メタマテリアルを含む構造を使用した光学的変調
【課題】光学的変調システムを提供すること。
【解決手段】光学的変調システムであって、メタマテリアル構造であって、メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過状態と非透過状態を変化する、メタマテリアル構造と、外部の刺激源であって、外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結されており、外部の刺激源は、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態にメタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源とを含み、光学的変調システムは、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
【解決手段】光学的変調システムであって、メタマテリアル構造であって、メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過状態と非透過状態を変化する、メタマテリアル構造と、外部の刺激源であって、外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結されており、外部の刺激源は、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態にメタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源とを含み、光学的変調システムは、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（背景）
光学的信号の変調は、１つの源またはロケーションから別の源またはロケーションへ光学的データの送信を促進する。このコミュニケーションの形態は、さまざまな異なる用途に対して有用であり得る。
【０００２】
光学的信号を変調するための公知のシステムは、多重量子井戸（ＭＱＷ）変調器、液晶（ＬＣ）変調器または１つ以上の鏡反射器が機械的に操作されるか、または信号の変調を達成するために入来信号に関して傾けられる他の技術を採用するシステムの使用を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記で説明された技術は、入来信号の変調に対して有用であり得る一方で、製造するのにコストがかかり得、ギガヘルツ範囲またはさらに大きな範囲の周波数では変調率を達成不可能であり得るといった点で限定される。
【０００４】
製造が容易で、比較的安価であり、高比率（例えば、高バンド幅コミュニケーション用途に対して使用を促進する）での変調を提供する光学的変調デバイスを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（要約）
本発明の実施形態に従って、光学的変調システムは、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されているメタマテリアル構造を含む。ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過状態と非透過状態とで変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結され、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することで、メタマテリアル構造を透過状態と非透過状態に変化させるように構成されている。光学的変調システムは、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して、変調する変調された光学的信号を出力するために、入力光学的信号を処理する。
【０００６】
メタマテリアル構造を形成する際の使用に対して適切なメタマテリアルの非限定的例は、バナジウムの酸化物（例えば、二酸化バナジウム）である。
【０００７】
本発明の別の実施形態に従って、光学的コミュニケーションシステムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含む。処理ステーションは、メタマテリアル構造および外部の刺激源を含む。メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し処理するように構成されており、ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過的状態と非透過的状態を変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結されており、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、メタマテリアル構造を透過的状態と非透過的状態とで変化させるように構成されている。光学的コミュニケーションシステムは、入力光学的信号を処理し、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して、変調する変調された光学的信号を出力する。
【０００８】
本発明のさらなる実施形態に従って、光学的信号を変調する方法は、第一ステーションで作動波長の入力光学的信号を受信することと、受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造に向けることと、メタマテリアル構造の光学的状態を、作動波長の光学的信号に関して透過状態と非透過状態で変化させるために、外部の刺激パルスをメタマテリアル構造に適用することと、メタマテリアル構造に向けられた入力光学的信号から変調された光学的信号を生成することと、変調された光学的信号を第二ステーションに送信することとを含む。変調された光学的信号は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激パルスに対応して変調される。
【０００９】
本発明の光学的限定構造は、メタマテリアルの急速切り替えをすることにより光学的信号の対応する急速変調を促進するための急速切り替え、広い波長範囲にわたる光学的信号を処理し、メタマテリアル構造により処理される光学的信号に対して高い変調比率を提供する能力、同時に別個の波長領域を使用して異なる信号を処理する能力を制限なしに含む多くの利点を提供する。
【００１０】
本発明の上記特徴および利点、およびさらなる特徴および利点は、特に添付の図面（さまざまな図の類似の参照数字は類似のコンポーネントを示すために使用されている）との関連でみたとき、以下の特定のその実施形態の詳細な説明を考慮すると、明らかとなる。
【００１１】
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１） 光学的変調システムであって、該光学的変調システムは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との間で、該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的変調システムは、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、該入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
（項目２） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
（項目３） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
（項目４） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が該システムから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
（項目５） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
（項目６） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
（項目７） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、上記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
（項目８） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの上記反射面を含む少なくとも１つの再帰反射器をさらに含む、システム。
（項目９） 光学的コミュニケーションシステムであって、該システムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含み、処理ステーションは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態との間で該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的コミュニケーションシステムは、該入力光学的信号を処理し、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する、光学的変調システム。
（項目１０） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が上記第一ステーションから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
（項目１１） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
（項目１２） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、上記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
（項目１３） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
上記第二ステーションの出力変調された信号を向けるように配列された複数の反射面を含む再帰反射器をさらに含む、システム。
（項目１４） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
（項目１５） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
（項目１６） 上記項目のいずれかのシステムであって、外部の刺激源は、上記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との変化を生じるように、熱を発生させる、システム。
（項目１７） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
（項目１８） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
（項目１９） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、少なくとも約１００ＭＨｚの周波数を有する出力変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
（項目２０） 光学的信号を変調する方法であって、該方法は、
第一ステーションの作動波長の入力光学的信号を受信することと、
該受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造へ向けることと、
該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との該メタマテリアル構造の光学的状態を変化させるために、外部の刺激パルスを該メタマテリアル構造へ適用することと、
該メタマテリアル構造へ適用された該外部の刺激パルスに対応して変調される変調された光学的信号を、該メタマテリアル構造へ向けられた該入力光学的信号から、生成することと、
該変調された光学的信号を第二ステーションへ送信することと
を含む、方法。
（項目２１） 上記項目のいずれかの方法であって、上記入力光学的信号は、上記第二ステーションから上記第一ステーションへ送信される、方法。
（項目２２） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、反射器の反射面の少なくとも一部に対して提供され、該反射器は、該メタマテリアルが透過状態のとき、光学的信号の一部を反射する、方法。
（項目２３） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、方法。
（項目２４） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、方法。
