專利名稱：用于可調(diào)諧電容率或穿透率的多鐵性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料及裝置的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
此部分介紹可有助于促進對本發(fā)明的更好理解的方面。因此，應(yīng)根據(jù)此來閱讀此部分的陳述且不應(yīng)被理解為關(guān)于什么是現(xiàn)有技術(shù)或什么不是現(xiàn)有技術(shù)的承認。多鐵性材料為密集的研究興趣的主題。此些材料可表征為具有耦合鐵性有序參數(shù)。此種耦合可介于(例如)鐵磁響應(yīng)與鐵電響應(yīng)之間。因此，所施加電場可影響材料的鐵磁偏振，且所施加磁場可影響電介質(zhì)偏振。在一些情況下，機械應(yīng)變也可用以引發(fā)電偏振或磁性偏振。

發(fā)明內(nèi)容
一個實施例是一種具有包括多鐵性介質(zhì)的波導的設(shè)備。控制器經(jīng)配置以將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述多鐵性介質(zhì)。所述多鐵性介質(zhì)具有響應(yīng)于所述應(yīng)變或所述控制場的電介質(zhì)電容率或磁穿透率。另一實施例是一種具有多個單位單元的設(shè)備。每一單位單元包括多鐵性襯底及由所述襯底支撐的電抗組件。所述多個單位單元經(jīng)配置以在一頻率范圍上充當超穎材料。另一實施例是一種處理電磁信號的方法。所述方法包括配置包括多鐵性介質(zhì)的波導以傳播所述電磁信號。將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述波導，使得所述施加改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率。在執(zhí)行所述施加的同時經(jīng)由所述波導傳播電磁信號。另一實施例是一種處理電磁信號的方法。將包括多鐵性介質(zhì)的超穎材料定位于所述電磁信號的傳播路徑中。將電場或磁場施加到所述超穎材料，從而改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率。通過所述施加來改變電磁場的傳播特性。


參照附圖閱讀以下詳細說明來理解各種實施例。各圖可能未按比例繪制且為清晰地進行論述可能在大小上任意地增大或減小?，F(xiàn)在結(jié)合附圖參考以下說明，附圖中圖IA及圖IB圖解說明由多鐵性介質(zhì)對輸入信號的調(diào)制的一般實施例；圖2A到圖2C圖解說明均質(zhì)及異質(zhì)多鐵性介質(zhì)；圖3A及圖;3B分別圖解說明本發(fā)明的電容性元件及電感性元件；圖4圖解說明本發(fā)明的電抗網(wǎng)絡(luò)；圖5及圖14圖解說明本發(fā)明的方法；圖6A及圖6B分別圖解說明具有多鐵性介質(zhì)的光學波導的平面圖及截面圖；圖7圖解說明頻率相依ε及μ ；圖8Α到圖8C圖解說明使用多鐵性材料形成的超穎材料；圖9圖解說明本發(fā)明的光學波長轉(zhuǎn)換器；
圖10圖解說明本發(fā)明的偏振分集設(shè)備；圖11圖解說明本發(fā)明的負折射指數(shù)裝置；圖12圖解說明本發(fā)明的電磁共振器；及圖13圖解說明本發(fā)明的相位陣列天線系統(tǒng)。
