光処理のためのメタマテリアル構造及び光を処理する方法
光処理のためのメタマテリアル構造（１００、７００ａ、７００ｂ、７００ｃ）が、光導波路（１０４、７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃ）と、共振周波数を有する複合共振電磁（ＥＭ）構造（１０２、２０２、３０２、４０２）とを備える。複合共振ＥＭ構造は、光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数を共振周波数にアップコンバートし、これによって光周波数の２次高調波及びさらに高次の高調波が生成されるように構成される。光を処理するための方法も開示される。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光処理システムでは、非線形材料の結晶を用いて、光の周波数を変更し、したがって波長も変更して、所望の周波数の光を生成することができる。たとえば、結晶を、結晶に入射する光の周波数を２倍にして波長を半分にする周波数逓倍器として用いることができる。その過程は、２次高調波生成と呼ばれる。そのような結晶では、低い入射光強度では、２次高調波変換効率は低いが、入射光強度を高めると変換効率も高くなる。しかしながら、そのような２次高調波生成の効率は典型的には低い。
【発明の概要】
【０００２】
したがって、高い効率の高調波変換を与えることができる光処理システム及び方法を提供することが望ましいであろう。
【０００３】
光処理のためのメタマテリアル構造の１つの例示的な実施の形態は、光導波路と、共振周波数ωRを有する複合共振電磁（ＥＭ）構造であって、複合共振ＥＭ構造は、光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ωをωRにアップコンバートし、これによってωの２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、複合共振電磁構造とを備える。
【０００４】
光処理のためのメタマテリアル構造の別の例示的な実施の形態は、第１の光導波路と、第２の光導波路と、第３の光導波路と、第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造であって、第１の複合共振ＥＭ構造は、第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第１の複合共振電磁構造と、第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁構造であって、第２の複合共振ＥＭ構造は、第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第２の複合共振電磁構造と、第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁構造であって、第３の複合共振ＥＭ構造は、第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω3の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第３の複合共振電磁構造とを備える。
【０００５】
メタマテリアル構造を用いて光を処理する方法の１つの例示的な実施の形態は、第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第１の光導波路に沿って光を伝搬させることを含み、第１の複合共振ＥＭ構造は、第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】メタマテリアル構造を含む、光処理システムの１つの例示的な実施形態を示す。
【図２】スプリットリング共振器を含む、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図３】プリントナノ共振器を含む、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図４】穴の周期的な配列を有する、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図５】金属−絶縁体−金属３層構造を含む、メタマテリアル構造の電磁応答を示す。
【図６】図５の右側に示されるメタマテリアル構造の一部の拡大図である。
【図７】３つのメタマテリアル構造及び３つの関連する光源を含む、光処理システムの別の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
メタマテリアル構造１００の１つの例示的な実施形態が図１に示される。メタマテリアル構造１００は、光導波路１０４に沿って配置される複合共振電磁（ＥＭ）構造１０２を備える。図に示されるように、そのメタマテリアル構造１００は、光源１０６も含む光処理システム内に設けられる。光源１０６は、光を光導波路１０４内に放射するように構成される。光源１０６のタイプによるが、光は単色であり（たとえばレーザ光）、概ね単一の周波数だけを含むことができるか、又は光は、或る範囲の周波数を含むことができる（たとえば、広帯域光）。光は光導波路１０４に沿って伝搬し、複合共振ＥＭ構造１０２と相互作用する。オプションの共振器１０８が、複合共振ＥＭ構造１０２の両端に設けられる。オプションの外側クラッディング１１０が、複合共振ＥＭ構造１０２を包囲する。
【０００８】
複合共振ＥＭ構造１０２は、固有共振周波数ωRを有する。複合共振ＥＭ構造１０２は、入射光の周波数ωを、共振周波数ωRにアップコンバートする。このアップコンバージョン過程は、入射光の高調波を生成する。高調波は、２次高調波及び／又はさらに高次の高調波とすることができる。複合共振ＥＭ構造１０２によって変換される光周波数ωは、広帯域光源によって放射される周波数範囲内に含まれる周波数、又は単色光源によって放射される単一の周波数とすることができる。
【０００９】
複合共振ＥＭ構造の実施形態は、共振周期メタマテリアル構造を含む。図１に示される実施形態では、複合共振ＥＭ構造１０２は、光導波路１０４の長さの少なくとも一部に沿って配置される金属ナノ共振器１１２を含む。ナノ共振器１１２は、高い電界を生成し、それにより、複合共振ＥＭ構造１０２の非線形応答を引き起こす。
【００１０】
図１に示される実施形態では、金属ナノ共振器１１２はナノサイズの粒子である。ナノサイズの粒子は、十分に高い導電率を与える任意の金属から構成することができる。損失を最小限に抑えることができるように、その金属は高い導電率（低い抵抗率）を有することが好ましい。たとえば、その金属は、４μΩ・ｃｍ、３μΩ・ｃｍ、２μΩ・ｃｍ又は１μΩ・ｃｍのような５μΩ・ｃｍ未満の低い抵抗率を有することができる。その金属は、たとえば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ若しくはＣｕ、又はそれらの合金とすることができる。ナノサイズの粒子は、シリコンのような半導体材料から、又はカーボンナノチューブのような非金属材料から構成することもできる。ナノサイズの粒子は単結晶とすることができ、粒界効果を排除することができる。
【００１１】
図１に示されるナノサイズの粒子は球形である。他の実施形態では、ナノサイズの粒子は、チューブ、ファイバ、ワイヤ、プレート、ロッド及びリングのような他の形状を有することができる。ナノサイズの粒子は、たとえば、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの最大寸法（たとえば、直径又は長さ）を有することができる。
【００１２】
ナノサイズの粒子は、任意の適当な技法によって形成することができる。たとえば、ナノサイズの粒子は、核形成及び核成長、沈殿、レーザアブレーション、界面活性剤を利用した成長、電気化学合成、化学蒸着核形成、電子ビーム蒸着、又はフォトリソグラフィ技法によって形成することができる。ナノサイズの粒子を形成するために用いられる具体的な技法は、ナノサイズの粒子の所望の組成、形状及び／又はサイズによる。
【００１３】