（項目２５） 上記項目のいずれかの方法であって、上記変調された光学的信号は、上記メタマテリアル構造が透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して生成され、該方法は、
該変調された光学的信号の一部を形成しない上記入力光学的信号の他の一部が、上記第一ステーションから伝達することを妨害することをさらに含む、方法。
（項目２６） 上記項目のいずれかの方法であって、上記外部の刺激パルスは、上記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態の変化を生じさせるための熱のパルスを含む、方法。
【００１２】
摘要
光学的変調システムは、少なくとも１つの作動波長の入力光学的信号を受信し処理するように構成されているメタマテリアル構造を含み、ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して作動波長（単数または複数）の光学的信号（単数または複数）に関して、透過状態と非透過状態を変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結され、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、メタマテリアル構造を透過状態と非透過状態で変化させるように構成されている。光学的変調システムは、入力光学的信号を処理し、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に従った、メタマテリアル構造の概略の描写である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に従った、メタマテリアル構造の概略の描写である。
【図２Ａ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｂ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｃ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｄ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に従って、光線または特定の波長における光学的信号に関して、透過状態と非透過状態を切り替え得るメタマテリアルまたは相変化素材構造を含む光学的変調デバイスを使用することで、光学信号の変調が達成される。メタマテリアルは、外部の刺激にさらされたときに、物理的状態において可逆的変化を被る。メタマテリアル構造の物理的状態の変化は、メタマテリアルの光学的プロパティを、１つ以上の特定の波長の光を透過または遮断する能力に関して改変する。メタマテリアル構造を使用した光学的信号の変調は、２つ以上のソースまたはロケーション間での光学的コミュニケーションに対し有用である。
【００１５】
光学的変調構造を形成するために使用される適切なメタマテリアル（相変化素材とも呼ばれる）は、臨界温度以上で熱した際、可逆的相移行を被る熱変色性または光発色性素材を制限なしに含む。臨界温度を十分下回る温度まで冷却されると、それに応じて相移行は可逆的（つまり、素材は元の物理的状態に変化して戻る）である。あるメタマテリアルの物理的状態間における変化は、非常に高速（例えば、ＶＯ２に対して７５フェムト秒もの速さ）であり得、このことは、数百ＧＨｚまたはそれ以上（例えば、デバイスが素材の移行時間により主に限定されると仮定すると、ＶＯ２に対して、変調率は６．７ＴＨｚもの高さになり得る）もの光学的信号の非常に高い変調率を可能にする。メタマテリアル構造は、また、特定の用途に基づいた光学的信号に対して、少なくとも約１００ＭＨｚの変調率またはそれよりさらに低い変調率を含むより低い変調率の提供を促進する。
【００１６】
光学的変調構造を形成するために用いられ得る適切な熱変色性素材の例は、ＷＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２（ここでｙ≦１）、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３（ここでｙ≦１）、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３（ここでｙ≦１）、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７（ここでｙ≦１）、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４、亜マンガン酸塩タイプＲＥｘＡＥ１−ｘＭｎＯ３の混合酸化物（ここで、ＲＥはランタンまたはプラセオジムのような希土類金属であり、ＡＥはカルシウムのようなアルカリ土類金属であり、ｘ≦１である）、（ＮｉＡｌのような）金属間化合物、およびこれら化合物の任意の組み合わせのような金属酸化素材を制限なしに含む。他の適切な熱変色性素材は、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、ポリアニリン（例えば、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリン）、ジブロック（例えば、ポリ［スチレン−ｂ−イソプレン］またはＰＳ−ｂ−ＰＩ）およびトリブロック（例えば、ロッドコイルコポリマーポリ［ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）−ｂ−ポリフルオレン−ｂ−ポリ（Ｎ−イソプロポピルアクリルアミド）］）コポリマーのようなナノ構造ポリマーのようなポリマーを含む。
【００１７】
光学的変調構造における使用のための適切なメタマテリアルの例は、二酸化バナジウムのようなバナジウム酸化物である。酸化バナジウムは、ＶＯ２およびＶ２Ｏ３を含むさまざまな異なる酸化物形態を有する。二酸化バナジウム、ＶＯ２は半導体相（ここでＶＯ２は単斜晶構造を有する）から金属相（ここでＶＯ２は正方晶構造を有する）へ、約６８℃の第１の臨界温度で、可逆性移行を被る。この臨界温度での移行相変化は、電気的および光学的プロパティの両方における急速な変化（７５フェムト秒もの速さ）を示すＶＯ２という結果になる。半導体（冷）相と金属（温）相の間のこの温度により引き起こされる相移行で、ＶＯ２は、１．２マイクロメートル（ミクロン）という赤外線に近い（近赤外）波長における光の透過を実質的に限定または遮断する光学的「遮断剤」の役割をする。ＶＯ２の温度が６８度より低い第２の臨界温度下まで落ちたとき、元の半導体状態に急速に移行して戻り、近赤外波長の光の透過を促進する。
【００１８】
加えて、あるドーパントが、メタマテリアルに結合され得、１つ以上の選択された波長の光の透過を遮断または限定するためにメタマテリアルが移行する臨界温度においてシフトまたは変化を達成する。適切なドーパントの例は、タングステン、フッ素、チタン、クロムおよびその組み合せを制限なしに含み、ここでドーパントまたはドーパントの組み合わせは、約０．０５原子％から約５原子％までの範囲の密度における熱変色性素材内で提供される。例えば、ＶＯ２化合物が半導体相から金属相へ移行する臨界温度を約６８℃から室温と同程度に低い温度（例えば、約２７℃）またはそれより低い温度に下げるために、ＶＯ２はタングステンのようなドーパントでドープされ得る。
【００１９】
メタマテリアルが、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの範囲のさまざまな異なる波長の光を実質的に限定または遮断し得るために、メタマテリアルの波長を調整するまたはシフトを達成することがさらに可能である。例えば、本明細書で、参照することで、全体的に組み込まれている同時係属中の米国特許出願第１２／４７９，３１１号の開示で説明されるように、非透過状態へ切り替えられたとき、メタマテリアルが光の透過を典型的に遮断または実質的に限定する作動波長は、改変され得、特定の波長またはシフトが少なくとも約１５０ｎｍにより調製され得る波長範囲に微調整され得ることが明らかとなった。メタマテリアルが光に対して非透過性となる作動波長のこのシフトおよび微調整は、ある素材とメタマテリアルの組み合わせを含む構造を形成し、構造をある幾何学的パターンまたはアレイに配列することにより達成され得る。
【００２０】
特に、メタマテリアル構造は、メタマテリアルまたは位相変化素材の層が１つ以上のナノサイズの粒子を含んだ層に対して提供される層になった構造を含むことで形成され得る。メタマテリアル層は、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムおよび任意の組み合わせ、合金（例えば、金／銀合金、金／銅合金など）、および／またはそれら金属の酸化物（例えば、酸化銀）のような１つ以上の金属を含むナノサイズの粒子のパターン化されたアレイを含む層に対して提供され得る。メタマテリアル構造は、ナノサイズの粒子層および／またはメタマテリアル層の任意に選択された組み合わせにより形成され得る。１つの例において、メタマテリアル構造は、ナノサイズの粒子（例えば、金属粒子および／または酸化金属粒子）のアレイを含む層に対して配置されたメタマテリアル層により形成され得る。別の例において、メタマテリアル構造は、メタマテリアル層に対して配置されたナノサイズの粒子層により形成され得る。さらなる例において、メタマテリアル構造は、配置されたナノサイズの粒子、または２つの薄膜またはメタマテリアルの層に「はさまれた」ナノサイズの粒子のアレイを含む層により形成され得、ここで、各メタマテリアル層は、同じメタマテリアルまたは異なるメタマテリアルまたはメタマテリアルの組み合わせを含み得る。さらに別の例において、メタマテリアルは、ナノサイズの粒子の表面部に対して形成され得、ここで、メタマテリアル層の連続が（各ナノサイズの粒子の部分に対する「帽子」または部分的な覆いを形成するために）個々の粒子に対してか、または覆いをつけられた粒子または覆いをつけられた粒子のセット間で維持される覆いをつけられていないスペースを有する粒子のセットに対して形成されるために、ナノサイズの粒子間のスペースは、メタマテリアルにより覆いがかぶされない状態を維持する。
【００２１】
ナノサイズの粒子は、好ましくはわずか約１０００ナノメートル（ｎｍ）の断面的な寸法（例えば、長さ、幅、厚さおよび／または直径の寸法）、より好ましくは約５００ｎｍに過ぎない、さらに好ましくは約３００ｎｍに過ぎない寸法を有する１つ以上の金属または酸化金属を含み得る。異なるメタマテリアルおよび異なる金属、異なる層の厚さ、異なるサイズ、形および／またはナノサイズ（例えば、金属または酸化金属）の粒子アレイの配列を含む多数の異なるパラメータの選択は、結果の構造が光学的遮断剤として機能し得るか、または所望の波長の光を実質的に遮断し得る波長の微調整となる。ここで、波長の微調整は約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルの範囲に対して生じ得る。
【００２２】
例として、ＶＯ２は、１．２マイクロメートルの波長における光学的遮断剤として機能するために半導体層と金属層で切り替えられ得る。ＶＯ２の層がつけられた構造は、１２００ｎｍのＩＲまたは近ＩＲの範囲を超えて、１．２マイクロメートルより大きな作動波長（例えば、少なくとも約１．４マイクロメートル）までの波長の光の透過を遮断または実質的に限定するようにＶＯ２の光学的遮断性質はセットされる構造に形成され得る。酸化バナジウム構造は、また、可視範囲（約８００ｎｍから約４００ｎｍ）、また紫外線範囲（４００ｎｍより短い）まで青方偏移された波長の光に関して、透過状態と非透過上体をＶＯ２構造が切り替える構造に形成され得る。他のメタマテリアル構造は、また、ＶＯ２に対して述べたとの同じまたは類似の波長領域の光に関して、その非透過的な状態において、メタマテリアルが光学的遮断プロパティを示す波長をシフトするようにメタマテリアルが構成または微調整される構造に形成され得る。そのような構造を形成する方法は、米国特許出願第１２／４７９，３１１に詳細に説明される。
【００２３】
メタマテリアル構造の、光学的に透過状態と非透過状態間の急速切り替えは、メタマテリアルの異なる光学的状態間のメタマテリアルの急速切り替えを達成する任意の適切な外部の刺激を使用することで達成され得る。ＶＯ２のような熱変色性素材に対して、素材の光学的透過状態と非透過状態の切り替えを生じる温度まで素材を急速に熱する適切な熱源が使用され得る。
【００２４】