具體實施例方式本文中所描述的實施例反映可操縱多鐵性介質(zhì)以提供可調(diào)諧且高效的電子裝置 (例如，例如光學裝置)、天線及濾波器的認識。可(例如)通過借助外部刺激(例如，例如電場或磁場)調(diào)制介質(zhì)的電介質(zhì)電容率ε及/或磁穿透率μ來實行此種調(diào)諧。在一些實施例中，機械刺激(例如，所施加應(yīng)力或所施加應(yīng)變)調(diào)制ε及/或μ。(下文中，為簡明起見，在不損失一般性的情況下將電介質(zhì)電容率稱作ε或“電容率”且將磁穿透率稱作μ 或“穿透率”。此外，雖然認識到ε及μ —般來說為復量，但在本文中在沒有符號詳述的情況下兩者實質(zhì)上用作實量。)在一些實施例中，通過此種調(diào)制來變化介質(zhì)的折射指數(shù)，而在其它情況下電抗網(wǎng)絡(luò)的阻抗可響應(yīng)于刺激。對介質(zhì)的介電性質(zhì)及鐵磁性質(zhì)的此種調(diào)制提供動態(tài)地調(diào)整采用多鐵性的裝置的光學或阻抗特性的方式。如本文中所使用，多鐵性介質(zhì)是展現(xiàn)耦合鐵性性質(zhì)的均質(zhì)或異質(zhì)材料。作為多鐵性材料的特性的耦合鐵性性質(zhì)為(例如)耦合鐵電及鐵磁性質(zhì)。因此，所施加磁場可更改介質(zhì)的電介質(zhì)偏振，且所施加電場可更改介質(zhì)的磁性偏振。電容率與電介質(zhì)偏振相關(guān)，且穿透率與磁性偏振相關(guān)。因此，可使用磁場來改變介質(zhì)的電介質(zhì)電容率，且可使用電場來改變介質(zhì)的磁穿透率。在一些情況下，機械應(yīng)力及/或應(yīng)變可改變電容率或穿透率。以更一般的術(shù)語重新陳述，外部刺激可改變多鐵性介質(zhì)的電容率或穿透率。所述刺激還可改變折射指數(shù)(RI)，取為(ε μ) 1/2ο圖IA示意性地圖解說明使用多鐵性介質(zhì)110調(diào)制信號的一般實施例。控制器使多鐵性介質(zhì)110經(jīng)受外部刺激120。在此實施例中，外部刺激120為磁場H。由于多鐵性介質(zhì)110的多鐵性性質(zhì)，多鐵性介質(zhì)110的電介質(zhì)電容率ε響應(yīng)于磁場H的改變而改變。此相依性由符號ε = f(H)表示。將電磁(EM)輸入信號140耦合到多鐵性介質(zhì)110?？赏ㄟ^由刺激120造成的ε的改變來調(diào)制所述EM信號。所述EM信號可具有(例如)在從近 DC(Hz)到UV(PHz)的范圍中的頻率。圖IB圖解說明其中外部刺激120為電場E的實施例。由于多鐵性介質(zhì)110的多鐵性性質(zhì)，多鐵性介質(zhì)110的磁穿透率μ響應(yīng)于電場E的改變而改變。此相依性由符號μ =f(E)表示?？赏ㄟ^由刺激120造成的μ的改變來調(diào)制所述EM信號。在各種實施例中，將E及H同時施加到多鐵性介質(zhì)110以對輸入信號140產(chǎn)生所要的作用。在一些實施例中，控制器130為機械應(yīng)力及/或應(yīng)變的源。舉例來說，可通過控制器130使多鐵性介質(zhì)110位于上面的柔性襯底變形?？赏ㄟ^常規(guī)方法(例如，經(jīng)由導電電極或板)將電場刺激施加到包括多鐵性介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。此些電極或板可經(jīng)配置以將電場局部地提供到較大裝置的一小部分，或可經(jīng)配置以將電場提供到多個裝置或多個多鐵性區(qū)。也可通過任何常規(guī)方法將磁場刺激施加到多鐵性介質(zhì)110的全部或一部分。實例包括電磁體及永久極磁體。在一些實施例中，包括電場及/或磁場的刺激可為靜態(tài)的。