その実施形態では、ナノ共振器１１２は非線形媒体１１４に埋め込まれる。非線形媒体１１４は、光導波路１０４のテーパ部分１１６を取り囲み、ナノ共振器１１２は、テーパ部分１１６に沿って配置される。非線形媒体１１４は、有機材料、無機材料、又はその混合物から構成される絶縁体である。たとえば、非線形媒体１１４は、セラミック材料、又はプラスチック、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）若しくはポリエステルのようなポリマーとすることができる。非線形媒体１１４は、成形のような任意の適当な工程によって、光導波路１０４の周囲に形成することができる。代替的に、非線形媒体は、光導波路１０４に巻き付けることができる。その実施形態では、非線形媒体１１４は、外側表面１１８を有する概ね円筒形の構成を有することができる。他の実施形態では、非線形媒体１１４は、正方形、長方形、三角形等の他の外側表面形状を有することができる。
【００１４】
図１に示されるように、ナノ共振器１１２は、プラズモン導波路の形で、複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向（長さ）に沿って配置される。ナノ共振器間の矢印は、電界効果を示す。ナノ共振器１１２は、複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向に沿って概ね等間隔に配置することができる。ナノ共振器１１２は、約２５μｍ〜約１００μｍの距離だけ、光導波路１０４の外側表面から離隔して配置することができる。複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向に沿ったナノ共振器１１２の数は、約５〜約１００以上にすることができる。ナノ共振器１１２は、互いに概ね直線的に配置することができる。また、ナノ共振器１１２は、光導波路１０４の周囲にわたって円周方向に配置される。たとえば、プラズモン導波路を形成するナノ共振器１１２のグループを、光導波路１０４の外周にわたって３０°、６０°又は９０°のような任意の適当な角度だけ互いに離隔して円周方向に配置することができる。
【００１５】
他の実施形態では、共振周期メタマテリアル構造は、非線形媒体の内側表面、及び／又は外側表面上に設けられるナノ共振器を含むことができる。たとえば、図２は、非線形媒体２１４の外側表面２１８上に設けられるナノ共振器２１２（スプリットリング）を有する複合共振ＥＭ構造２０２の別の実施形態を示す。光の電界Ｅ及び磁界Ｈの方向が示される。ナノ共振器２１２は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）によってポリマー（たとえば、プラスチック）上にプリントすること、ドライエッチングすること、及びロール・ツー・ロール工程において繊維に転写することを含む、種々の技法によって、外側表面２１８上に形成することができる。非線形媒体２１４は円筒形構成を有する。図２では、空孔２２０を貫通して延在する光導波路は、簡単にするために示されない。複合共振ＥＭ構造２０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような光導波路上に配置することができ、ナノ共振器２１２がテーパ部分に沿って配置される。
【００１６】
図３は、複合共振ＥＭ構造３０２の別の例示的な実施形態を示しており、ナノ共振器３１２（ナノロッド）が、非線形媒体３０２の外側表面３１８上に設けられ、共振周期メタマテリアル構造を形成する。この実施形態では、ナノ共振器３１２は、ナノインプリントリソグラフィ等によって、外側表面３１８上にプリントされる。非線形媒体３１４は、たとえば、その上でプリントを実行することができる任意の適当なポリマー材料から構成することができる。非線形媒体３１４は、シートの形をとることができる。非線形媒体３１４上にナノ共振器３１２がプリントされた後に、そのシートを丸めて、複合共振ＥＭ構造３０２の所望の構成を形成することができる。非線形媒体３１４は円筒形構成を有する。図３では、空孔３２０を貫通して延在する光導波路は、簡単にするために示されない。複合共振ＥＭ構造３０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような光導波路上に配置することができ、ナノ共振器３１２がテーパ部分に沿って配置される。
【００１７】
図４は、格子構造又は「魚網」構造の複合共振ＥＭ構造４０２の別の例示的な実施形態を示しており、その構造は外側表面４１８と、軸方向に延在する空孔４２０とを有する。図４に示されるように、その魚網構造は、複合共振ＥＭ構造４０２の外周にわたって、且つその長さに沿って延在する、穴４２２の周期的なアレイを含む。複合共振ＥＭ構造４０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような導波路上に配置することができる。
【００１８】
図５は、複合共振ＥＭ構造４０２の金属−絶縁体−金属３層構造の磁気応答を示す。複合共振ＥＭ構造４０２は、軸方向に延在する部分４２４と、円周方向に延在する部分４２６とを含み、それにより穴４２２が画定される。正方形の３層構造（左側）は磁気共振を与え、一方、細長いワイヤ状の３層（中央）は、電気（プラズモン）共振を与える。これらの３層を図５の右側に示される構造４０２において組み合わせることにより、同じ周波数範囲において磁気共振及び電気（プラズモン）共振の両方を有することができる材料が作り出される。
【００１９】
図６に示されるように、部分４２４は幅Ｗyを有し、それは典型的には約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍであり、また部分４２６は幅Ｗxを有し、それは典型的には約１５０ｎｍ〜約４００ｎｍである。穴４２２は、たとえば、円周方向において約６００μｍの距離だけ互いに離隔して、且つ軸方向において約５００ｎｍ〜約６００ｎｍの距離だけ互いに離隔して配置することができる。穴４２２は、正方形及び長方形を含む種々の断面を有することができる。穴４２２は、それぞれ約３００ｎｍ及び約５００ｎｍの例示的な長さ及び幅寸法を有することができる。
【００２０】
図６に示されるように、複合共振ＥＭ構造４０２の実施形態は、第１の金属層４２８と、第１の金属層４２８上にある絶縁体層４３０と、絶縁体層４３０上にある第２の金属層４３２とを備える。第１の金属層４２８及び第２の金属層４３２は、十分に高い導電率を与える任意の金属から構成することができる。たとえば、その金属は、約４μΩ・ｃｍ、約３μΩ・ｃｍ、約２μΩ・ｃｍ又は、約１μΩ・ｃｍのような約５μΩ・ｃｍ未満の低い抵抗率を有することができる。その金属は、たとえば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ若しくはＣｕ、又はそれらの合金とすることができる。第１の金属層４２８及び第２の金属層４３２はそれぞれ、たとえば、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの厚みを有することができる。
【００２１】
絶縁体層４３０は、たとえば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ポリマー（たとえば、ポリイミド）から構成することができる。絶縁体層４３０は、たとえば、約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有することができる。他の金属／絶縁体材料の組み合わせを用いて、魚網構造の積層を形成することができる。
【００２２】
複合共振ＥＭ構造４０２の層の数は変更することができる。たとえば、別の例示的な積層は、金属層／絶縁体層／金属層／絶縁体層／金属層の層配列を有することができる。
【００２３】
図５及び図６に示される複合共振ＥＭ構造４０２の場合、３つ全ての層４２８、４３０及び４３２が形成された後に、その構造の中に穴４２２を形成することができる。そのような実施形態では、穴４２２は、３つ全ての層を貫通して位置合わせされ、第１の金属層４２８、絶縁体層４３０及び第２の金属層４３２を合わせた厚みに等しい深さを有する。
【００２４】
別の実施形態では、穴４２２は、複合共振ＥＭ構造４０２の厚みの一部だけの中に延在することができる。たとえば、穴を含む第１の金属層上に、穴のない絶縁体層を形成することができ、その後、絶縁体層上に、穴を含む第２の金属層を形成することができる。その実施形態では、第１の金属層内の穴は、第２の金属層内の穴と概ね位置合わせされる。穴の中に絶縁材料が残存しているか否かによって、穴の中に絶縁体材料が残存していない構造に比べて、共振周波数がシフトする場合がある。
【００２５】