１つの例示的実施形態において、抵抗発熱源が、図１Ａに示されるようにメタマテリアルの急速発熱を達成するためにメタマテリアル構造内に統合され得る。特に層となっている構造２は、回路基盤４を含み、その上に刺激素材が（例えば、構造５のアレイに）置かれ、メタマテリアル構造６は回路基盤４および刺激素材５に対して置かれる。回路基盤４および刺激素材５は、電流が回路基盤４に適用されたとき、メタマテリアル構造６を熱する抵抗発熱構造として機能するよう適切な素材を含む。図１Ｂに示される別の例示的実施形態において、光エネルギー源８（例えば、レーザー源）が、光エネルギー（光線１０として示される）をメタマテリアル構造６の方へ向けるために使用され得、構造に光を当て、構造を急速に熱してその光学的透過状態を変化させる。メタマテリアル構造６は、メタマテリアル、またはナノサイズの金属粒子または酸化金属の粒子のアレイのような金属粒子または酸化金属粒子と組み合わせたメタマテリアルを含み得る。回路基板素材の選択は、透過状態および非透過状態の両方の性質に影響を与える。
【００２５】
外部の刺激は、メタマテリアルの光学的透過状態と非透過状態間の、結果として生じる急速な切り替えを達成するため、急速なペースでパルスされ得る（例えば、図１Ａの実施形態に対してパルスされた電流または図１Ｂの実施形態に対してパルスされた光線）。そのようなメタマテリアルの光学的透過／非透過状態の急速な切り替えは、メタマテリアルに対して透過された光学的信号の急速な変調を提供するために使用され得る。言い換えれば、光学的信号の変調は、メタマテリアルの透過性の変調を介して達成され得る。
【００２６】
メタマテリアル構造は、メタマテリアルが光学的に透過状態であるとき、選択または作動波長の光に対して、構造が実質的に透明であるために、高い透過性を有するように好ましくは選択される。メタマテリアル構造は、また、好ましくは実質的に不透明および／または反射的であり、そのためにメタマテリアルが非透過状態であるとき、作動波長の光に対して低い透過性を有する。メタマテリアル構造は、メタマテリアルが外部の刺激源により刺激を与えられるのに先立ち透過状態であり、外部の刺激源より刺激を与えられると非透過状態になるように、さらにデザインされ得る。あるいは、メタマテリアル構造は、外部の刺激源により刺激を与えられるのに先立ち非透過状態であり、外部の刺激源より刺激を与えられると透過状態になるように、デザインされ得る。
【００２７】
メタマテリアル構造を形成するためにＶＯ２を用いたとき、メタマテリアル構造は、ＶＯ２が透過状態のとき、少なくとも約９５％の透過性を有し、ＶＯ２が非透過状態のとき、わずか約０．０１％の透過性を有するようにデザインされ得る。透過および非透過状態のとき、同じまたは類似の透過性を有する他のメタマテリアルも選択され得る。本明細書で用いられるように、透過性は、特定または作動波長でメタマテリアル構造から生じた光の量を、同じ波長で同じ構造に向けられた光の強度に比較した比率として定義され、小数パーセンテージとして提供される。透過状態と非透過状態の透過性におけるそのような特徴的に大きな変化は、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの範囲の作動波長の広い範囲に対して達成され得る。ここで、メタマテリアル構造層に対する作動波長は、米国特許出願第１２／４７９，３１１号に説明されるような技術に従って、微調整される。
【００２８】
光学的変調器の実行の１つの手段は、変調比率（ＭＣＲ）である。これは、作動波長の光に関して透過状態にある素材の透過性を、作動波長の光に関して非透過状態にある素材の透過性に比較した比率として定義される。光学的変調デバイスは、本発明に従って、適切なメタマテリアル構造（例えば、ＶＯ２構造）を使用することで形成され得る。ここで、メタマテリアル構造および光学的変調デバイスは、少なくとも１０００のＭＣＲ値を有し、多くの実施形態においては有意に１０００よりも大きい。例えば、光学的信号が、光学的信号の変調処理の間に２回以上メタマテリアル構造を通過する実施形態において、１０６の変調比率値またはより大きな比率値が達成され得る。
【００２９】
メタマテリアル構造は、コミュニケーションシステムにおいて使用される光学的変調デバイスのような、任意の数の異なる光学的変調デバイスに組み込まれ得る。以下の例示的実施形態において、メタマテリアル構造を使用する光学的変調デバイスは、非対称性コミュニケーションにおける使用のために説明される。
【００３０】
非対称性光学的コミュニケーションシステムは、図２Ａに概略的に描写されており、作動波長の光の入力光線または光学的信号２２をリモートステーションへ送信する送信器２０（例えば、レーザー）（要素３０、３２、３４、３６および３７を含む）、リモートステーションの光学的変調デバイスにより変調される光学的信号３８を受信し、処理する受信器４０を有するベースステーションを含む。光学的変調デバイスは、作動波長の光学的信号を実質的に反射するように構成されている２つの反射表面３２、３４により構成される再帰反射器を含む。本明細書で説明される再帰反射器の反射表面構造は、作動波長の光学的信号の反射を促進する、鏡、プラスチックシリコンおよびその組み合わせを制限なしに含む任意の適切な素材（単数または複数）により組み立てられ得る。図２Ａにおいて、反射表面３２、３４は、光学的信号反射をベースステーションの受信器４０の方へ戻す経路を提供するために、コーナーキューブの再帰反射器配置構成で配列される。メタマテリアル構造３０は、入力光学的信号２２を受信する再帰反射器の第一反射表面３２上に提供される。メタマテリアル構造３０は、上記で説明され、図１Ａまたは図１Ｂで描写されるタイプのものであり得る。
【００３１】
外部の刺激源３６は、メタマテリアル構造３０に連結され、パルスされた刺激３７をメタマテリアル構造（例えば、図１Ａの実施形態に対してパルスされた信号または図１Ｂの実施形態にたいしてパルスされたエネルギー光線）に提供する。これにより、透過状態と非透過状態でメタマテリアルを急速に切り替えられる（つまり、作動波長の光学的信号に関してメタマテリアルの急速な閉鎖）。言い換えると、メタマテリアルが透過状態に切り替えられたとき、光学的信号２２は表面３２による反射に対してメタマテリアルを透過する。メタマテリアルが非透過状態に切り替えられるとき、光学的信号２２は、効果的に遮断またはメタマテリアル構造の通過が阻害される。これは、外部の刺激源３６による透過状態と非透過状態間のメタマテリアル構造３０の変調または切り替えに対応する変調された光学的信号３８の発生となる。変調された光学的信号３８は、反射表面３２から反射表面３４へ向けられ、次いでベースステーションの受信器４０へ戻される。図２Ａから見られるように、光学的信号は、第二反射表面３４への伝送に先立ち、メタマテリアル構造３０を２回通過しなければならない。
【００３２】
光学的変調デバイスは、任意の数の異なる構成で改変され得、変調された光学的信号を生成するための１つ以上の再帰反射器の反射表面上にメタマテリアル構造を提供することを含む。いくつかの追加の例が図２Ｂ〜図２Ｄに示されるが、他の構成も可能であることが注記される。
【００３３】
図２Ｂを参照すると、光学的変調デバイスは、図２Ａに示されるものと類似したベースステーションの送信器および受信器に関してコーナー配置で配列された反射表面５０、５２のペアを含む再帰反射器を含む。メタマテリアル構造３０は、再帰反射器５０、５２および入力光学的信号２２間の光学的経路に提供され、処理される光学的信号が再帰反射器により反射されるのに先立ち１回目にメタマテリアル構造３０を通過しなければならず、また、ベースステーションの受信器に（変調された信号５４として）送信されるのに先立ち２回目に通過しなければならない。外部の刺激源３６は、作動波長の光学的信号に関して透過状態と非透過状態となるメタマテリアルを変調するために、図２Ａに対して説明したのと同じ様式でメタマテリアル構造３０に連結される。
【００３４】
図２Ｃの実施形態において、光学的変調デバイスは、反射器６０およびその反射面（メタマテリアル構造３０に連結された外部の刺激源３６を含む）に適用されたメタマテリアル構造３０を含む。第一反射器６０は、ベースステーションの送信器から作動波長の入力光学的信号２２を受信および反射するように配列されている。第二および第三反射表面６２、６４は、第一反射器６０に関してコーナー配置の再帰反射器として配列されている。反射表面６２、６４を含むこの再帰反射器は、光学的信号を第一反射器６０から受信し、次いで、その信号を送信し戻す。ここで、その信号は、次いで、反射器６０により２回、ベースステーションの受信器へ反射される。処理された光学的信号（これは変調された出力信号６６としてベースステーション受信器へ送信される）は、そのため、ベースステーションの受信器へ戻されるのに先立ち、メタマテリアル構造３０を４回通過しなければならない。
【００３５】
図２Ｄの変調デバイスは、「猫の目」再帰反射器構成を含み、ここでレンズ７０は、凹面または半球の反射器７２に結合される。メタマテリアル構造３０（メタマテリアル構造に連結された外部の刺激源３６を含む）は、レンズ７０と反射器７２の間の光学的経路内に位置される。レンズ７０は、ベースステーション送信器から入力光学的信号２２を反射器７２に集中させ、次いで、反射器７２は信号をレンズ７０を通してベースステーション受信器へ反射して戻す。メタマテリアル構造３０は、信号が変調された信号７４としてベースステーション受信器へ戻されるように信号を処理する。図２Ｄの実施形態において処理された信号は、メタマテリアル構造３０を２回通過する。
【００３６】
図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄ（ここで、処理された光学的信号はメタマテリアル構造を２回通過しなければならない）の実施形態において説明された２通過構成の各々において、ＶＯ２のようなメタマテリアルがメタマテリアル構造のために特に用いられた場合、変調された光学的信号に対してＭＣＲ値は、少なくとも約１０６の範囲内であり得る。図２Ｃ（ここで、処理された光学的信号はメタマテリアルを４回通過しなければならない）の４通か構成に対して、変調された光学的信号のＭＣＲ値は、少なくとも約１０１２の範囲内であり得る。
【００３７】
加えて、上記で述べたように、メタマテリアル構造は、変調される光学的信号の作動波長が、１．２マイクロメートルより大きな範囲を含む、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの広い範囲から選択され得るようにデザインされ得る。これは、特定の用途に基づいた作動のために特定の波長または波長範囲を選ぶことを可能にする。例えば、衛星コミュニケーションにおいて、地上に配置されたステーションと宇宙ステーションとの間の大気を通した光学的信号の送信を促進させる波長の適切な可視光の窓内で作動し得ることが重要である。人間の安全の関心事が問題（例えば、眼の安全）となる他の用途に対して、少なくとも約１．４マイクロメートルの作動波長の光学的信号を変調するメタマテリアル構造がデザインされ得る。１．２マイクロメートルより大きな作動波長の光をシャッターする、本発明のメタマテリアル構造の能力は、光学的コミュニケーション（例えば、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンド範囲）に対して用いられるさまざまなＩＲバンドにおける光学的信号の変調を促進させる。
【００３８】
図２Ａ〜図２Ｄにおいて上記で説明された実施形態の各々において、変調された光学的信号は、メタマテリアルが透過状態であるとき、メタマテリアルを通して送信された光により生成または定義される。加えて、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態に対するメタマテリアル構造は、非透過状態にあるとき、光学的信号に関してほとんど反射率を有さないか、または全く反射率を有さないように構成されている。しかし、本発明は、メタマテリアル構造を通して送信された光の光学的変調に限定されないことが注記される。
【００３９】
代わりに、光学的信号変調は、メタマテリアル構造を通過せず、代わりにメタマテリアル構造により反射された光学的信号のパルスされた部分を使用して達成され得る。メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造が非透過状態にあるとき、作動波長の光学的信号に関して、適切な反射率を有するように組み立てられ得る。このタイプの実施形態において、光学的変調デバイスは、メタマテリアル構造が非透過状態にあるとき、メタマテリアル構造により反射される光学的信号の部分の使用を介して、信号の光学的変調が達成されるように、組み立てられ得る。図２Ａおよび図２Ｃの実施形態の各々に対して、非透過状態で適切な反射率を有するメタマテリアル構造は、変調された光学的信号が、メタマテリアル構造により反射された信号部分を用いて生成されるとき、結合されたメタマテリアル／再帰反射器（図２Ａの結合された構造３０／反射器３２および図２Ｃの結合された構造３０／反射器６０を参照）を用いる代わりに、メタマテリアル構造単独で使用され得る。これは、デバイスに対して追加の再帰反射器コンポーネントの必要性を排除する。
【００４０】
