面向红外线的“左手材料” 将成为光通信领域的新旗手

清风明月

面向红外线的“左手材料” 将成为光通信领域的新旗手


      位于美国印第安那州的普渡大学(Purdue University)全球首次开发成功了在波长1.5μm的红外线区域呈现负折射率的人造介质“左手性特异材料（LHMs：Left-Handed Metamaterials，以下简称：左手材料)”。该大学提交的论文《Negative index of refraction in optical metamaterials》已刊登在光控技术在线学术论文杂志《Optics Letters（光学快报）》上。波长为1.5μm的红外线在光通信领域已被广泛采用。在光通信控制技术方面，此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶，而此次LHMs的开发成功，则提供了一种全新的光控方法。
/ u9 k" x6 v9 f& Y6 [8 j9 O2 x        特异材料（Metamaterials）的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成的新的传输介质。其中，左手材料的特点是：对通过人造介质传播的电磁波的有效介电率（ε）和有效透磁率（μ）均为负值，结果折射率也呈负值。如果采用这种介质，除了可加工出具有特殊效果（比如焦点精度超过衍射极限等“原来根本不可能”的性质）的镜头外，还可开发出具有前所未有的新特性的天线和滤波器等各种模拟元件。
4 V6 t, P! _) b" C( D       “左手性”这一说法的来历是：当ε和μ均为负值时，电磁波的电场E的方向、磁场H的方向，以及波面前进的方向，分别与人的左手大拇指、食指及中指相对应。而传播普通电磁波的物质方面，ε和μ均为正值时，E、H、K的关系就是“右手性”。
        一般来说，特异材料的ε和μ的数值对被传播的电磁波的波长有很大的依存性。这样一来，左手材料的性能就会限制在某一特定波长带内。左手材料于1999年首次发现。只能在波长数十cm的特定波长的微波下表现出左手性。最近，可在波长更短的电磁波下表现出左手性的特异材料正在开发之中，此次的红外线LHMs的开发就是其中之一。
8 c; J( n1 ^3 T* }" H' f. l       构成要素采用“光LC共振电路”
       作为基本构成要素，此次的LHMs在SiO2介质中以相等间隔嵌入了称为“纳米棒（Nano Rods）”的780nm×220nm的微小金属片（照片）。如果仔细观察该纳米棒，就会发现采用的是在两枚金属片中间夹着SiO2层的粘合构造（从下到下依次为Ti（5nm）/Au（50nm）/Ti（5nm）/SiO2（50nm）/Ti（5nm）/Au（50nm））。论文表示，“当电磁波在两枚金属片之间通过时会产生涡状电流，从而就会生成与电磁波相反的磁场，由两枚金属片构成的双层构造就是凭借这一原理来作为‘光LC共振器（optical LC-circuit）’工作的”。结果，面向红外线的ε和μ就变成了负值。这时的折射率大约为-0.3。