複合共振ＥＭ構造４０２の層は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）によってポリマー（たとえば、プラスチック）上にプリントすること、ドライエッチングすること、及びロール・ツー・ロール工程において繊維に転写することを含む、種々の技法によって形成することができる。
【００２６】
そのメタマテリアル構造では、光導波路が、光源によって放射される伝播光を閉じ込めて、誘導する。赤外線方式では、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ等から構成される低屈折率コントラストプレーナ導波路のようなリッジ導波路構造を用いることができる。約１．１μｍ〜１．６μｍの範囲内の赤外線波長をシリカファイバによって搬送することができる。光学方式では、導波路は、円形の断面を有する光ファイバのような、誘電体材料から形成することができる。別の実施形態では、光導波路は、フォトニックバンドギャップ結晶内の線欠陥チャネルとすることができる。
【００２７】
図１に示される実施形態では、光導波路１０４は、円形の断面を有し、複合共振ＥＭ構造１０２内に配置されるテーパ部分１１６を有する光ファイバである。その光ファイバは、約１μｍ〜約５０μｍの例示的な直径を有することができ、テーパ部分１１６は、約０．３μｍ〜約１５μｍの例示的な直径を有することができる。テーパ部分１１６は、光導波路１０４によって搬送される光と複合共振ＥＭ構造１０２との結合を強めるように構成される。
【００２８】
メタマテリアル構造では、光導波路は一体構造を有することができるか、代替的に、互いに結合される２つ以上の部分を含むことができる。光導波路は、光源１０６によって放射される周波数ωの光を複合共振ＥＭ構造１０２の中に搬送し、アップコンバージョン過程から生じる２次及び／又はさらに高次の高調波を搬送するマルチモードファイバとすることができる。高調波は、通信用途において利用することができる。
【００２９】
別の実施形態では、光導波路は、複合共振ＥＭ構造１０２の出口端１２２までしか延在しない。この実施形態では、ディスプレイ又は映写の用途の場合のように、複合共振ＥＭ構造１０２から出る光を、ファイバを介して空中に放射し、エアカプラに結合することができる。
【００３０】
複合共振ＥＭ構造１０２は、入力端１２４から出力端１２２まで、光が出力端１２４から出る前に光源１０６によって放射される光と実効的に相互作用するだけの十分な長さを有する。たとえば、複合共振ＥＭ構造１０２は、約５μｍ〜約１５０μｍの長さを有することができる。
【００３１】
図１に示される実施形態では、複合共振ＥＭ構造１０２の両端にある共振器１０８は、たとえば、ブラッグミラーとすることができる。
【００３２】
図１に示される実施形態では、外側クラッディング１１０は光を反射し、複合共振ＥＭ構造１０２内の光の閉じ込めを高める。クラッディング１１０は、任意の適当な材料から構成することができる。
【００３３】
メタマテリアル構造の実施形態は、オプションの利得媒体、励起媒体、又はさらに高次の高調波増幅のための他の機構を含むことができる。
【００３４】
複合共振ＥＭ構造は、これらの構造を形成する構成要素とは異なる光学特性を有する。複合共振ＥＭ構造は、その周期的な共振構造に起因する電磁材料特性を有する。複合共振ＥＭ構造は、周波数ωを有する入射光を２次高調波２ω（λ／２）に、及び／又はさらに高次の高調波（たとえば、３次高調波３ω（λ／３）、又はさらに高次の偶数高調波若しくは奇数高調波）にアップコンバートするのに望ましい共振周波数を有する。２次高調波は、可視スペクトル内に存在することができる。たとえば、２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内のいずれかに存在することができる。
【００３５】
複合共振ＥＭ構造によって変換される入射光は、たとえば、約１．１μｍ〜約１．６μｍの赤外線範囲内の概ね単一の波長λから、すなわち概ね単色光から成ることができる。例示的な実施形態では、λ／２は、約６２０ｎｍ〜７４０ｎｍ（赤色光）、約４４５ｎｍ〜５００ｎｍ（青色光）又は約５００ｎｍ〜５７５ｎｍ（緑色光）の範囲内に存在することができる。したがって、共振ＥＭ構造は、入射光（たとえば、赤外光）の周波数を、赤色光、青色光又は緑色光のような可視スペクトルの色のうちの１つの周波数に対応する２次高調波を有する可視光にアップコンバートすることができる。
【００３６】
メタマテリアル構造の１つの例示的な実施形態では、複合共振ＥＭ構造は、少なくとも約５０％の光結合効率を有する。本明細書において、「光結合効率」は、共振ＥＭ構造の共振モードに結合し、当該共振ＥＭ構造の共振モードを励起する、周波数ωの入射光強度のパーセンテージと定義される。複合共振ＥＭ構造は、共振周波数の場合に約５０％〜約７０％の結合効率を有することが好ましい。複合共振ＥＭ構造の非線形材料は、選択された入射周波数から共振ＥＭ構造の共振数波数への変換効率を、たとえば約５０％から約７０％に高めることができる。
【００３７】
「品質係数」Ｑは、Ｅlocal＝ＱＥ0によって定義される。ただし、Ｅlocalは、複合共振ＥＭ構造付近の局所電界であり、Ｅ0は、複合共振ＥＭ構造内に導入され、共振周波数に変換される入射光の電界強度である。メタマテリアル構造の実施形態は、Ｑ値＞＞１を提供することができる。すなわち、局所電界Ｅ0は、Ｅlocal／Ｅ0＞＞１のように大きく高めることができる。
【００３８】
図７に示される光処理システムの例示的な実施形態では、メタマテリアル構造７００ａ、７００ｂ及び７００ｃはそれぞれ、第１の光導波路７０４ａ、第２の光導波路７０４ｂ及び第３の光導波路７０４ｃを備える。また、メタマテリアル構造７００ａ、７００ｂ及び７００ｃは、共振周波数ωR1を有する第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、共振周波数ωR2を有する第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ、及び共振周波数ωR3を有する第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃを備える。第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃはそれぞれ、第１の光導波路７０４ａ、第２の光導波路７０４ｂ及び第３の光導波路７０４ｃに沿って伝搬する入射光と相互作用して、その光を第１の色、第２の色及び第３の色にそれぞれアップコンバートするように構成される。異なる色は、同時に生成することができるか、又は、或る所望の時間パターンにおいて生成することができる。
【００３９】
その実施形態では、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃはそれぞれ、図１に示される複合共振ＥＭ構造１０２、又は図４〜図６に示される複合共振ＥＭ構造４０２と同じ構造を有することができる。第１の光導波路、第２の光導波路及び第３の光導波路はそれぞれ、図１に示される光導波路１０４と同じ構造を有することができる。他の実施形態では、それぞれのメタマテリアル構造の複合共振ＥＭ構造及び光導波路は、互いに異なることができる。
【００４０】
図７に示されるように、光源７０６ａ、７０６ｂ及び７０６ｃはそれぞれ、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃに動作可能に関連付けられる。たとえば、光源７０６ａ、７０６ｂ及び７０６ｃはそれぞれ、周波数ω1、ω2及びω3をそれぞれ有する単色放射を放射することができ、その放射はそれぞれの光導波路７０４ａ、７０４ｂ及び７０４ｃに沿って伝搬し、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃによって、２次高調波及び／又はさらに高次の高調波、たとえば、２次高調波２ω1、２ω2及び２ω3にアップコンバートされる。２次高調波２ω1、２ω2及び２ω3は、たとえば、第１の色、第２の色及び第３の色に対応することができる。
【００４１】
３つの複合共振ＥＭ構造を含むメタマテリアル構造によって生成される色を互いに選択的に合成して、複数の異なる色を生成することができる。たとえば、加法混色の原色の、赤色、緑色及び青色をメタマテリアル構造によって生成することができ、その後、それらの色を合成して、追加的な中間色を生成することができる。緑色及び青色光を合成してシアンを生成することができ、赤色及び青色光を合成してマゼンタを生成することができ、緑色及び赤色光を合成してイエローを生成することができ、赤色、緑色及び青色を合成して白色を生成することができる。