本発明の別の実施形態において、光学的変調器デバイスは、デバイスから直接光学的信号を生成し得る。これは、別の源から提供される光学的信号を受信および反射することの代わりに行われる。特に、光学的変調器デバイスは、メタマテリアル構造（例えば、上記で説明されたメタマテリアル構造）に、選択された作動波長の光学的信号を向ける送信器を含み得る。ここで、メタマテリアル構造の光学的プロパティは、別の源またはロケーションへの伝達のために光学的信号の変調を促進するように急速に切り替えられる。
【００４１】
光学的変調器デバイスのさらなる特徴は、コミュニケーション処理において、受信源（つまり、光学的変調器デバイスから離れた源）へ送信されるために、変調された信号から取り除かれた信号の一部を捕捉し含む光学的トラップまたはフィルターの提供である。光学的変調器デバイスのロケーションの機密性が非常に重要である、ある光学的コミュニケーション用途（例えば、軍事的または他の作動）において、変調された光学的信号の一部を形成しない光学的信号の一部を他の個人または実在物に可視であることを妨害することが望ましい。任意の１つ以上のタイプの光学的光線ダンプ、吸収性フィルターおよび／または光学的信号の用いられなかった一部または放棄された一部を実質的に吸収および／または捕捉することが可能な他の適切なデバイスが、実質的に変調された光学的信号のみ送信され、用いられなかった光学的信号の一部がデバイスから離れて伝達されることを実質的に妨害することを確実にするための光学的変調器デバイスの一部として提供され得る。例えば、光学的光線ダンプの多くの異なるタイプおよび配置が市販で入手可能であり、本発明の光学的変調デバイスと共に使用に適する。ここで、光学的光線ダンプの特定のタイプおよび配置の選択は、光学的変調デバイス内の反射およびメタマテリアル構造コンポーネントの特定のデザイン、配置および配列に依存する。
【００４２】
上記で述べたように、透過状態と非透過状態のピコ秒またはフェムト秒ですらある急速なメタマテリアルの切り替えを促進する適切なメタマテリアル構造が組み立てられ得る。これは、光学的信号の対応する急速な変調という結果になり、変調された光学的信号の周波数がメタマテリアルの限界に達し得る（ＶＯ２のケースでは、約６．７ＴＨｚの変調周波数に対応する、７５フェムト秒素材切り替え）高いバンド幅コミュニケーションに対して特に有用である。
【００４３】
光学的変調デバイスは、図２Ａ〜図２Ｃの実施形態のように、リモートステーションの一部としてインプリメントされ得、ここで、作動波長の入来光学的信号または入力光学的信号が、ベースロケーションからリモートステーションへ送信され、光学的信号は、光学的変調デバイスにより処理され、変調された光学的信号は、出力されて、リモートステーションからベースステーションへ送信し戻される。そのような実施形態において、光学的変調デバイスは、軍事または他の地上に配置されたコミュニケーション用途のオペレーターにより容易に採用される、軽量のハンドヘルドのユニットとして構成され得る。
【００４４】
あるいは、上記で述べたように、光学的変調デバイスは、作動波長の光学的信号を生成し、他のロケーションへ送信するための光学的信号を変調するデバイス自身の送信器を備え得る。この構成は、地上に配置および衛星に配置または他の宇宙ロケーション間のコミュニケーション用途を含む多くの用途に適する。
【００４５】
別の実施形態において、光学的変調デバイスは、デバイスが、同じまたは異なる波長を有する２つ以上の入力光学的信号を変調可能な本発明に従って、組み立てられ得る。例えば、光学的変調デバイスは、異なる波長の光学的信号を処理および／または異なる刺激にさらされたことに反応して透過状態と非透過状態を切り替えるように調整された、２つ以上の異なるメタマテリアル構造または単一のメタマテリアル構造の２つ以上のセクションを含み得る。例えば、光学的変調デバイス内で、異なるメタマテリアルおよび／またはナノ構造（例えば、ナノサイズの金属または酸化金属粒子層）を有するメタマテリアルの異なる組み合わせを使用するといった多くの異なる方法でこれは達成し得る。同じ光学的変調デバイスから他のロケーションへコミュニケーション情報の別個のセットを提供するため、異なる比率で変調される２つ以上の出力光学的信号も生成され得る。
【００４６】
本明細書の本開示から容易に認められ得るように、光学的変調デバイスが光学的信号を変調し得る作動波長、そのような変調の周波数、達成される変調比率のようなある特徴は、用いられるメタマテリアルのタイプ、メタマテリアルに結合されたナノ構造のタイプおよび構成ならびにメタマテリアルの光学的状態の切り替えを達成するために用いられる刺激素材の数、タイプおよび配置を制限なしに含む多くのファクターに依存する。本発明は、メタマテリアルの使用を採用する多くの異なるタイプの光学的変調デバイスを促進する。
【００４７】
光学的変調デバイスにおいて光学的信号の変調を達成するために用いられるメタマテリアル構造は、比較的容易に製造され、他の公知の光学的変調デバイス（例えば、ＭＱＷ構造、液晶構造などを採用するデバイス）と比較して、光学的変調デバイスのデザインおよび組み立てを単純化する。メタマテリアル構造は、高いＭＣＲ値をさらに達成し、ＩＲ（例えば、眼の安全な光の範囲を含む）および近ＩＲ領域、可視光領域ならびに紫外線領域を制限なしに含む広い波長範囲に対して光学的信号の変調を提供するようにデザインされ得る。
【００４８】
光学的限定構造または光学的限定構造を形成するデバイスおよび方法の例示的実施形態を説明したため、バリエーションと変更が当業者に、本明細書に記載された教示の見地から提案される。そのため、そのようなバリエーション、改変および変更の全ては、添付の特許請求の範囲により定義されるように本発明の範囲内におさまるものと信ずることが理解される。
【背景技術】
【０００１】
（背景）
光学的信号の変調は、１つの源またはロケーションから別の源またはロケーションへ光学的データの送信を促進する。このコミュニケーションの形態は、さまざまな異なる用途に対して有用であり得る。
【０００２】
光学的信号を変調するための公知のシステムは、多重量子井戸（ＭＱＷ）変調器、液晶（ＬＣ）変調器または１つ以上の鏡反射器が機械的に操作されるか、または信号の変調を達成するために入来信号に関して傾けられる他の技術を採用するシステムの使用を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記で説明された技術は、入来信号の変調に対して有用であり得る一方で、製造するのにコストがかかり得、ギガヘルツ範囲またはさらに大きな範囲の周波数では変調率を達成不可能であり得るといった点で限定される。
【０００４】
製造が容易で、比較的安価であり、高比率（例えば、高バンド幅コミュニケーション用途に対して使用を促進する）での変調を提供する光学的変調デバイスを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（要約）
本発明の実施形態に従って、光学的変調システムは、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されているメタマテリアル構造を含む。ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過状態と非透過状態とで変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結され、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することで、メタマテリアル構造を透過状態と非透過状態に変化させるように構成されている。光学的変調システムは、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して、変調する変調された光学的信号を出力するために、入力光学的信号を処理する。
【０００６】
メタマテリアル構造を形成する際の使用に対して適切なメタマテリアルの非限定的例は、バナジウムの酸化物（例えば、二酸化バナジウム）である。
【０００７】
本発明の別の実施形態に従って、光学的コミュニケーションシステムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含む。処理ステーションは、メタマテリアル構造および外部の刺激源を含む。メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し処理するように構成されており、ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、作動波長の光学的信号に関して、透過的状態と非透過的状態を変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結されており、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、メタマテリアル構造を透過的状態と非透過的状態とで変化させるように構成されている。光学的コミュニケーションシステムは、入力光学的信号を処理し、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して、変調する変調された光学的信号を出力する。
【０００８】
本発明のさらなる実施形態に従って、光学的信号を変調する方法は、第一ステーションで作動波長の入力光学的信号を受信することと、受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造に向けることと、メタマテリアル構造の光学的状態を、作動波長の光学的信号に関して透過状態と非透過状態で変化させるために、外部の刺激パルスをメタマテリアル構造に適用することと、メタマテリアル構造に向けられた入力光学的信号から変調された光学的信号を生成することと、変調された光学的信号を第二ステーションに送信することとを含む。変調された光学的信号は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激パルスに対応して変調される。
【０００９】
本発明の光学的限定構造は、メタマテリアルの急速切り替えをすることにより光学的信号の対応する急速変調を促進するための急速切り替え、広い波長範囲にわたる光学的信号を処理し、メタマテリアル構造により処理される光学的信号に対して高い変調比率を提供する能力、同時に別個の波長領域を使用して異なる信号を処理する能力を制限なしに含む多くの利点を提供する。
【００１０】
本発明の上記特徴および利点、およびさらなる特徴および利点は、特に添付の図面（さまざまな図の類似の参照数字は類似のコンポーネントを示すために使用されている）との関連でみたとき、以下の特定のその実施形態の詳細な説明を考慮すると、明らかとなる。
【００１１】
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１） 光学的変調システムであって、該光学的変調システムは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との間で、該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的変調システムは、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、該入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
（項目２） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
（項目３） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
（項目４） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が該システムから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
（項目５） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
（項目６） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
（項目７） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、上記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
（項目８） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの上記反射面を含む少なくとも１つの再帰反射器をさらに含む、システム。
（項目９） 光学的コミュニケーションシステムであって、該システムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含み、処理ステーションは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態との間で該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的コミュニケーションシステムは、該入力光学的信号を処理し、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する、光学的変調システム。
