JP2015043617A - 面及び導波路のためのメタ材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】相補型メタ材料共鳴要素は、「スプリットリング共鳴器」(SRR)及び「電気LC」(ELC)メタ材料のBabinet相補型を有する。相補型メタ材料要素を、平坦な導波路の境界面に埋め込み、ビーム操作及び/又は集束デバイス、アンテナアレイフィード構造をもつ屈折率分布型レンズに基づく導波路を実装する。
【選択図】図3
Description
本出願は、2008年8月22日に出願され参照することによりここで引用されている仮特許出願第61/091,337号の優先権の利益を主張する。
・有効誘電率、透磁率、又は屈折率の構造がゼロに近い
・有効誘電率、透磁率、又は屈折率の構造がゼロよりも小さい
・有効誘電率、透磁率、又は屈折率の構造が不定テンソルである(すなわち、正及び負の双方の固有値を有する)
・例えば、ビームの集束、平行化、又は操作のための分布構造
・例えば、挿入損失を減らすためのインピーダンス整合構造
・アンテナアレイのためのフィード構造
・CELC及びCSRRといった相補型メタ材料要素を使用して、例えば、インピーダンス整合、分布設計、分散制御を目的として、面又は導波路の磁気的及び電気的応答をそれぞれ実質的に独立して構成する
・調整可能な物理パラメータを有する相補型メタ材料要素を使用して、(例えば、ビーム操作デバイスの操作角度又はビーム集束デバイスの焦点長さを調整するために)対応して調整可能電磁応答を有するデバイスを提供する
・RFマイクロ波、又はそれよりも高い周波数(例えば、ミリ波、赤外線、及び可視光の波長)で動作し得る面構造及び導波路構造
概要
非共鳴メタ材料要素を使用して、低い材料損失及び高い周波数帯域幅を呈する複雑な屈折率分布型オプティクスを構成することを示す。構造の範囲は、電気応答のみに限定され、誘電率は常に1に等しいか又はこれよりも大きいが、それでもなお、非共鳴要素を利用することによって多くのメタ材料構成の可能性を有する。例えば、光素子の反射減衰量を激減させる分布を有するインピーダンス整合層を付加することができ、光素子を基本的に無反射且つ無損失にする。マイクロ波の実験では、屈折率分布型レンズ及びビーム操作要素を具える広帯域構成の概念を示し、それら双方がX帯域全体(ほぼ8乃至12GHz)にわたって動作するよう確認されている。
ここで、θ=ωρ√εμでρは、単位胞の周期性である。
を示しており、空間的な分散因子を除去した後に通常のDrude−Lorentz共鳴が形成する。
図1(a)挿入図に示す繰り返し単位胞から成るメタ材料に関する抽出された誘電率;(b)挿入図に示す繰り返し単位胞から成るメタ材料に関する抽出された透磁率。(c)抽出されらパラメータの歪み及びアーチファクトは、空間的な分散によるものであり、下の図に示すDrude−Lorentzのような共鳴を見付けるよう除去し得る。
ここで、ωpはプラズマ周波数で、ω0は共鳴周波数で、Γは減衰因子である。ε(ω)=0のときの周波数は、
のときに生じる。
この式は、ゼロ周波数での誘電率へのポラリトン共鳴の寄与を記載するLyddane−Sachs−Teller関係を思い起こさせる[4]。共鳴から遠い周波数では、誘電率が共鳴周波数に対するプラズマの比の自乗だけ1とは異なる一定値に近付くことがわかる。誘電率の値は必ず正で1よりも大きいが、誘電率は、分散せず喪失しない−相当量の平均値である。このような特性が、分割リング共鳴器といった、一般に以下のような形式の有効透磁率によって特徴付けられる磁気的メタ材料媒体に拡張されないことに留意されたい。
これは、低い周波数限界で1に近付く。人工的な磁気的効果は分極ではなく誘導に基づくため、人工的な磁気共鳴がゼロ周波数で消失する。
ここで、εa=1.9である。付加的なフィッティングパラメータが、基板の誘電率からの影響及び高次の共鳴からのDC誘電率への寄与の実際の状況を示し得る。誘電率の予測される値と抽出される値の間に顕著な不一致があるが、これらの値は同じ次元であり、明らかに同じ傾向を示す:高周波の共鳴特性は、ゼロ周波数の分極率に強く相関する。要素の高周波の共鳴特性を修正することによって、任意の値にゼロ及び低周波誘電率を調整し得る。
表1.単位胞の寸法aの関数としてのゼロ周波数誘電率の予測値及び実測値。
ここで、Lは、閉リングのアームに関するインダクタンスであり、Cは隣接する閉リング間の静電容量である。一定の単位胞の大きさでは、導電リングの厚さw又はその長さaを変えることによって、インダクタンスを調整し得る。主にリングの大きさ全体を変えることによって、静電容量を制御し得る。
図2 閉リングの媒体の抽出結果(オンライン測色)。全てのケースにおいて、コーナーの曲率半径は、0.6mmであり、w=0.2mmである。(a)a=1.4mmでの抽出結された誘電率。(b)いくつかの値のaについての抽出された屈折率及びインピーダンス。低周波領域を示す。(c)寸法aと抽出された屈折率と波動インピーダンスとの間の関係。
図3 設計された屈折率分布構造に関する屈折率の分布。(a)線形的な屈折率分布に基づくビーム操作要素。(b)高次の多項式屈折率分布に基づくビーム集束レンズ。双方の構造において、構造の挿入損失を改善するよう与えられるインピーダンス整合層(IML)の存在に気付く。
図4 メタ材料構造が空間的座標とともに変動する作製された試料。
ここで、xは、レンズの中央からの距離である。また、IMLレンズを使用して、試料を自由空間に適合させた。このようなケースでは、IMLの屈折率のプロファイルは、n=1.15乃至n=1.75に直線的に傾斜し、n=1.75の値はレンズの中央の屈折率に適合するよう選択された。ビーム操作レンズに関するビーム集束レンズに関して同じ単位胞構成を使用した。
図5 ビーム操作レンズのフィールドマッピング測定。レンズは、入射ビームを16.2度の角度に偏向させる原因となる直線的な屈折率分布を有する。実験装置のX帯域に及ぶ4つの異なる周波数で取り込まれる同一のマップに見られるように、効果は広帯域である。
図6 ビーム集束レンズのフィールドマッピング測定。レンズは、入射ビームを1つの点に集束させる中心(本文に与えられている)に対して対称的なプロファイルを有する。また、実験装置のX帯域に及ぶ4つの異なる周波数で取り込まれる同一のマップに見られるように、機能は広帯域である。