【００４２】
メタマテリアル構造の実施形態を用いて、光投影、ディスプレイ及び光電子回路（光相互接続）のような多種多様な用途のために光を生成することができるものと考えられる。
【００４３】
メタマテリアル構造を用いて、量子通信のためのもれつた状態のアップコンバートされた光子の明るい光源を設けることができるものと考えられる。可視領域においてもつれた状態の光子を生成するために、２つの光子が複屈折結晶の中を通り抜ける技法を用いることができる。
【００４４】
その精神及び本質的な特徴から逸脱することなく、本発明を他の具体的な形において具現できることは当業者には理解されよう。したがって、ここで開示される実施形態は、あらゆる点において、例示と見なされるべきであり、限定するものと見なされるべきではない。本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって指示され、本発明の意味及び範囲、並びに均等物の中に入る全ての変更は、本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【背景技術】
【０００１】
光処理システムでは、非線形材料の結晶を用いて、光の周波数を変更し、したがって波長も変更して、所望の周波数の光を生成することができる。たとえば、結晶を、結晶に入射する光の周波数を２倍にして波長を半分にする周波数逓倍器として用いることができる。その過程は、２次高調波生成と呼ばれる。そのような結晶では、低い入射光強度では、２次高調波変換効率は低いが、入射光強度を高めると変換効率も高くなる。しかしながら、そのような２次高調波生成の効率は典型的には低い。
【発明の概要】
【０００２】
したがって、高い効率の高調波変換を与えることができる光処理システム及び方法を提供することが望ましいであろう。
【０００３】
光処理のためのメタマテリアル構造の１つの例示的な実施の形態は、光導波路と、共振周波数ωRを有する複合共振電磁（ＥＭ）構造であって、複合共振ＥＭ構造は、光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ωをωRにアップコンバートし、これによってωの２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、複合共振電磁構造とを備える。
【０００４】
光処理のためのメタマテリアル構造の別の例示的な実施の形態は、第１の光導波路と、第２の光導波路と、第３の光導波路と、第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造であって、第１の複合共振ＥＭ構造は、第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第１の複合共振電磁構造と、第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁構造であって、第２の複合共振ＥＭ構造は、第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第２の複合共振電磁構造と、第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁構造であって、第３の複合共振ＥＭ構造は、第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω3の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第３の複合共振電磁構造とを備える。
【０００５】
メタマテリアル構造を用いて光を処理する方法の１つの例示的な実施の形態は、第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第１の光導波路に沿って光を伝搬させることを含み、第１の複合共振ＥＭ構造は、第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、その光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】メタマテリアル構造を含む、光処理システムの１つの例示的な実施形態を示す。
【図２】スプリットリング共振器を含む、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図３】プリントナノ共振器を含む、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図４】穴の周期的な配列を有する、メタマテリアル構造の別の例示的な実施形態を示す。
【図５】金属−絶縁体−金属３層構造を含む、メタマテリアル構造の電磁応答を示す。
【図６】図５の右側に示されるメタマテリアル構造の一部の拡大図である。
【図７】３つのメタマテリアル構造及び３つの関連する光源を含む、光処理システムの別の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
メタマテリアル構造１００の１つの例示的な実施形態が図１に示される。メタマテリアル構造１００は、光導波路１０４に沿って配置される複合共振電磁（ＥＭ）構造１０２を備える。図に示されるように、そのメタマテリアル構造１００は、光源１０６も含む光処理システム内に設けられる。光源１０６は、光を光導波路１０４内に放射するように構成される。光源１０６のタイプによるが、光は単色であり（たとえばレーザ光）、概ね単一の周波数だけを含むことができるか、又は光は、或る範囲の周波数を含むことができる（たとえば、広帯域光）。光は光導波路１０４に沿って伝搬し、複合共振ＥＭ構造１０２と相互作用する。オプションの共振器１０８が、複合共振ＥＭ構造１０２の両端に設けられる。オプションの外側クラッディング１１０が、複合共振ＥＭ構造１０２を包囲する。
【０００８】
複合共振ＥＭ構造１０２は、固有共振周波数ωRを有する。複合共振ＥＭ構造１０２は、入射光の周波数ωを、共振周波数ωRにアップコンバートする。このアップコンバージョン過程は、入射光の高調波を生成する。高調波は、２次高調波及び／又はさらに高次の高調波とすることができる。複合共振ＥＭ構造１０２によって変換される光周波数ωは、広帯域光源によって放射される周波数範囲内に含まれる周波数、又は単色光源によって放射される単一の周波数とすることができる。
【０００９】
複合共振ＥＭ構造の実施形態は、共振周期メタマテリアル構造を含む。図１に示される実施形態では、複合共振ＥＭ構造１０２は、光導波路１０４の長さの少なくとも一部に沿って配置される金属ナノ共振器１１２を含む。ナノ共振器１１２は、高い電界を生成し、それにより、複合共振ＥＭ構造１０２の非線形応答を引き起こす。
【００１０】
図１に示される実施形態では、金属ナノ共振器１１２はナノサイズの粒子である。ナノサイズの粒子は、十分に高い導電率を与える任意の金属から構成することができる。損失を最小限に抑えることができるように、その金属は高い導電率（低い抵抗率）を有することが好ましい。たとえば、その金属は、４μΩ・ｃｍ、３μΩ・ｃｍ、２μΩ・ｃｍ又は１μΩ・ｃｍのような５μΩ・ｃｍ未満の低い抵抗率を有することができる。その金属は、たとえば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ若しくはＣｕ、又はそれらの合金とすることができる。ナノサイズの粒子は、シリコンのような半導体材料から、又はカーボンナノチューブのような非金属材料から構成することもできる。ナノサイズの粒子は単結晶とすることができ、粒界効果を排除することができる。
【００１１】
図１に示されるナノサイズの粒子は球形である。他の実施形態では、ナノサイズの粒子は、チューブ、ファイバ、ワイヤ、プレート、ロッド及びリングのような他の形状を有することができる。ナノサイズの粒子は、たとえば、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍの最大寸法（たとえば、直径又は長さ）を有することができる。
【００１２】
ナノサイズの粒子は、任意の適当な技法によって形成することができる。たとえば、ナノサイズの粒子は、核形成及び核成長、沈殿、レーザアブレーション、界面活性剤を利用した成長、電気化学合成、化学蒸着核形成、電子ビーム蒸着、又はフォトリソグラフィ技法によって形成することができる。ナノサイズの粒子を形成するために用いられる具体的な技法は、ナノサイズの粒子の所望の組成、形状及び／又はサイズによる。
