukturen verwendet werden können, um eine helle Quelle aus verwickelten hochgemischten Photonen für Quantenkommunikation liefern zu können. Um verwickelte Photonen in dem sichtbaren Bereich zu erzeugen, kann eine Technik von zwei Photonen, die durch einen Doppelbrechungskristall verlaufen, verwendet werden.
Für Fachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne von der Wesensart oder wesentlichen Charakteristika derselben abzuweichen. Die derzeit offenbarten Ausführungsbeispiele sind daher in jeder Hinsicht als darstellend und nicht beschränkend zu sehen. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die angehängten Ansprüche angezeigt und nicht durch die vorhergehende Beschreibung, und alle Änderungen, die mit der Bedeutung und dem Umfang und der Äquivalenz derselben zusammenhängen, sind darin enthalten.
Zusammenfassung
Eine Metamaterialstruktur (100, 700a, 700b, 700c) für Lichtverarbeitung umfasst einen Lichtleiter (104, 704a, 704b, 704c) und eine zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur (102, 202, 302, 402) mit einer Resonanzfrequenz. Die zusammengesetzte resonante EM-Struktur ist angeordnet, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz des Lichts zu der Resonanzfrequenz hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische der Lichtfrequenz erzeugt. Verfahren zum Verarbeiten von Licht sind ebenfalls offenbart.

Claims

Eine Metamaterialstruktur (100) für Lichtverarbeitung, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Lichtleiter (104, 704a); und eine erste zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur (102, 202, 302, 402, 702a) mit einer ersten Resonanzfrequenz ω_R1, wobei die erste resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₁ des Lichts zu ω_R1 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₁ erzeugt.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 1, bei der: die zusammengesetzte resonante EM-Struktur (102, 402) eine resonante periodische Metamaterialstruktur umfasst, die folgende Merkmale umfasst: eine Mehrzahl von Metallnanoresonatoren, die (i) in einem nichtlinearen Material eingebettet sind, oder (ii) auf einer Oberfläche des nichtlinearen Materials angeordnet sind; oder eine Mehrschichtstruktur, die eine erste Metallschicht, eine Isolatorschicht auf der ersten Metallschicht und eine zweite Metallschicht auf der Isolatorschicht umfasst, wobei die Mehrschichtstruktur eine periodische Anordnung von ausgerichteten Löchern aufweist, die sich durch zumindest die erste und die zweite Metallschicht erstrecken.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 1, bei der der erste Lichtleiter (104) eine optische Faser mit einem verjüngten Abschnitt (116) mit reduzierter Querschnittsfläche umfasst, wobei der verjüngte Abschnitt in der ersten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur (102) angeordnet ist, um Koppeln des Lichts, das durch den ersten Lichtleiter getragen wird, mit der ersten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur zu verbessern.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale umfasst: einen zweiten Lichtleiter (704b); einen dritten Lichtleiter (704c); eine zweite zusammengesetzte resonante elektromagnetische Struktur (702b) mit einer zweiten Resonanzfrequenz ω_R2, wobei die zweite zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem zweiten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₂ des Lichts zu ω_R2 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₂ erzeugt; und eine dritte zusammengesetzte resonante elektromagnetische Struktur (702c) mit einer dritten Resonanzfrequenz ω_R3, wobei die dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur positioniert ist, um mit Licht zu interagieren, das sich entlang dem dritten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₃ des Lichts zu ω_R3 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₃ erzeugt.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 4, bei der: die zweite Harmonische von jeder von ω₁, ω₂ und ω₃ innerhalb des Bereichs von etwa 400 nm bis etwa 700 nm liegt; oder die zweite Harmonische von ω₁, ω₂ und ω₃ Rot, Grün beziehungsweise Blau entspricht.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 5, bei der: die erste, zweite und dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur jeweils eine resonante periodische Metamaterialstruktur umfassen, die folgende Merkmale umfasst: eine Mehrzahl von Metallnanoresonatoren, die (i) in einem nichtlinearen Material eingebettet sind, oder (ii) auf einer Oberfläche des nichtlinearen Materials angeordnet sind; und eine Mehrschichtstruktur, die eine erste Metallschicht, eine Isolatorschicht auf der ersten Metallschicht und eine zweite Metallschicht auf der Isolatorschicht umfasst, wobei die Mehrschichtstruktur eine periodische Anordnung von ausgerichteten Löchern aufweist, die sich durch zumindest die erste und die zweite Metallschicht erstrecken.
Die Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 5, bei der der erste, zweite und dritte Lichtleiter jeweils eine optische Faser umfassen, die einen verjüngten Abschnitt mit reduzierter Querschnittsfläche aufweist, wobei der verjüngte Abschnitt innerhalb der ersten, zweiten und dritten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur angeordnet ist, um Kopplung des Lichts, das durch den ersten, zweiten und dritten Lichtleiter getragen wird, mit der ersten, zweiten bzw. dritten zusammengesetzten resonanten EM-Struktur zu verbessern.
Ein Lichtverarbeitungssystem, das folgende Merkmale umfasst: eine Metamaterialstruktur gemäß Anspruch 5; eine erste Lichtquelle (706a), die angeordnet ist, um Licht zu emittieren, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbereitet; eine zweite Lichtquelle (706b), die angeordnet ist, um Licht zu emittieren, das sich entlang dem zweiten Lichtleiter ausbreitet; und eine dritte Lichtquelle (706c), die angeordnet ist, um Licht zu emittieren, das sich entlang dem dritten Lichtleiter ausbreitet.
Ein Verfahren zum Verarbeiten von Licht mit einer Metamaterialstruktur, wobei das Verfahren das Ausbreiten von Licht entlang einem ersten Lichtleiter umfasst, der sich durch eine erste zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer ersten Resonanzfrequenz ω_R1 erstreckt, wobei die erste zusammengesetzte resonante EM-Struktur mit Licht interagiert, das sich entlang dem ersten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₁ des Lichts zu ω_R1 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₁ erzeugt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner folgende Schritte umfasst: Ausbreiten von Licht entlang einem zweiten Lichtleiter, der sich durch eine zweite zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz ω_R2 erstreckt, wobei die zweite zusammengesetzte resonante EM- Struktur mit Licht interagiert, das sich entlang dem zweiten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₂, des Lichts zu ω_R2 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₂ erzeugt; und Ausbreiten von Licht entlang einem dritten Lichtleiter, der sich durch eine dritte zusammengesetzte resonante elektromagnetische (EM-)Struktur mit einer dritten Resonanzfrequenz ω_R3 erstreckt, wobei die dritte zusammengesetzte resonante EM-Struktur mit Licht interagiert, das sich entlang dem dritten Lichtleiter ausbreitet, um eine Frequenz ω₃, des Lichts zu ω_R3 hochzumischen, was zweite und/oder höhere Harmonische von ω₃ erzeugt; wobei: die zweite Harmonische von jeder von ω₁, ω₂ und ω₃ innerhalb des Bereichs von etwa 400 nm bis etwa 700 nm liegt; oder die zweite Harmonische von ω₁, ω₂ und ω₃ rotem, grünem beziehungsweise blauem Licht entspricht.