本文中，靜態(tài)刺激是指具有在由其調(diào)制的信號(例如，輸入信號140)的時間周期上不實質(zhì)上變化的量值的刺激 (例如，由控制器130提供的刺激)。在其它實施例中，刺激是非靜態(tài)的，意指刺激可以類似于或短于由其調(diào)制的信號的周期的時間尺度改變。在一些情況下，多鐵性介質(zhì)110對外部刺激的電容率或穿透率響應(yīng)可為各向同性的，例如，具有對介質(zhì)相對于刺激的定向的可忽略相依性。在其它情況下，所述響應(yīng)可為各向異性的，例如，介質(zhì)關(guān)于刺激的定向?qū)Ζ呕颚叹哂蟹强珊雎杂绊?。在一些情況下材料樣本的形狀也可引發(fā)額外各向異性。此種形狀各向異性通常對于軟磁性材料最顯著。多鐵性介質(zhì)可為均質(zhì)或異質(zhì)結(jié)晶材料。均質(zhì)材料可為(例如)初基胞具有長程周期性的結(jié)晶材料，其中原子以賦予耦合鐵性性質(zhì)的方式布置。此種介質(zhì)圖解說明于圖2Α 中，其中多鐵性材料210具有一般晶格參數(shù)a、b及C。作為非限制性實例，預(yù)期均質(zhì)多鐵性材料包括具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的一些化合物。在一些情況下，均質(zhì)多鐵性介質(zhì)可包括經(jīng)選擇以賦予材料鐵電特性的一些陽離子及賦予鐵磁特性的其它陽離子。舉例來說，與鐵電特性相關(guān)聯(lián)的陽離子包括一些3、4及5 族過渡金屬，例如Cr。與鐵磁特性相關(guān)聯(lián)的陽離子包括具有被部分地占據(jù)的d殼及f殼的一些元素(例如，F(xiàn)e、Ni、Co、Gd及Dy)的陽離子。材料的陽離子可通過陰離子(例如，例如 02_、S2_及(SO4)2-)來平衡。因此，舉例來說，預(yù)期Cc^e2O4及氧化鉻可充當一些溫度范圍上的多鐵性材料。在一些情況下，在3、4及5族過渡金屬以外的元素(例如，Bi)(例如)可貢獻鐵電性質(zhì)。此些材料的非限制性實例包括Bii^eO3及ΗοΜη03。此種組合物的鐵磁或反鐵磁有序化溫度可為在室溫下。在一些情況下，多鐵性材料在化學上可相對簡單。銅及Mn是小數(shù)目個元素中的兩者，其一些陽離子可打破通過抗衡陰離子形成的化合物的晶格的初基胞中的反演對稱性。 一個實例是CuO，其通常需要低于0°C的冷卻以允許晶格的單位胞呈現(xiàn)產(chǎn)生多鐵性性質(zhì)的配置。圖2B及圖2C分別圖解說明異質(zhì)多鐵性介質(zhì)220及230的實例。異質(zhì)多鐵性介質(zhì)可提供均質(zhì)多鐵性材料不提供的用于在鐵電域與鐵磁域之間產(chǎn)生所要的耦合的自由度?？尚纬?例如)鐵磁材料及鐵電材料的單獨域，其中相鄰域共享界面。鐵磁域及鐵電域可包含不容易地形成均質(zhì)化合物的材料。當所述域共享界面時，鐵電域的鐵電有序可耦合到相鄰鐵磁域的鐵磁有序，從而產(chǎn)生多鐵性表現(xiàn)。圖2B圖解說明其中多鐵性介質(zhì)220包括交替的層240、250的實施例。層240、250 可分別為(例如)鐵電材料及鐵磁材料。在此情況下，耦合通常在二維界面上。通常，預(yù)期介質(zhì)220對外部刺激的響應(yīng)為各向異性的，這是因為介質(zhì)220的平面性質(zhì)。雖然此種各向異性可限制介質(zhì)220的應(yīng)用，但可以產(chǎn)生良好控制的材料性質(zhì)的方式形成分層結(jié)構(gòu)。在一些情況下，介質(zhì)220可用作波導。