【００１３】
その実施形態では、ナノ共振器１１２は非線形媒体１１４に埋め込まれる。非線形媒体１１４は、光導波路１０４のテーパ部分１１６を取り囲み、ナノ共振器１１２は、テーパ部分１１６に沿って配置される。非線形媒体１１４は、有機材料、無機材料、又はその混合物から構成される絶縁体である。たとえば、非線形媒体１１４は、セラミック材料、又はプラスチック、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）若しくはポリエステルのようなポリマーとすることができる。非線形媒体１１４は、成形のような任意の適当な工程によって、光導波路１０４の周囲に形成することができる。代替的に、非線形媒体は、光導波路１０４に巻き付けることができる。その実施形態では、非線形媒体１１４は、外側表面１１８を有する概ね円筒形の構成を有することができる。他の実施形態では、非線形媒体１１４は、正方形、長方形、三角形等の他の外側表面形状を有することができる。
【００１４】
図１に示されるように、ナノ共振器１１２は、プラズモン導波路の形で、複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向（長さ）に沿って配置される。ナノ共振器間の矢印は、電界効果を示す。ナノ共振器１１２は、複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向に沿って概ね等間隔に配置することができる。ナノ共振器１１２は、約２５μｍ〜約１００μｍの距離だけ、光導波路１０４の外側表面から離隔して配置することができる。複合共振ＥＭ構造１０２の軸方向に沿ったナノ共振器１１２の数は、約５〜約１００以上にすることができる。ナノ共振器１１２は、互いに概ね直線的に配置することができる。また、ナノ共振器１１２は、光導波路１０４の周囲にわたって円周方向に配置される。たとえば、プラズモン導波路を形成するナノ共振器１１２のグループを、光導波路１０４の外周にわたって３０°、６０°又は９０°のような任意の適当な角度だけ互いに離隔して円周方向に配置することができる。
【００１５】
他の実施形態では、共振周期メタマテリアル構造は、非線形媒体の内側表面、及び／又は外側表面上に設けられるナノ共振器を含むことができる。たとえば、図２は、非線形媒体２１４の外側表面２１８上に設けられるナノ共振器２１２（スプリットリング）を有する複合共振ＥＭ構造２０２の別の実施形態を示す。光の電界Ｅ及び磁界Ｈの方向が示される。ナノ共振器２１２は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）によってポリマー（たとえば、プラスチック）上にプリントすること、ドライエッチングすること、及びロール・ツー・ロール工程において繊維に転写することを含む、種々の技法によって、外側表面２１８上に形成することができる。非線形媒体２１４は円筒形構成を有する。図２では、空孔２２０を貫通して延在する光導波路は、簡単にするために示されない。複合共振ＥＭ構造２０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような光導波路上に配置することができ、ナノ共振器２１２がテーパ部分に沿って配置される。
【００１６】
図３は、複合共振ＥＭ構造３０２の別の例示的な実施形態を示しており、ナノ共振器３１２（ナノロッド）が、非線形媒体３０２の外側表面３１８上に設けられ、共振周期メタマテリアル構造を形成する。この実施形態では、ナノ共振器３１２は、ナノインプリントリソグラフィ等によって、外側表面３１８上にプリントされる。非線形媒体３１４は、たとえば、その上でプリントを実行することができる任意の適当なポリマー材料から構成することができる。非線形媒体３１４は、シートの形をとることができる。非線形媒体３１４上にナノ共振器３１２がプリントされた後に、そのシートを丸めて、複合共振ＥＭ構造３０２の所望の構成を形成することができる。非線形媒体３１４は円筒形構成を有する。図３では、空孔３２０を貫通して延在する光導波路は、簡単にするために示されない。複合共振ＥＭ構造３０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような光導波路上に配置することができ、ナノ共振器３１２がテーパ部分に沿って配置される。
【００１７】
図４は、格子構造又は「魚網」構造の複合共振ＥＭ構造４０２の別の例示的な実施形態を示しており、その構造は外側表面４１８と、軸方向に延在する空孔４２０とを有する。図４に示されるように、その魚網構造は、複合共振ＥＭ構造４０２の外周にわたって、且つその長さに沿って延在する、穴４２２の周期的なアレイを含む。複合共振ＥＭ構造４０２は、光導波路のテーパ部分を包囲するように、図１に示される光導波路１０４のような導波路上に配置することができる。
【００１８】
図５は、複合共振ＥＭ構造４０２の金属−絶縁体−金属３層構造の磁気応答を示す。複合共振ＥＭ構造４０２は、軸方向に延在する部分４２４と、円周方向に延在する部分４２６とを含み、それにより穴４２２が画定される。正方形の３層構造（左側）は磁気共振を与え、一方、細長いワイヤ状の３層（中央）は、電気（プラズモン）共振を与える。これらの３層を図５の右側に示される構造４０２において組み合わせることにより、同じ周波数範囲において磁気共振及び電気（プラズモン）共振の両方を有することができる材料が作り出される。
【００１９】
図６に示されるように、部分４２４は幅Ｗyを有し、それは典型的には約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍであり、また部分４２６は幅Ｗxを有し、それは典型的には約１５０ｎｍ〜約４００ｎｍである。穴４２２は、たとえば、円周方向において約６００μｍの距離だけ互いに離隔して、且つ軸方向において約５００ｎｍ〜約６００ｎｍの距離だけ互いに離隔して配置することができる。穴４２２は、正方形及び長方形を含む種々の断面を有することができる。穴４２２は、それぞれ約３００ｎｍ及び約５００ｎｍの例示的な長さ及び幅寸法を有することができる。
【００２０】
図６に示されるように、複合共振ＥＭ構造４０２の実施形態は、第１の金属層４２８と、第１の金属層４２８上にある絶縁体層４３０と、絶縁体層４３０上にある第２の金属層４３２とを備える。第１の金属層４２８及び第２の金属層４３２は、十分に高い導電率を与える任意の金属から構成することができる。たとえば、その金属は、約４μΩ・ｃｍ、約３μΩ・ｃｍ、約２μΩ・ｃｍ又は、約１μΩ・ｃｍのような約５μΩ・ｃｍ未満の低い抵抗率を有することができる。その金属は、たとえば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ若しくはＣｕ、又はそれらの合金とすることができる。第１の金属層４２８及び第２の金属層４３２はそれぞれ、たとえば、約２０ｎｍ〜約４０ｎｍの厚みを有することができる。
【００２１】
絶縁体層４３０は、たとえば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ポリマー（たとえば、ポリイミド）から構成することができる。絶縁体層４３０は、たとえば、約３０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有することができる。他の金属／絶縁体材料の組み合わせを用いて、魚網構造の積層を形成することができる。
【００２２】
複合共振ＥＭ構造４０２の層の数は変更することができる。たとえば、別の例示的な積層は、金属層／絶縁体層／金属層／絶縁体層／金属層の層配列を有することができる。
【００２３】
図５及び図６に示される複合共振ＥＭ構造４０２の場合、３つ全ての層４２８、４３０及び４３２が形成された後に、その構造の中に穴４２２を形成することができる。そのような実施形態では、穴４２２は、３つ全ての層を貫通して位置合わせされ、第１の金属層４２８、絶縁体層４３０及び第２の金属層４３２を合わせた厚みに等しい深さを有する。
【００２４】
別の実施形態では、穴４２２は、複合共振ＥＭ構造４０２の厚みの一部だけの中に延在することができる。たとえば、穴を含む第１の金属層上に、穴のない絶縁体層を形成することができ、その後、絶縁体層上に、穴を含む第２の金属層を形成することができる。その実施形態では、第１の金属層内の穴は、第２の金属層内の穴と概ね位置合わせされる。穴の中に絶縁材料が残存しているか否かによって、穴の中に絶縁体材料が残存していない構造に比べて、共振周波数がシフトする場合がある。