（項目１０） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が上記第一ステーションから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
（項目１１） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、上記メタマテリアル構造が、透過状態であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して、上記変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
（項目１２） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、上記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
（項目１３） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、
上記第二ステーションの出力変調された信号を向けるように配列された複数の反射面を含む再帰反射器をさらに含む、システム。
（項目１４） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
（項目１５） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
（項目１６） 上記項目のいずれかのシステムであって、外部の刺激源は、上記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との変化を生じるように、熱を発生させる、システム。
（項目１７） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
（項目１８） 上記項目のいずれかのシステムであって、上記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
（項目１９） 上記項目のいずれかのシステムであって、該システムは、少なくとも約１００ＭＨｚの周波数を有する出力変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
（項目２０） 光学的信号を変調する方法であって、該方法は、
第一ステーションの作動波長の入力光学的信号を受信することと、
該受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造へ向けることと、
該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との該メタマテリアル構造の光学的状態を変化させるために、外部の刺激パルスを該メタマテリアル構造へ適用することと、
該メタマテリアル構造へ適用された該外部の刺激パルスに対応して変調される変調された光学的信号を、該メタマテリアル構造へ向けられた該入力光学的信号から、生成することと、
該変調された光学的信号を第二ステーションへ送信することと
を含む、方法。
（項目２１） 上記項目のいずれかの方法であって、上記入力光学的信号は、上記第二ステーションから上記第一ステーションへ送信される、方法。
（項目２２） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、反射器の反射面の少なくとも一部に対して提供され、該反射器は、該メタマテリアルが透過状態のとき、光学的信号の一部を反射する、方法。
（項目２３） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、方法。
（項目２４） 上記項目のいずれかの方法であって、上記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、方法。
（項目２５） 上記項目のいずれかの方法であって、上記変調された光学的信号は、上記メタマテリアル構造が透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる上記入力光学的信号の一部を使用して生成され、該方法は、
該変調された光学的信号の一部を形成しない上記入力光学的信号の他の一部が、上記第一ステーションから伝達することを妨害することをさらに含む、方法。
（項目２６） 上記項目のいずれかの方法であって、上記外部の刺激パルスは、上記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態の変化を生じさせるための熱のパルスを含む、方法。
【００１２】
摘要
光学的変調システムは、少なくとも１つの作動波長の入力光学的信号を受信し処理するように構成されているメタマテリアル構造を含み、ここで、メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して作動波長（単数または複数）の光学的信号（単数または複数）に関して、透過状態と非透過状態を変化する。外部の刺激源は、メタマテリアル構造に連結され、メタマテリアル構造に選択された刺激パルスを適用することにより、メタマテリアル構造を透過状態と非透過状態で変化させるように構成されている。光学的変調システムは、入力光学的信号を処理し、メタマテリアル構造に適用された選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に従った、メタマテリアル構造の概略の描写である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に従った、メタマテリアル構造の概略の描写である。
【図２Ａ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｂ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｃ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【図２Ｄ】図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に従って、光学的変調デバイスを組み込む非対称コミュニケーションシステムの概略の描写である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に従って、光線または特定の波長における光学的信号に関して、透過状態と非透過状態を切り替え得るメタマテリアルまたは相変化素材構造を含む光学的変調デバイスを使用することで、光学信号の変調が達成される。メタマテリアルは、外部の刺激にさらされたときに、物理的状態において可逆的変化を被る。メタマテリアル構造の物理的状態の変化は、メタマテリアルの光学的プロパティを、１つ以上の特定の波長の光を透過または遮断する能力に関して改変する。メタマテリアル構造を使用した光学的信号の変調は、２つ以上のソースまたはロケーション間での光学的コミュニケーションに対し有用である。
【００１５】
光学的変調構造を形成するために使用される適切なメタマテリアル（相変化素材とも呼ばれる）は、臨界温度以上で熱した際、可逆的相移行を被る熱変色性または光発色性素材を制限なしに含む。臨界温度を十分下回る温度まで冷却されると、それに応じて相移行は可逆的（つまり、素材は元の物理的状態に変化して戻る）である。あるメタマテリアルの物理的状態間における変化は、非常に高速（例えば、ＶＯ２に対して７５フェムト秒もの速さ）であり得、このことは、数百ＧＨｚまたはそれ以上（例えば、デバイスが素材の移行時間により主に限定されると仮定すると、ＶＯ２に対して、変調率は６．７ＴＨｚもの高さになり得る）もの光学的信号の非常に高い変調率を可能にする。メタマテリアル構造は、また、特定の用途に基づいた光学的信号に対して、少なくとも約１００ＭＨｚの変調率またはそれよりさらに低い変調率を含むより低い変調率の提供を促進する。
【００１６】
光学的変調構造を形成するために用いられ得る適切な熱変色性素材の例は、ＷＯ３、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２（ここでｙ≦１）、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３（ここでｙ≦１）、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３（ここでｙ≦１）、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７（ここでｙ≦１）、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４、亜マンガン酸塩タイプＲＥｘＡＥ１−ｘＭｎＯ３の混合酸化物（ここで、ＲＥはランタンまたはプラセオジムのような希土類金属であり、ＡＥはカルシウムのようなアルカリ土類金属であり、ｘ≦１である）、（ＮｉＡｌのような）金属間化合物、およびこれら化合物の任意の組み合わせのような金属酸化素材を制限なしに含む。他の適切な熱変色性素材は、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、ポリアニリン（例えば、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリン）、ジブロック（例えば、ポリ［スチレン−ｂ−イソプレン］またはＰＳ−ｂ−ＰＩ）およびトリブロック（例えば、ロッドコイルコポリマーポリ［ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）−ｂ−ポリフルオレン−ｂ−ポリ（Ｎ−イソプロポピルアクリルアミド）］）コポリマーのようなナノ構造ポリマーのようなポリマーを含む。
【００１７】
光学的変調構造における使用のための適切なメタマテリアルの例は、二酸化バナジウムのようなバナジウム酸化物である。酸化バナジウムは、ＶＯ２およびＶ２Ｏ３を含むさまざまな異なる酸化物形態を有する。二酸化バナジウム、ＶＯ２は半導体相（ここでＶＯ２は単斜晶構造を有する）から金属相（ここでＶＯ２は正方晶構造を有する）へ、約６８℃の第１の臨界温度で、可逆性移行を被る。この臨界温度での移行相変化は、電気的および光学的プロパティの両方における急速な変化（７５フェムト秒もの速さ）を示すＶＯ２という結果になる。半導体（冷）相と金属（温）相の間のこの温度により引き起こされる相移行で、ＶＯ２は、１．２マイクロメートル（ミクロン）という赤外線に近い（近赤外）波長における光の透過を実質的に限定または遮断する光学的「遮断剤」の役割をする。ＶＯ２の温度が６８度より低い第２の臨界温度下まで落ちたとき、元の半導体状態に急速に移行して戻り、近赤外波長の光の透過を促進する。
【００１８】
加えて、あるドーパントが、メタマテリアルに結合され得、１つ以上の選択された波長の光の透過を遮断または限定するためにメタマテリアルが移行する臨界温度においてシフトまたは変化を達成する。適切なドーパントの例は、タングステン、フッ素、チタン、クロムおよびその組み合せを制限なしに含み、ここでドーパントまたはドーパントの組み合わせは、約０．０５原子％から約５原子％までの範囲の密度における熱変色性素材内で提供される。例えば、ＶＯ２化合物が半導体相から金属相へ移行する臨界温度を約６８℃から室温と同程度に低い温度（例えば、約２７℃）またはそれより低い温度に下げるために、ＶＯ２はタングステンのようなドーパントでドープされ得る。
【００１９】
メタマテリアルが、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの範囲のさまざまな異なる波長の光を実質的に限定または遮断し得るために、メタマテリアルの波長を調整するまたはシフトを達成することがさらに可能である。例えば、本明細書で、参照することで、全体的に組み込まれている同時係属中の米国特許出願第１２／４７９，３１１号の開示で説明されるように、非透過状態へ切り替えられたとき、メタマテリアルが光の透過を典型的に遮断または実質的に限定する作動波長は、改変され得、特定の波長またはシフトが少なくとも約１５０ｎｍにより調製され得る波長範囲に微調整され得ることが明らかとなった。メタマテリアルが光に対して非透過性となる作動波長のこのシフトおよび微調整は、ある素材とメタマテリアルの組み合わせを含む構造を形成し、構造をある幾何学的パターンまたはアレイに配列することにより達成され得る。
【００２０】
