科學(xué)家發(fā)現(xiàn)負(fù)折射材料可制作光開關(guān)

負(fù)折射超材料(negative-index metamaterial, NIM)是一種人造系統(tǒng),具有負(fù)的等效折射率,因此衍生出許多新奇的光學(xué)特性。NIM的缺點(diǎn)之一是吸收問題,不過最近美國科學(xué)家利用這個缺點(diǎn)設(shè)計(jì)出新型的光開關(guān)或稱調(diào)制器,在操作上不僅比現(xiàn)行組件速度更快,體積也更輕巧。

惠普(Hewlett-Packard)實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)柏克萊分校的研究人員表示,這是NIM第一次被用來調(diào)制近紅外光波段的光。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的調(diào)制器主要采用的是"魚網(wǎng)"狀的NIM,該結(jié)構(gòu)在特定近紅外波段會因?yàn)楣舱穸哂胸?fù)的介電常數(shù)及導(dǎo)磁系數(shù),此現(xiàn)象除了造成光的負(fù)折射外,還會影響NIM的光穿透率。

NIM調(diào)制器主要是由兩層25 nm厚的銀包夾厚80 nm的硅層。銀層上布滿以納米技術(shù)制造的微小矩形孔洞,形成網(wǎng)狀交叉的方形數(shù)組。網(wǎng)線在兩個方向的間距皆為320 nm,寬度則分別為220及110 nm。在上述結(jié)構(gòu)中,磁共振與三明治結(jié)構(gòu)有關(guān),電共振則源于交叉的網(wǎng)線。

研究人員以波長1700 nm的紅外激光器及532 nm的可見光激光器光照射此組件,后者是用來控制前者的穿透率?梢姽饧す馄髂茉诠鑼蛹ぐl(fā)電子電洞對,使發(fā)生共振的波長稍微偏移,將紅外光激光器的穿透率提升50%。研究人員指出50%的改變量已足以制作調(diào)制器,進(jìn)一步改良結(jié)構(gòu)還可能提高至90%。此外,激光脈沖實(shí)驗(yàn)顯示NIM開關(guān)切換只需58皮秒,亦即此組件的開關(guān)頻率高達(dá)數(shù)十GHz,隨著組件的優(yōu)化,還可能提高至100 GHz,遠(yuǎn)超過目前任何商用調(diào)制器的速度。

NIM調(diào)制器的操作波段屬于近紅外光,因此很適合做為光通訊組件。相較于電吸收調(diào)制器(electro-absorption modulator)受限于選用半導(dǎo)體的能隙,NIM只需改變結(jié)構(gòu)尺寸即可設(shè)計(jì)出適用各種波長的組件。盡管如此,還有許多問題有待解決,如何將目前的光激發(fā)改成電激發(fā)即為一例。詳見App. Phys. Lett. 91, 173175 (2007)。

原始網(wǎng)站: http://optics.org/cws/article/research/31696


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