【００２５】
複合共振ＥＭ構造４０２の層は、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）によってポリマー（たとえば、プラスチック）上にプリントすること、ドライエッチングすること、及びロール・ツー・ロール工程において繊維に転写することを含む、種々の技法によって形成することができる。
【００２６】
そのメタマテリアル構造では、光導波路が、光源によって放射される伝播光を閉じ込めて、誘導する。赤外線方式では、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ等から構成される低屈折率コントラストプレーナ導波路のようなリッジ導波路構造を用いることができる。約１．１μｍ〜１．６μｍの範囲内の赤外線波長をシリカファイバによって搬送することができる。光学方式では、導波路は、円形の断面を有する光ファイバのような、誘電体材料から形成することができる。別の実施形態では、光導波路は、フォトニックバンドギャップ結晶内の線欠陥チャネルとすることができる。
【００２７】
図１に示される実施形態では、光導波路１０４は、円形の断面を有し、複合共振ＥＭ構造１０２内に配置されるテーパ部分１１６を有する光ファイバである。その光ファイバは、約１μｍ〜約５０μｍの例示的な直径を有することができ、テーパ部分１１６は、約０．３μｍ〜約１５μｍの例示的な直径を有することができる。テーパ部分１１６は、光導波路１０４によって搬送される光と複合共振ＥＭ構造１０２との結合を強めるように構成される。
【００２８】
メタマテリアル構造では、光導波路は一体構造を有することができるか、代替的に、互いに結合される２つ以上の部分を含むことができる。光導波路は、光源１０６によって放射される周波数ωの光を複合共振ＥＭ構造１０２の中に搬送し、アップコンバージョン過程から生じる２次及び／又はさらに高次の高調波を搬送するマルチモードファイバとすることができる。高調波は、通信用途において利用することができる。
【００２９】
別の実施形態では、光導波路は、複合共振ＥＭ構造１０２の出口端１２２までしか延在しない。この実施形態では、ディスプレイ又は映写の用途の場合のように、複合共振ＥＭ構造１０２から出る光を、ファイバを介して空中に放射し、エアカプラに結合することができる。
【００３０】
複合共振ＥＭ構造１０２は、入力端１２４から出力端１２２まで、光が出力端１２４から出る前に光源１０６によって放射される光と実効的に相互作用するだけの十分な長さを有する。たとえば、複合共振ＥＭ構造１０２は、約５μｍ〜約１５０μｍの長さを有することができる。
【００３１】
図１に示される実施形態では、複合共振ＥＭ構造１０２の両端にある共振器１０８は、たとえば、ブラッグミラーとすることができる。
【００３２】
図１に示される実施形態では、外側クラッディング１１０は光を反射し、複合共振ＥＭ構造１０２内の光の閉じ込めを高める。クラッディング１１０は、任意の適当な材料から構成することができる。
【００３３】
メタマテリアル構造の実施形態は、オプションの利得媒体、励起媒体、又はさらに高次の高調波増幅のための他の機構を含むことができる。
【００３４】
複合共振ＥＭ構造は、これらの構造を形成する構成要素とは異なる光学特性を有する。複合共振ＥＭ構造は、その周期的な共振構造に起因する電磁材料特性を有する。複合共振ＥＭ構造は、周波数ωを有する入射光を２次高調波２ω（λ／２）に、及び／又はさらに高次の高調波（たとえば、３次高調波３ω（λ／３）、又はさらに高次の偶数高調波若しくは奇数高調波）にアップコンバートするのに望ましい共振周波数を有する。２次高調波は、可視スペクトル内に存在することができる。たとえば、２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内のいずれかに存在することができる。
【００３５】
複合共振ＥＭ構造によって変換される入射光は、たとえば、約１．１μｍ〜約１．６μｍの赤外線範囲内の概ね単一の波長λから、すなわち概ね単色光から成ることができる。例示的な実施形態では、λ／２は、約６２０ｎｍ〜７４０ｎｍ（赤色光）、約４４５ｎｍ〜５００ｎｍ（青色光）又は約５００ｎｍ〜５７５ｎｍ（緑色光）の範囲内に存在することができる。したがって、共振ＥＭ構造は、入射光（たとえば、赤外光）の周波数を、赤色光、青色光又は緑色光のような可視スペクトルの色のうちの１つの周波数に対応する２次高調波を有する可視光にアップコンバートすることができる。
【００３６】
メタマテリアル構造の１つの例示的な実施形態では、複合共振ＥＭ構造は、少なくとも約５０％の光結合効率を有する。本明細書において、「光結合効率」は、共振ＥＭ構造の共振モードに結合し、当該共振ＥＭ構造の共振モードを励起する、周波数ωの入射光強度のパーセンテージと定義される。複合共振ＥＭ構造は、共振周波数の場合に約５０％〜約７０％の結合効率を有することが好ましい。複合共振ＥＭ構造の非線形材料は、選択された入射周波数から共振ＥＭ構造の共振数波数への変換効率を、たとえば約５０％から約７０％に高めることができる。
【００３７】
「品質係数」Ｑは、Ｅlocal＝ＱＥ0によって定義される。ただし、Ｅlocalは、複合共振ＥＭ構造付近の局所電界であり、Ｅ0は、複合共振ＥＭ構造内に導入され、共振周波数に変換される入射光の電界強度である。メタマテリアル構造の実施形態は、Ｑ値＞＞１を提供することができる。すなわち、局所電界Ｅ0は、Ｅlocal／Ｅ0＞＞１のように大きく高めることができる。
【００３８】
図７に示される光処理システムの例示的な実施形態では、メタマテリアル構造７００ａ、７００ｂ及び７００ｃはそれぞれ、第１の光導波路７０４ａ、第２の光導波路７０４ｂ及び第３の光導波路７０４ｃを備える。また、メタマテリアル構造７００ａ、７００ｂ及び７００ｃは、共振周波数ωR1を有する第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、共振周波数ωR2を有する第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ、及び共振周波数ωR3を有する第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃを備える。第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃはそれぞれ、第１の光導波路７０４ａ、第２の光導波路７０４ｂ及び第３の光導波路７０４ｃに沿って伝搬する入射光と相互作用して、その光を第１の色、第２の色及び第３の色にそれぞれアップコンバートするように構成される。異なる色は、同時に生成することができるか、又は、或る所望の時間パターンにおいて生成することができる。
【００３９】
その実施形態では、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃはそれぞれ、図１に示される複合共振ＥＭ構造１０２、又は図４〜図６に示される複合共振ＥＭ構造４０２と同じ構造を有することができる。第１の光導波路、第２の光導波路及び第３の光導波路はそれぞれ、図１に示される光導波路１０４と同じ構造を有することができる。他の実施形態では、それぞれのメタマテリアル構造の複合共振ＥＭ構造及び光導波路は、互いに異なることができる。
【００４０】
図７に示されるように、光源７０６ａ、７０６ｂ及び７０６ｃはそれぞれ、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃに動作可能に関連付けられる。たとえば、光源７０６ａ、７０６ｂ及び７０６ｃはそれぞれ、周波数ω1、ω2及びω3をそれぞれ有する単色放射を放射することができ、その放射はそれぞれの光導波路７０４ａ、７０４ｂ及び７０４ｃに沿って伝搬し、第１の複合共振ＥＭ構造７０２ａ、第２の複合共振ＥＭ構造７０２ｂ及び第３の複合共振ＥＭ構造７０２ｃによって、２次高調波及び／又はさらに高次の高調波、たとえば、２次高調波２ω1、２ω2及び２ω3にアップコンバートされる。２次高調波２ω1、２ω2及び２ω3は、たとえば、第１の色、第２の色及び第３の色に対応することができる。
【００４１】