特に、メタマテリアル構造は、メタマテリアルまたは位相変化素材の層が１つ以上のナノサイズの粒子を含んだ層に対して提供される層になった構造を含むことで形成され得る。メタマテリアル層は、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムおよび任意の組み合わせ、合金（例えば、金／銀合金、金／銅合金など）、および／またはそれら金属の酸化物（例えば、酸化銀）のような１つ以上の金属を含むナノサイズの粒子のパターン化されたアレイを含む層に対して提供され得る。メタマテリアル構造は、ナノサイズの粒子層および／またはメタマテリアル層の任意に選択された組み合わせにより形成され得る。１つの例において、メタマテリアル構造は、ナノサイズの粒子（例えば、金属粒子および／または酸化金属粒子）のアレイを含む層に対して配置されたメタマテリアル層により形成され得る。別の例において、メタマテリアル構造は、メタマテリアル層に対して配置されたナノサイズの粒子層により形成され得る。さらなる例において、メタマテリアル構造は、配置されたナノサイズの粒子、または２つの薄膜またはメタマテリアルの層に「はさまれた」ナノサイズの粒子のアレイを含む層により形成され得、ここで、各メタマテリアル層は、同じメタマテリアルまたは異なるメタマテリアルまたはメタマテリアルの組み合わせを含み得る。さらに別の例において、メタマテリアルは、ナノサイズの粒子の表面部に対して形成され得、ここで、メタマテリアル層の連続が（各ナノサイズの粒子の部分に対する「帽子」または部分的な覆いを形成するために）個々の粒子に対してか、または覆いをつけられた粒子または覆いをつけられた粒子のセット間で維持される覆いをつけられていないスペースを有する粒子のセットに対して形成されるために、ナノサイズの粒子間のスペースは、メタマテリアルにより覆いがかぶされない状態を維持する。
【００２１】
ナノサイズの粒子は、好ましくはわずか約１０００ナノメートル（ｎｍ）の断面的な寸法（例えば、長さ、幅、厚さおよび／または直径の寸法）、より好ましくは約５００ｎｍに過ぎない、さらに好ましくは約３００ｎｍに過ぎない寸法を有する１つ以上の金属または酸化金属を含み得る。異なるメタマテリアルおよび異なる金属、異なる層の厚さ、異なるサイズ、形および／またはナノサイズ（例えば、金属または酸化金属）の粒子アレイの配列を含む多数の異なるパラメータの選択は、結果の構造が光学的遮断剤として機能し得るか、または所望の波長の光を実質的に遮断し得る波長の微調整となる。ここで、波長の微調整は約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルの範囲に対して生じ得る。
【００２２】
例として、ＶＯ２は、１．２マイクロメートルの波長における光学的遮断剤として機能するために半導体層と金属層で切り替えられ得る。ＶＯ２の層がつけられた構造は、１２００ｎｍのＩＲまたは近ＩＲの範囲を超えて、１．２マイクロメートルより大きな作動波長（例えば、少なくとも約１．４マイクロメートル）までの波長の光の透過を遮断または実質的に限定するようにＶＯ２の光学的遮断性質はセットされる構造に形成され得る。酸化バナジウム構造は、また、可視範囲（約８００ｎｍから約４００ｎｍ）、また紫外線範囲（４００ｎｍより短い）まで青方偏移された波長の光に関して、透過状態と非透過上体をＶＯ２構造が切り替える構造に形成され得る。他のメタマテリアル構造は、また、ＶＯ２に対して述べたとの同じまたは類似の波長領域の光に関して、その非透過的な状態において、メタマテリアルが光学的遮断プロパティを示す波長をシフトするようにメタマテリアルが構成または微調整される構造に形成され得る。そのような構造を形成する方法は、米国特許出願第１２／４７９，３１１に詳細に説明される。
【００２３】
メタマテリアル構造の、光学的に透過状態と非透過状態間の急速切り替えは、メタマテリアルの異なる光学的状態間のメタマテリアルの急速切り替えを達成する任意の適切な外部の刺激を使用することで達成され得る。ＶＯ２のような熱変色性素材に対して、素材の光学的透過状態と非透過状態の切り替えを生じる温度まで素材を急速に熱する適切な熱源が使用され得る。
【００２４】
１つの例示的実施形態において、抵抗発熱源が、図１Ａに示されるようにメタマテリアルの急速発熱を達成するためにメタマテリアル構造内に統合され得る。特に層となっている構造２は、回路基盤４を含み、その上に刺激素材が（例えば、構造５のアレイに）置かれ、メタマテリアル構造６は回路基盤４および刺激素材５に対して置かれる。回路基盤４および刺激素材５は、電流が回路基盤４に適用されたとき、メタマテリアル構造６を熱する抵抗発熱構造として機能するよう適切な素材を含む。図１Ｂに示される別の例示的実施形態において、光エネルギー源８（例えば、レーザー源）が、光エネルギー（光線１０として示される）をメタマテリアル構造６の方へ向けるために使用され得、構造に光を当て、構造を急速に熱してその光学的透過状態を変化させる。メタマテリアル構造６は、メタマテリアル、またはナノサイズの金属粒子または酸化金属の粒子のアレイのような金属粒子または酸化金属粒子と組み合わせたメタマテリアルを含み得る。回路基板素材の選択は、透過状態および非透過状態の両方の性質に影響を与える。
【００２５】
外部の刺激は、メタマテリアルの光学的透過状態と非透過状態間の、結果として生じる急速な切り替えを達成するため、急速なペースでパルスされ得る（例えば、図１Ａの実施形態に対してパルスされた電流または図１Ｂの実施形態に対してパルスされた光線）。そのようなメタマテリアルの光学的透過／非透過状態の急速な切り替えは、メタマテリアルに対して透過された光学的信号の急速な変調を提供するために使用され得る。言い換えれば、光学的信号の変調は、メタマテリアルの透過性の変調を介して達成され得る。
【００２６】
メタマテリアル構造は、メタマテリアルが光学的に透過状態であるとき、選択または作動波長の光に対して、構造が実質的に透明であるために、高い透過性を有するように好ましくは選択される。メタマテリアル構造は、また、好ましくは実質的に不透明および／または反射的であり、そのためにメタマテリアルが非透過状態であるとき、作動波長の光に対して低い透過性を有する。メタマテリアル構造は、メタマテリアルが外部の刺激源により刺激を与えられるのに先立ち透過状態であり、外部の刺激源より刺激を与えられると非透過状態になるように、さらにデザインされ得る。あるいは、メタマテリアル構造は、外部の刺激源により刺激を与えられるのに先立ち非透過状態であり、外部の刺激源より刺激を与えられると透過状態になるように、デザインされ得る。
【００２７】
メタマテリアル構造を形成するためにＶＯ２を用いたとき、メタマテリアル構造は、ＶＯ２が透過状態のとき、少なくとも約９５％の透過性を有し、ＶＯ２が非透過状態のとき、わずか約０．０１％の透過性を有するようにデザインされ得る。透過および非透過状態のとき、同じまたは類似の透過性を有する他のメタマテリアルも選択され得る。本明細書で用いられるように、透過性は、特定または作動波長でメタマテリアル構造から生じた光の量を、同じ波長で同じ構造に向けられた光の強度に比較した比率として定義され、小数パーセンテージとして提供される。透過状態と非透過状態の透過性におけるそのような特徴的に大きな変化は、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの範囲の作動波長の広い範囲に対して達成され得る。ここで、メタマテリアル構造層に対する作動波長は、米国特許出願第１２／４７９，３１１号に説明されるような技術に従って、微調整される。
【００２８】
光学的変調器の実行の１つの手段は、変調比率（ＭＣＲ）である。これは、作動波長の光に関して透過状態にある素材の透過性を、作動波長の光に関して非透過状態にある素材の透過性に比較した比率として定義される。光学的変調デバイスは、本発明に従って、適切なメタマテリアル構造（例えば、ＶＯ２構造）を使用することで形成され得る。ここで、メタマテリアル構造および光学的変調デバイスは、少なくとも１０００のＭＣＲ値を有し、多くの実施形態においては有意に１０００よりも大きい。例えば、光学的信号が、光学的信号の変調処理の間に２回以上メタマテリアル構造を通過する実施形態において、１０６の変調比率値またはより大きな比率値が達成され得る。
【００２９】
メタマテリアル構造は、コミュニケーションシステムにおいて使用される光学的変調デバイスのような、任意の数の異なる光学的変調デバイスに組み込まれ得る。以下の例示的実施形態において、メタマテリアル構造を使用する光学的変調デバイスは、非対称性コミュニケーションにおける使用のために説明される。
【００３０】
非対称性光学的コミュニケーションシステムは、図２Ａに概略的に描写されており、作動波長の光の入力光線または光学的信号２２をリモートステーションへ送信する送信器２０（例えば、レーザー）（要素３０、３２、３４、３６および３７を含む）、リモートステーションの光学的変調デバイスにより変調される光学的信号３８を受信し、処理する受信器４０を有するベースステーションを含む。光学的変調デバイスは、作動波長の光学的信号を実質的に反射するように構成されている２つの反射表面３２、３４により構成される再帰反射器を含む。本明細書で説明される再帰反射器の反射表面構造は、作動波長の光学的信号の反射を促進する、鏡、プラスチックシリコンおよびその組み合わせを制限なしに含む任意の適切な素材（単数または複数）により組み立てられ得る。図２Ａにおいて、反射表面３２、３４は、光学的信号反射をベースステーションの受信器４０の方へ戻す経路を提供するために、コーナーキューブの再帰反射器配置構成で配列される。メタマテリアル構造３０は、入力光学的信号２２を受信する再帰反射器の第一反射表面３２上に提供される。メタマテリアル構造３０は、上記で説明され、図１Ａまたは図１Ｂで描写されるタイプのものであり得る。
【００３１】
外部の刺激源３６は、メタマテリアル構造３０に連結され、パルスされた刺激３７をメタマテリアル構造（例えば、図１Ａの実施形態に対してパルスされた信号または図１Ｂの実施形態にたいしてパルスされたエネルギー光線）に提供する。これにより、透過状態と非透過状態でメタマテリアルを急速に切り替えられる（つまり、作動波長の光学的信号に関してメタマテリアルの急速な閉鎖）。言い換えると、メタマテリアルが透過状態に切り替えられたとき、光学的信号２２は表面３２による反射に対してメタマテリアルを透過する。メタマテリアルが非透過状態に切り替えられるとき、光学的信号２２は、効果的に遮断またはメタマテリアル構造の通過が阻害される。これは、外部の刺激源３６による透過状態と非透過状態間のメタマテリアル構造３０の変調または切り替えに対応する変調された光学的信号３８の発生となる。変調された光学的信号３８は、反射表面３２から反射表面３４へ向けられ、次いでベースステーションの受信器４０へ戻される。図２Ａから見られるように、光学的信号は、第二反射表面３４への伝送に先立ち、メタマテリアル構造３０を２回通過しなければならない。
【００３２】
光学的変調デバイスは、任意の数の異なる構成で改変され得、変調された光学的信号を生成するための１つ以上の再帰反射器の反射表面上にメタマテリアル構造を提供することを含む。いくつかの追加の例が図２Ｂ〜図２Ｄに示されるが、他の構成も可能であることが注記される。
【００３３】
図２Ｂを参照すると、光学的変調デバイスは、図２Ａに示されるものと類似したベースステーションの送信器および受信器に関してコーナー配置で配列された反射表面５０、５２のペアを含む再帰反射器を含む。メタマテリアル構造３０は、再帰反射器５０、５２および入力光学的信号２２間の光学的経路に提供され、処理される光学的信号が再帰反射器により反射されるのに先立ち１回目にメタマテリアル構造３０を通過しなければならず、また、ベースステーションの受信器に（変調された信号５４として）送信されるのに先立ち２回目に通過しなければならない。外部の刺激源３６は、作動波長の光学的信号に関して透過状態と非透過状態となるメタマテリアルを変調するために、図２Ａに対して説明したのと同じ様式でメタマテリアル構造３０に連結される。
【００３４】
図２Ｃの実施形態において、光学的変調デバイスは、反射器６０およびその反射面（メタマテリアル構造３０に連結された外部の刺激源３６を含む）に適用されたメタマテリアル構造３０を含む。第一反射器６０は、ベースステーションの送信器から作動波長の入力光学的信号２２を受信および反射するように配列されている。第二および第三反射表面６２、６４は、第一反射器６０に関してコーナー配置の再帰反射器として配列されている。反射表面６２、６４を含むこの再帰反射器は、光学的信号を第一反射器６０から受信し、次いで、その信号を送信し戻す。ここで、その信号は、次いで、反射器６０により２回、ベースステーションの受信器へ反射される。処理された光学的信号（これは変調された出力信号６６としてベースステーション受信器へ送信される）は、そのため、ベースステーションの受信器へ戻されるのに先立ち、メタマテリアル構造３０を４回通過しなければならない。
【００３５】