光可經(jīng)配置以在介質(zhì)220中行進，其中傳播方向(例如，坡印廷(Poynting)向量)約平行于層M0、250之間的界面以實質(zhì)上最大化光與所述界面的交互。預(yù)期此種定向最大化調(diào)制介質(zhì)220的電容率及/或穿透率的作用。在一些實施例中，層M0、250的厚度不大于鐵電響應(yīng)與鐵磁響應(yīng)通過其耦合的深度的約兩倍。此厚度可(例如)大約為約lOOnm。在非限制性實例中，預(yù)期BaTiO3的5011!11 層(例如，鐵電)與Coi^e2O4或BaFe12O19的150nm層(例如，鐵磁)交替展現(xiàn)多鐵性性質(zhì)。此種分層介質(zhì)可通過各種常規(guī)材料生長技術(shù)來形成，包括(例如)化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)及分子束外延(MBE)。圖2C圖解說明其中多鐵性介質(zhì)230包括鐵電域260及鐵磁域270的實施例。域 260,270足夠大以展現(xiàn)(例如)具有大于約50nm的平均直徑的結(jié)晶性質(zhì)。域沈0、270的晶格定向具有偽隨機分布。每一域沈0、270與相鄰域沈0、270共享界面。當相鄰域并非為類似的材料(例如，鐵電與鐵磁)時，預(yù)期鐵電性質(zhì)與鐵磁性質(zhì)耦合，從而產(chǎn)生多鐵性表現(xiàn)。 由于域沈0、270偽隨機地布置，因此預(yù)期介質(zhì)的多鐵性性質(zhì)是實質(zhì)上各向同性的。介質(zhì)230 可在其中需要各向同性性質(zhì)的應(yīng)用(例如，例如電容性或電感性元件或電路襯底)中有利?？?例如)通過燒結(jié)鐵電材料與鐵磁材料的經(jīng)混合粒子來形成介質(zhì)230。此種過程將通常取決于正在燒結(jié)的材料的性質(zhì)。作為說明性實例，可以產(chǎn)生大約相等原子比重的 Ti及狗的比將一定量的粉末BaTiO3與一定量的粉末Cc^e2O4及/或BaFe12O19均勻地分散在一起。每一樣本中的平均粒子大小可為約IOOnm或更小?？稍诳諝獾?200C溫度下將經(jīng)混合樣本燒結(jié)數(shù)天。陶瓷領(lǐng)域的技術(shù)人員(例如)能夠確定其它經(jīng)燒結(jié)異質(zhì)多鐵性介質(zhì)的適當處理條件。實施例包括用作電路的無源組件中的電介質(zhì)或磁性可穿透介質(zhì)的多鐵性材料。所述組件可經(jīng)配置以響應(yīng)于外部刺激而改變電抗。舉例來說，圖3A圖解說明電容性元件300 的實例性實施例。將電容性元件300展示為(例如)具有板310及其之間的電介質(zhì)320的平行板電容器。電容性元件300的配置僅為說明各種配置，包括(例如)梳電容器及板電容器。在電容性元件300中，電介質(zhì)320為多鐵性介質(zhì)。電容性元件300被圖解說明位于磁場H中。由于電介質(zhì)320的電容率為H的函數(shù)，因此變化施加到電容性元件300的H的量值可調(diào)制其電容。變化H還通常將調(diào)制RI。在另一實施例中，多鐵性介質(zhì)(例如，電介質(zhì)320)可為FET或MOSFET的柵極電介質(zhì)。可將此種FET或MOSFET用作(例如)磁場傳感器，因為所述柵極電介質(zhì)具有響應(yīng)于外部磁場的改變的電介質(zhì)電容率。圖;3B圖解說明被圖解說明為(例如)平面線圈340的電感性元件330的實施例。 平面線圈340形成于包括多鐵性材料的襯底350上。