３つの複合共振ＥＭ構造を含むメタマテリアル構造によって生成される色を互いに選択的に合成して、複数の異なる色を生成することができる。たとえば、加法混色の原色の、赤色、緑色及び青色をメタマテリアル構造によって生成することができ、その後、それらの色を合成して、追加的な中間色を生成することができる。緑色及び青色光を合成してシアンを生成することができ、赤色及び青色光を合成してマゼンタを生成することができ、緑色及び赤色光を合成してイエローを生成することができ、赤色、緑色及び青色を合成して白色を生成することができる。
【００４２】
メタマテリアル構造の実施形態を用いて、光投影、ディスプレイ及び光電子回路（光相互接続）のような多種多様な用途のために光を生成することができるものと考えられる。
【００４３】
メタマテリアル構造を用いて、量子通信のためのもれつた状態のアップコンバートされた光子の明るい光源を設けることができるものと考えられる。可視領域においてもつれた状態の光子を生成するために、２つの光子が複屈折結晶の中を通り抜ける技法を用いることができる。
【００４４】
その精神及び本質的な特徴から逸脱することなく、本発明を他の具体的な形において具現できることは当業者には理解されよう。したがって、ここで開示される実施形態は、あらゆる点において、例示と見なされるべきであり、限定するものと見なされるべきではない。本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって指示され、本発明の意味及び範囲、並びに均等物の中に入る全ての変更は、本発明の範囲に含まれることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光導波路（１０４、７０４ａ）と、
第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造（１０２、２０２、３０２、４０２、７０２ａ）であって、前記第１の複合共振ＥＭ構造は、前記第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して前記光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される第１の複合共振電磁構造（１０２、２０２、３０２、４０２、７０２ａ）とを備えることを特徴とする光処理のためのメタマテリアル構造（１００）。
【請求項２】
前記複合共振ＥＭ構造（１０２、４０２）は、共振周期メタマテリアル構造を含み、前記共振周期メタマテリアル構造は、
（ｉ）非線形材料内に埋め込まれるか、又は（ｉｉ）前記非線形材料の表面上に配置される複数の金属ナノ共振器、又は
第１の金属層と、前記第１の金属層上にある絶縁体層と、前記絶縁体層上にある第２の金属層とを備える多層構造であって、前記多層構造は、少なくとも前記第１の金属層及び前記第２の金属層を貫通して延在する、位置合わせされた穴の周期的な配列を有する、多層構造を備えることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項３】
前記第１の光導波路（１０４）は、断面積が減少しているテーパ部分（１１６）を有する光ファイバを含み、前記テーパ部分は前記第１の複合共振ＥＭ構造（１０２）内に配置され、前記第１の光導波路によって搬送される光と、前記第１の複合共振ＥＭ構造との結合を強めることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項４】
第２の光導波路（７０４ｂ）と、
第３の光導波路（７０４ｃ）と、
第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁構造（７０２ｂ）であって、前記第２の複合共振ＥＭ構造は、前記第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第２の複合共振電磁構造（７０２ｂ）と、
第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁構造（７０２ｃ）であって、前記第３の複合共振ＥＭ構造は、前記第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω3の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第３の複合共振電磁構造（７０２ｃ）とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項５】
ω1、ω2及びω3のそれぞれの前記２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内にあるか、又は
ω1、ω2及びω3の前記２次高調波はそれぞれ、赤色、緑色及び青色に対応することを特徴とする請求項４に記載のメタマテリアル構造。
【請求項６】
前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び前記第３の複合共振ＥＭ構造はそれぞれ、共振周期メタマテリアル構造を含み、前記共振周期メタマテリアル構造は、
（ｉ）非線形材料内に埋め込まれるか、又は（ｉｉ）前記非線形材料の表面上に配置される複数の金属ナノ共振器と、
第１の金属層と、前記第１の金属層上にある絶縁体層と、前記絶縁体層上にある第２の金属層とを備える多層構造であって、前記多層構造は、少なくとも前記第１の金属層及び前記第２の金属層を貫通して延在する、位置合わせされた穴の周期的な配列を有する、多層構造とを備えることを特徴とする請求項５に記載のメタマテリアル構造。
【請求項７】
前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路のそれぞれは、断面積が減少しているテーパ部分を有する光ファイバを含み、前記テーパ部分は前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び前記第３の複合共振ＥＭ構造内に配置され、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路によって搬送される光と、それぞれ前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び第３の複合共振ＥＭ構造との結合を強めることを特徴とする請求項５に記載のメタマテリアル構造。
【請求項８】
請求項５に記載のメタマテリアル構造と、
前記第１の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第１の光源（７０６ａ）と、
前記第２の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第２の光源（７０６ｂ）と、
前記第３の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第３の光源（７０６ｃ）とを備えることを特徴とする光処理システム。
【請求項９】
第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第１の光導波路に沿って光を伝搬させることを含み、
前記第１の複合共振ＥＭ構造は、前記第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されることを特徴とする、メタマテリアル構造を用いて光を処理する方法。
【請求項１０】
前記方法は、
第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第２の光導波路に沿って光を伝搬させることであって、前記第２の複合共振ＥＭ構造は、前記第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される、第２の光導波路に沿って光を伝搬させることと、
第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第３の光導波路に沿って光を伝搬させることであって、前記第３の複合共振ＥＭ構造は、前記第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される、第３の光導波路に沿って光を伝搬させることとをさらに含み、
ω1、ω2及びω3のそれぞれの前記２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内にあるか、又は
ω1、ω2及びω3の前記２次高調波はそれぞれ、赤色、緑色及び青色光に対応することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１】