本研究は、契約番号FA9550−06−1−0279の複数の大学研究構想を通して空軍科学研究局のサポートの元に行われた。TJC,QC及びJYCは、認可番号2004CB719802の中国国家基礎研究計画(973)、認可番号111−2−05の111プロジェクト、InnovateHan Technology Ltd.及び認可番号60671015及び60496317の中国国家科学財団からの支援を認めるものである。
[1]J.B.Pendry,D.Schurig,D.R.Smith Science 312,1780(2006)
[2]D.Schurig,J.J.Mock,B.J.Justice,S A.Cummer,J.B.Pendry,A.F.Starr and D.R.Smith,Science 314,977−980(2006).
[3]R.Liu,T.J.Cui,D.Huang,B.Zhao,D.R.Smith,Physical Review E 76,026606(2007)
[4]C.Kittel,Solid State Physics(John Wiley & Sons,New York,1986),6th ed.,p275
[5]D.R.Smith,P.M.Rye,J.J.Mock,D.C.Vier,A.F.Starr Physical Review Letters,93,137405(2004)
[6]T.Driscoll.et.al.Applied Physics Letters 88,081101(2006)
[7]B.J.Justice,J.J.Mock,L.Guo,A.degrion,D.Schurig,D.R.Smith,Optics Express 14,8694(2006).
Claims (23)
- 導波路と、
前記導波路に沿って分布する複数の調整可能な要素であって、それぞれが前記導波路の誘導波モードに対する双極子応答を有し、前記導波路の境界導電面の複数の開口に対応する、調整可能な要素と、
を具えることを特徴とする装置。 - 前記双極子応答が、磁気双極子応答であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記双極子応答が、電気双極子応答であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記導波路が、平面導波路であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記導波路が、伝送線構造であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記導波路が、マイクロストリップ導波路であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記調整可能な要素が、非線形誘電材料を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記非線形誘電材料が、強誘電材料であることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記調整可能な要素が、光感受性材料を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記調整可能な要素が、フェリ磁性又は強磁性材料を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記調整可能な要素が、調整可能な静電容量を有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記調整可能な要素がバラクタを有し、前記調整可能な静電容量が調整可能なバラクタの静電容量であることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 電磁気的関数を選択するステップと、
導波路の境界導電面の複数の開口に対応する複数の調整可能な要素を具える導波路に関して、前記調整可能な要素の調整可能な双極子応答の値を決定し、前記電磁気的関数を与えるステップと、
を具えることを特徴とする方法。 - 前記調整可能な双極子応答が、1又はそれ以上の制御入力の関数であり、前記方法が、
前記調整可能な双極子応答の決定値に対応する前記1又はそれ以上の制御入力を与えるステップを有することを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記調整可能な要素が能動デバイスを有しており、
前記1又はそれ以上の制御入力を与えるステップが、前記能動デバイスに関するバイアス電圧を調整するステップを有することを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記能動デバイスがバラクタを有することを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記調整可能な要素が、強誘電体を有しており、
前記1又はそれ以上の制御入力を与えるステップが、前記強誘電体にバイアスのかかった電場を印加するステップを有することを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記調整可能な要素が、強磁性体を有しており、
前記1又はそれ以上の制御入力を与えるステップが、前記強磁性体にバイアスのかかった磁場を印加するステップを有することを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記調整可能な要素が、光活性材料を有しており、
前記1又はそれ以上の制御入力を与えるステップが、前記光活性材料に照射するステップを有することを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記決定するステップが、回帰分析にしたがって決定するステップを有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記決定するステップが、ルックアップテーブルで決定するステップを有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記調整可能な双極子応答が、調整可能な磁気双極子応答であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記調整可能な双極子応答が、調整可能な電気双極子応答であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
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