図２Ｄの変調デバイスは、「猫の目」再帰反射器構成を含み、ここでレンズ７０は、凹面または半球の反射器７２に結合される。メタマテリアル構造３０（メタマテリアル構造に連結された外部の刺激源３６を含む）は、レンズ７０と反射器７２の間の光学的経路内に位置される。レンズ７０は、ベースステーション送信器から入力光学的信号２２を反射器７２に集中させ、次いで、反射器７２は信号をレンズ７０を通してベースステーション受信器へ反射して戻す。メタマテリアル構造３０は、信号が変調された信号７４としてベースステーション受信器へ戻されるように信号を処理する。図２Ｄの実施形態において処理された信号は、メタマテリアル構造３０を２回通過する。
【００３６】
図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄ（ここで、処理された光学的信号はメタマテリアル構造を２回通過しなければならない）の実施形態において説明された２通過構成の各々において、ＶＯ２のようなメタマテリアルがメタマテリアル構造のために特に用いられた場合、変調された光学的信号に対してＭＣＲ値は、少なくとも約１０６の範囲内であり得る。図２Ｃ（ここで、処理された光学的信号はメタマテリアルを４回通過しなければならない）の４通か構成に対して、変調された光学的信号のＭＣＲ値は、少なくとも約１０１２の範囲内であり得る。
【００３７】
加えて、上記で述べたように、メタマテリアル構造は、変調される光学的信号の作動波長が、１．２マイクロメートルより大きな範囲を含む、約２５０ｎｍから約１５マイクロメートルまでの広い範囲から選択され得るようにデザインされ得る。これは、特定の用途に基づいた作動のために特定の波長または波長範囲を選ぶことを可能にする。例えば、衛星コミュニケーションにおいて、地上に配置されたステーションと宇宙ステーションとの間の大気を通した光学的信号の送信を促進させる波長の適切な可視光の窓内で作動し得ることが重要である。人間の安全の関心事が問題（例えば、眼の安全）となる他の用途に対して、少なくとも約１．４マイクロメートルの作動波長の光学的信号を変調するメタマテリアル構造がデザインされ得る。１．２マイクロメートルより大きな作動波長の光をシャッターする、本発明のメタマテリアル構造の能力は、光学的コミュニケーション（例えば、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍのＣバンド範囲）に対して用いられるさまざまなＩＲバンドにおける光学的信号の変調を促進させる。
【００３８】
図２Ａ〜図２Ｄにおいて上記で説明された実施形態の各々において、変調された光学的信号は、メタマテリアルが透過状態であるとき、メタマテリアルを通して送信された光により生成または定義される。加えて、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態に対するメタマテリアル構造は、非透過状態にあるとき、光学的信号に関してほとんど反射率を有さないか、または全く反射率を有さないように構成されている。しかし、本発明は、メタマテリアル構造を通して送信された光の光学的変調に限定されないことが注記される。
【００３９】
代わりに、光学的信号変調は、メタマテリアル構造を通過せず、代わりにメタマテリアル構造により反射された光学的信号のパルスされた部分を使用して達成され得る。メタマテリアル構造は、メタマテリアル構造が非透過状態にあるとき、作動波長の光学的信号に関して、適切な反射率を有するように組み立てられ得る。このタイプの実施形態において、光学的変調デバイスは、メタマテリアル構造が非透過状態にあるとき、メタマテリアル構造により反射される光学的信号の部分の使用を介して、信号の光学的変調が達成されるように、組み立てられ得る。図２Ａおよび図２Ｃの実施形態の各々に対して、非透過状態で適切な反射率を有するメタマテリアル構造は、変調された光学的信号が、メタマテリアル構造により反射された信号部分を用いて生成されるとき、結合されたメタマテリアル／再帰反射器（図２Ａの結合された構造３０／反射器３２および図２Ｃの結合された構造３０／反射器６０を参照）を用いる代わりに、メタマテリアル構造単独で使用され得る。これは、デバイスに対して追加の再帰反射器コンポーネントの必要性を排除する。
【００４０】
本発明の別の実施形態において、光学的変調器デバイスは、デバイスから直接光学的信号を生成し得る。これは、別の源から提供される光学的信号を受信および反射することの代わりに行われる。特に、光学的変調器デバイスは、メタマテリアル構造（例えば、上記で説明されたメタマテリアル構造）に、選択された作動波長の光学的信号を向ける送信器を含み得る。ここで、メタマテリアル構造の光学的プロパティは、別の源またはロケーションへの伝達のために光学的信号の変調を促進するように急速に切り替えられる。
【００４１】
光学的変調器デバイスのさらなる特徴は、コミュニケーション処理において、受信源（つまり、光学的変調器デバイスから離れた源）へ送信されるために、変調された信号から取り除かれた信号の一部を捕捉し含む光学的トラップまたはフィルターの提供である。光学的変調器デバイスのロケーションの機密性が非常に重要である、ある光学的コミュニケーション用途（例えば、軍事的または他の作動）において、変調された光学的信号の一部を形成しない光学的信号の一部を他の個人または実在物に可視であることを妨害することが望ましい。任意の１つ以上のタイプの光学的光線ダンプ、吸収性フィルターおよび／または光学的信号の用いられなかった一部または放棄された一部を実質的に吸収および／または捕捉することが可能な他の適切なデバイスが、実質的に変調された光学的信号のみ送信され、用いられなかった光学的信号の一部がデバイスから離れて伝達されることを実質的に妨害することを確実にするための光学的変調器デバイスの一部として提供され得る。例えば、光学的光線ダンプの多くの異なるタイプおよび配置が市販で入手可能であり、本発明の光学的変調デバイスと共に使用に適する。ここで、光学的光線ダンプの特定のタイプおよび配置の選択は、光学的変調デバイス内の反射およびメタマテリアル構造コンポーネントの特定のデザイン、配置および配列に依存する。
【００４２】
上記で述べたように、透過状態と非透過状態のピコ秒またはフェムト秒ですらある急速なメタマテリアルの切り替えを促進する適切なメタマテリアル構造が組み立てられ得る。これは、光学的信号の対応する急速な変調という結果になり、変調された光学的信号の周波数がメタマテリアルの限界に達し得る（ＶＯ２のケースでは、約６．７ＴＨｚの変調周波数に対応する、７５フェムト秒素材切り替え）高いバンド幅コミュニケーションに対して特に有用である。
【００４３】
光学的変調デバイスは、図２Ａ〜図２Ｃの実施形態のように、リモートステーションの一部としてインプリメントされ得、ここで、作動波長の入来光学的信号または入力光学的信号が、ベースロケーションからリモートステーションへ送信され、光学的信号は、光学的変調デバイスにより処理され、変調された光学的信号は、出力されて、リモートステーションからベースステーションへ送信し戻される。そのような実施形態において、光学的変調デバイスは、軍事または他の地上に配置されたコミュニケーション用途のオペレーターにより容易に採用される、軽量のハンドヘルドのユニットとして構成され得る。
【００４４】
あるいは、上記で述べたように、光学的変調デバイスは、作動波長の光学的信号を生成し、他のロケーションへ送信するための光学的信号を変調するデバイス自身の送信器を備え得る。この構成は、地上に配置および衛星に配置または他の宇宙ロケーション間のコミュニケーション用途を含む多くの用途に適する。
【００４５】
別の実施形態において、光学的変調デバイスは、デバイスが、同じまたは異なる波長を有する２つ以上の入力光学的信号を変調可能な本発明に従って、組み立てられ得る。例えば、光学的変調デバイスは、異なる波長の光学的信号を処理および／または異なる刺激にさらされたことに反応して透過状態と非透過状態を切り替えるように調整された、２つ以上の異なるメタマテリアル構造または単一のメタマテリアル構造の２つ以上のセクションを含み得る。例えば、光学的変調デバイス内で、異なるメタマテリアルおよび／またはナノ構造（例えば、ナノサイズの金属または酸化金属粒子層）を有するメタマテリアルの異なる組み合わせを使用するといった多くの異なる方法でこれは達成し得る。同じ光学的変調デバイスから他のロケーションへコミュニケーション情報の別個のセットを提供するため、異なる比率で変調される２つ以上の出力光学的信号も生成され得る。
【００４６】
本明細書の本開示から容易に認められ得るように、光学的変調デバイスが光学的信号を変調し得る作動波長、そのような変調の周波数、達成される変調比率のようなある特徴は、用いられるメタマテリアルのタイプ、メタマテリアルに結合されたナノ構造のタイプおよび構成ならびにメタマテリアルの光学的状態の切り替えを達成するために用いられる刺激素材の数、タイプおよび配置を制限なしに含む多くのファクターに依存する。本発明は、メタマテリアルの使用を採用する多くの異なるタイプの光学的変調デバイスを促進する。
【００４７】
光学的変調デバイスにおいて光学的信号の変調を達成するために用いられるメタマテリアル構造は、比較的容易に製造され、他の公知の光学的変調デバイス（例えば、ＭＱＷ構造、液晶構造などを採用するデバイス）と比較して、光学的変調デバイスのデザインおよび組み立てを単純化する。メタマテリアル構造は、高いＭＣＲ値をさらに達成し、ＩＲ（例えば、眼の安全な光の範囲を含む）および近ＩＲ領域、可視光領域ならびに紫外線領域を制限なしに含む広い波長範囲に対して光学的信号の変調を提供するようにデザインされ得る。
【００４８】
光学的限定構造または光学的限定構造を形成するデバイスおよび方法の例示的実施形態を説明したため、バリエーションと変更が当業者に、本明細書に記載された教示の見地から提案される。そのため、そのようなバリエーション、改変および変更の全ては、添付の特許請求の範囲により定義されるように本発明の範囲内におさまるものと信ずることが理解される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的変調システムであって、該光学的変調システムは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との間で、該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的変調システムは、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、該入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
【請求項２】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
【請求項３】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
【請求項４】
請求項１のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が該システムから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
【請求項５】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
【請求項６】
請求項１のシステムであって、前記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
【請求項７】
請求項１のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、前記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
【請求項８】
請求項７のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの前記反射面を含む少なくとも１つの再帰反射器をさらに含む、システム。
【請求項９】
光学的コミュニケーションシステムであって、該システムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含み、処理ステーションは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態との間で該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的コミュニケーションシステムは、該入力光学的信号を処理し、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する、光学的変調システム。
【請求項１０】
請求項９のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が前記第一ステーションから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
【請求項１１】
請求項９のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
【請求項１２】