第１の光導波路（１０４、７０４ａ）と、
第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造（１０２、２０２、３０２、４０２、７０２ａ）であって、前記第１の複合共振ＥＭ構造は、前記第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して前記光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される第１の複合共振電磁構造（１０２、２０２、３０２、４０２、７０２ａ）とを備えることを特徴とする光処理のためのメタマテリアル構造（１００）。
【請求項２】
前記複合共振ＥＭ構造（１０２、４０２）は、共振周期メタマテリアル構造を含み、前記共振周期メタマテリアル構造は、
（ｉ）非線形材料内に埋め込まれるか、又は（ｉｉ）前記非線形材料の表面上に配置される複数の金属ナノ共振器、又は
第１の金属層と、前記第１の金属層上にある絶縁体層と、前記絶縁体層上にある第２の金属層とを備える多層構造であって、前記多層構造は、少なくとも前記第１の金属層及び前記第２の金属層を貫通して延在する、位置合わせされた穴の周期的な配列を有する、多層構造を備えることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項３】
前記第１の光導波路（１０４）は、断面積が減少しているテーパ部分（１１６）を有する光ファイバを含み、前記テーパ部分は前記第１の複合共振ＥＭ構造（１０２）内に配置され、前記第１の光導波路によって搬送される光と、前記第１の複合共振ＥＭ構造との結合を強めることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項４】
第２の光導波路（７０４ｂ）と、
第３の光導波路（７０４ｃ）と、
第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁構造（７０２ｂ）であって、前記第２の複合共振ＥＭ構造は、前記第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第２の複合共振電磁構造（７０２ｂ）と、
第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁構造（７０２ｃ）であって、前記第３の複合共振ＥＭ構造は、前記第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω3の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されるように配置される、第３の複合共振電磁構造（７０２ｃ）とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル構造。
【請求項５】
ω1、ω2及びω3のそれぞれの前記２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内にあるか、又は
ω1、ω2及びω3の前記２次高調波はそれぞれ、赤色、緑色及び青色に対応することを特徴とする請求項４に記載のメタマテリアル構造。
【請求項６】
前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び前記第３の複合共振ＥＭ構造はそれぞれ、共振周期メタマテリアル構造を含み、前記共振周期メタマテリアル構造は、
（ｉ）非線形材料内に埋め込まれるか、又は（ｉｉ）前記非線形材料の表面上に配置される複数の金属ナノ共振器と、
第１の金属層と、前記第１の金属層上にある絶縁体層と、前記絶縁体層上にある第２の金属層とを備える多層構造であって、前記多層構造は、少なくとも前記第１の金属層及び前記第２の金属層を貫通して延在する、位置合わせされた穴の周期的な配列を有する、多層構造とを備えることを特徴とする請求項５に記載のメタマテリアル構造。
【請求項７】
前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路のそれぞれは、断面積が減少しているテーパ部分を有する光ファイバを含み、前記テーパ部分は前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び前記第３の複合共振ＥＭ構造内に配置され、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記第３の光導波路によって搬送される光と、それぞれ前記第１の複合共振ＥＭ構造、前記第２の複合共振ＥＭ構造及び第３の複合共振ＥＭ構造との結合を強めることを特徴とする請求項５に記載のメタマテリアル構造。
【請求項８】
請求項５に記載のメタマテリアル構造と、
前記第１の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第１の光源（７０６ａ）と、
前記第２の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第２の光源（７０６ｂ）と、
前記第３の光導波路に沿って伝搬する光を放射するように構成される第３の光源（７０６ｃ）とを備えることを特徴とする光処理システム。
【請求項９】
第１の共振周波数ωR1を有する第１の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第１の光導波路に沿って光を伝搬させることを含み、
前記第１の複合共振ＥＭ構造は、前記第１の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω1をωR1にアップコンバートし、これによってω1の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成されることを特徴とする、メタマテリアル構造を用いて光を処理する方法。
【請求項１０】
前記方法は、
第２の共振周波数ωR2を有する第２の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第２の光導波路に沿って光を伝搬させることであって、前記第２の複合共振ＥＭ構造は、前記第２の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω2をωR2にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される、第２の光導波路に沿って光を伝搬させることと、
第３の共振周波数ωR3を有する第３の複合共振電磁（ＥＭ）構造を貫通して延在する第３の光導波路に沿って光を伝搬させることであって、前記第３の複合共振ＥＭ構造は、前記第３の光導波路に沿って伝搬する光と相互作用して、前記光の周波数ω3をωR3にアップコンバートし、これによってω2の２次高調波及び／又はさらに高次の高調波が生成される、第３の光導波路に沿って光を伝搬させることとをさらに含み、
ω1、ω2及びω3のそれぞれの前記２次高調波は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内にあるか、又は
ω1、ω2及びω3の前記２次高調波はそれぞれ、赤色、緑色及び青色光に対応することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１０−５１７０９４（Ｐ２０１０−５１７０９４Ａ）
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７３２８（Ｐ２００９−５４７３２８）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１１５５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４５４３
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１１５５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４５４３
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０３００３８５４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (1,145)
【Ｆターム（参考）】
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