[发明专利]基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信领域的全光信号处理技术领域，尤其是涉及一种基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构及其应用。

背景技术

超材料的英文名称是metamaterial，它具备天然材料所不具有的超常电磁性质。超材料的研究开展尽管只有十余年时间，其概念已经从最初的、狭义的负折射率材料扩展到更宽的范畴中了，包涵了其他光学系统，例如，光子晶体、强各向异性材料、纳米传输线、手性材料以及超磁性材料等。众所周知，绝大多数天然材料的介电常数ε和磁导率μ取值为正，折射率n (n =                                                )也为正值；而负折射率材料在一定频段下同时具有负ε和负μ，其电场强度E、磁场强度H和波矢k的方向不再遵守大家所熟知的右手关系，而是左手关系；因此负折射率材料也叫左手材料。负折射率材料属于超材料的一种，它可以用于制作不受光学衍射成像限制的超透镜、电磁隐形斗篷等；还可以应用在天线、太阳能电池、调制器、光开关、光传感、超薄谐振腔、微腔激光器，以及超级紧凑的滤波器、耦和器、光存储器等领域。

一般采用人工设计的多个结构单元来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率，而且这些结构单元的尺寸远小于电磁波的波长；此时材料性质由结构单元的尺寸、单元间相互作用以及所用材料的电磁特性共同决定，因此，这些结构单元又被称为超原子或者超分子。最常见的是利用金属构建亚波长的周期结构来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率。例如，周期排布的金属线阵列可实现负介电常数[参见J. B. Pendry, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. Phys. Rev. Lett 76, 4773(1996)]、周期排布的金属开口谐振环阵列可实现负磁导率μ[参见J. B. Pendry, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47, 2075(1999)]，将这两种结构优化组合就能获得负的折射率[参见R.A.,Shelby, D.R. Smith, et al. Experimental verification of a negative index of refraction. Science 292，77(2001)]。此外，渔网结构也可以实现介电常数和磁导率同时为负的所谓双负折射率材料[参见Zheng-Gao Dong, et al. Optical loss compensation in a bulk left-handed metamaterial by the gain in quantum dot. Appl. Phys. Lett. 96, 044104 (2010)]。

超材料一般采用金属来构建。在电磁波作用下，金属中的电子发生集体振荡，所需的能量是从电磁波吸收而来的。而且当金属尺寸很小的时候，电阻率急剧增加，金属的焦耳损耗很严重；在光通信波段以及可见光频段，焦耳损耗更大。大的损耗严重阻碍了超材料的实用化。除了要减少电磁波的损耗以外，性能可调控也是超材料得以广泛应用的前提。在外部信号刺激下，超材料性能必须发生相应的改变，这样它才能够实现光开关、波长转换、光调制、光探测等功能，从而应用在光通信、光传感等领域中。

利用半导体材料、有机染料、石墨烯的光增益可对超材料的损耗进行补偿。半导体材料不像有机染料那样存在光漂白的问题，性能更可靠稳定；而且其工作波段很宽，可以通过改变材料组分和尺寸来灵活调节波段范围。半导体材料除了能够提供增益来补偿电磁波的损耗以外，它还对电、光等信号具有高速灵敏的响应，因此将超材料制作在半导体材料之上，借助后者的电、光敏感性就可改变超材料所处的外部环境，进而调控超材料的性能。