請求項９のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、前記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
【請求項１３】
請求項９のシステムであって、該システムは、
前記第二ステーションの出力変調された信号を向けるように配列された複数の反射面を含む再帰反射器をさらに含む、システム。
【請求項１４】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
【請求項１５】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
【請求項１６】
請求項１０のシステムであって、外部の刺激源は、前記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との変化を生じるように、熱を発生させる、システム。
【請求項１７】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
【請求項１８】
請求項９のシステムであって、前記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
【請求項１９】
請求項９のシステムであって、該システムは、少なくとも約１００ＭＨｚの周波数を有する出力変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
【請求項２０】
光学的信号を変調する方法であって、該方法は、
第一ステーションの作動波長の入力光学的信号を受信することと、
該受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造へ向けることと、
該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との該メタマテリアル構造の光学的状態を変化させるために、外部の刺激パルスを該メタマテリアル構造へ適用することと、
該メタマテリアル構造へ適用された該外部の刺激パルスに対応して変調される変調された光学的信号を、該メタマテリアル構造へ向けられた該入力光学的信号から、生成することと、
該変調された光学的信号を第二ステーションへ送信することと
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０の方法であって、前記入力光学的信号は、前記第二ステーションから前記第一ステーションへ送信される、方法。
【請求項２２】
請求項２０の方法であって、前記メタマテリアル構造は、反射器の反射面の少なくとも一部に対して提供され、該反射器は、該メタマテリアルが透過状態のとき、光学的信号の一部を反射する、方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法であって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、方法。
【請求項２４】
請求項２２の方法であって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、方法。
【請求項２５】
請求項２０の方法であって、前記変調された光学的信号は、前記メタマテリアル構造が透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して生成され、該方法は、
該変調された光学的信号の一部を形成しない前記入力光学的信号の他の一部が、前記第一ステーションから伝達することを妨害することをさらに含む、方法。
【請求項２６】
請求項２０の方法であって、前記外部の刺激パルスは、前記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態の変化を生じさせるための熱のパルスを含む、方法。
【請求項１】
光学的変調システムであって、該光学的変調システムは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との間で、該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的変調システムは、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力するために、該入力光学的信号を処理する、光学的変調システム。
【請求項２】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
【請求項３】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
【請求項４】
請求項１のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が該システムから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
【請求項５】
請求項１のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
【請求項６】
請求項１のシステムであって、前記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
【請求項７】
請求項１のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、前記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
【請求項８】
請求項７のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの前記反射面を含む少なくとも１つの再帰反射器をさらに含む、システム。
【請求項９】
光学的コミュニケーションシステムであって、該システムは、作動波長の入力信号を第二ステーションから受信するように構成されている第一ステーションを含み、処理ステーションは、
メタマテリアル構造であって、該メタマテリアル構造は、作動波長の入力光学的信号を受信し、処理するように構成されており、該メタマテリアル構造は、該メタマテリアル構造に適用された外部の刺激に反応して、該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との間で変化する、メタマテリアル構造と、
外部の刺激源であって、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に連結されており、該外部の刺激源は、該メタマテリアル構造に、選択された刺激パルスを適用することにより、透過状態と非透過状態との間で該メタマテリアル構造を変化させるように構成されている、外部の刺激源と
を含み、
該光学的コミュニケーションシステムは、該入力光学的信号を処理し、該メタマテリアル構造に適用された該選択されたパルスに対応して変調する変調された光学的信号を出力する、光学的変調システム。
【請求項１０】
請求項９のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されており、該システムは、該変調された光学的信号の一部を形成しない該入力光学的信号の他の一部が前記第一ステーションから伝達するのを妨害するように、さらに構成されている、システム。
【請求項１１】
請求項９のシステムであって、該システムは、前記メタマテリアル構造が、透過状態であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して、前記変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
【請求項１２】
請求項９のシステムであって、該システムは、
少なくとも１つの反射面をさらに含み、前記メタマテリアル構造は、少なくとも１つの該反射面に対して提供される、システム。
【請求項１３】
請求項９のシステムであって、該システムは、
前記第二ステーションの出力変調された信号を向けるように配列された複数の反射面を含む再帰反射器をさらに含む、システム。
【請求項１４】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、システム。
【請求項１５】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、システム。
【請求項１６】
請求項１０のシステムであって、外部の刺激源は、前記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態との変化を生じるように、熱を発生させる、システム。
【請求項１７】
請求項１０のシステムであって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２を含む、システム。
【請求項１８】
請求項９のシステムであって、前記作動波長は、１．２マイクロメートルより大きい、システム。
【請求項１９】
請求項９のシステムであって、該システムは、少なくとも約１００ＭＨｚの周波数を有する出力変調された光学的信号を生成するように構成されている、システム。
【請求項２０】
光学的信号を変調する方法であって、該方法は、
第一ステーションの作動波長の入力光学的信号を受信することと、
該受信された入力光学的信号をメタマテリアル構造へ向けることと、
該作動波長の該光学的信号に関して、透過状態と非透過状態との該メタマテリアル構造の光学的状態を変化させるために、外部の刺激パルスを該メタマテリアル構造へ適用することと、
該メタマテリアル構造へ適用された該外部の刺激パルスに対応して変調される変調された光学的信号を、該メタマテリアル構造へ向けられた該入力光学的信号から、生成することと、
該変調された光学的信号を第二ステーションへ送信することと
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０の方法であって、前記入力光学的信号は、前記第二ステーションから前記第一ステーションへ送信される、方法。
【請求項２２】
請求項２０の方法であって、前記メタマテリアル構造は、反射器の反射面の少なくとも一部に対して提供され、該反射器は、該メタマテリアルが透過状態のとき、光学的信号の一部を反射する、方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法であって、前記メタマテリアル構造は、ＶＯ２、Ｖ２Ｏ３、Ｔｉ２Ｏ３、ＮｉＳ２−ｙＳｅｙ、ＬａＣｏＯ３、ＰｒＮｉＯ３、Ｃｄ２Ｏｓ２Ｏ７、ＮｄＮｉＯ３、Ｔｌ２Ｒｕ２Ｏ７、ＮｉＳ、ＢａＣｏ１−ｙＮｉｙＳ２、Ｃａ１−ｙＳｒｙＶＯ３、ＰｒＲｕ４Ｐ１２、ＢａＶＳ３、ＥｕＢ６、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１−ｙＣａｙＭｎＯ３、Ｌａ２−２ｙＳｒ１＋２ｙＭｎ２Ｏ７、Ｔｉ４Ｏ７およびＬａ２ＮｉＯ４（ここでｙ≦１）、アゾベンゼン含有ポリジアセチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェニレン、ポリスチレンサルフォネイト、合成オパールナノ構造にドープされたポリアニリンのうちの少なくとも１つを含む、方法。
【請求項２４】
請求項２２の方法であって、前記メタマテリアル構造は、熱変色性素材を含む第一の層と、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む第二の粒子の層とを含む、方法。
【請求項２５】
請求項２０の方法であって、前記変調された光学的信号は、前記メタマテリアル構造が透過状態と非透過状態とのうちの一方であるとき、得られる前記入力光学的信号の一部を使用して生成され、該方法は、
該変調された光学的信号の一部を形成しない前記入力光学的信号の他の一部が、前記第一ステーションから伝達することを妨害することをさらに含む、方法。
【請求項２６】
請求項２０の方法であって、前記外部の刺激パルスは、前記メタマテリアル構造の温度を改変し、結果として該メタマテリアル構造の透過状態と非透過状態の変化を生じさせるための熱のパルスを含む、方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【公開番号】特開２０１２−３２６５（Ｐ２０１２−３２６５Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５７４６（Ｐ２０１１−１３５７４６）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５０５１９４０７７）アイティーティー マニュファクチャリング エンタープライジーズ， インコーポレイテッド (114)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５０５１９４０７７）アイティーティー マニュファクチャリング エンタープライジーズ， インコーポレイテッド (114)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]