展示電感性元件330具有所施加電場 E0由于襯底350的穿透率為E的函數(shù)，因此可通過改變在線圈340下施加到襯底350的E 的量值來更改線圈；340的電感。實施例包括具有包括多鐵性電介質(zhì)及磁性可穿透介質(zhì)的組件的無源/電抗電路。 多鐵性介質(zhì)對外部刺激的響應(yīng)提供調(diào)諧其操作受多鐵性介質(zhì)的電容率或穿透率影響的電子裝置的操作特性的方式。其它實施例包括有源組件與無源組件組合。在圖4中所圖解說明的實施例中，電抗網(wǎng)絡(luò)400(例如，L-C(電感-電容)網(wǎng)絡(luò)) 可具有取決于所述網(wǎng)絡(luò)中的一個或一個以上電容器410或電感器420的阻抗的阻抗Ζ(ω)。 在不進行限制的情況下將電抗網(wǎng)絡(luò)400展示為(例如)兩端口網(wǎng)絡(luò)。阻抗可為(例如)端口 1及2處的輸入阻抗。在電抗網(wǎng)絡(luò)400中，電容器410及/或電感器420中的一者或一者以上包括多鐵性介質(zhì)。因此，可通過將外部刺激(例如，外部電場或磁場)或機械應(yīng)力或應(yīng)變施加到電抗網(wǎng)絡(luò)400的一個或一個以上這些元件來改變所述一個或一個以上元件的電容及/或電感。此些刺激可從而改變電抗網(wǎng)絡(luò)400的一部分的阻抗及/或電抗網(wǎng)絡(luò)400 的所述部分的電共振特性。
在一些實施例中，電抗網(wǎng)絡(luò)400可包括天線，其具有取決于多鐵性材料的電介質(zhì)電容率或磁穿透率的阻抗。舉例來說，所述天線可具有輻射元件，其具有部分地由電磁耦合到所述輻射元件的多鐵性介質(zhì)確定的分布式電容或電感。舉例來說，多鐵性介質(zhì)可用作輻射元件可在上面形成的襯底?？墒┘釉谕獠渴┘拥拇碳?例如，電場或磁場或者機械應(yīng)力) 以改變所述分布式電容或電感，且從而改變天線的阻抗。因此，可通過外部刺激來調(diào)制天線的輻射性質(zhì)及/或增益。在另一實施例中，電抗網(wǎng)絡(luò)400可終止具有隨時間變化的表征阻抗的信號路徑， 例如波導或高速信號路徑?？赏ㄟ^(例如)改變所述網(wǎng)絡(luò)的一個或一個以上組件的電介質(zhì)電容率或磁穿透率的外部控制器來控制所述網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，以維持信號路徑與電抗網(wǎng)絡(luò) 400之間的阻抗匹配。電子電路的各種實施例包括其中具有多鐵性材料的電容性及/或電感性元件。舉例來說，射頻發(fā)射器或接收器可包括電濾波器，其具有部分地由其中具有多鐵性材料的電容器或電感器的(分別)電容或電感確定的通帶特性。在此些實施例中，電容性元件300 及電感性元件330可使得能夠通過將電場或磁場施加到包括多鐵性材料的電路元件來調(diào)諧所述發(fā)射器或接收器的操作頻率。圖6A及圖6B分別圖解說明其中電磁信號610經(jīng)由波導620傳播的裝置600的實施例的平面圖及截面圖。波導620包括核心630及包覆層640。在第一實施例中，核心630為能透過所關(guān)注的光學信號波長的常規(guī)光學介質(zhì)，例如硅或Si02。在本文及權(quán)利要求書中，光學信號具有在頂、可見或UV范圍中的頻率，通常被視為在約30THZ到約IPHz的范圍中。包覆層640為具有可通過施加磁場或電場或者通常機械應(yīng)力改變的折射指數(shù)的多鐵性材料。可(例如)通過形成于包覆層640的上部表面及下部表面上的電極64^1、64 來施加場。上部電極64 與下部電極64 可相反地帶電以調(diào)制所述包覆層的RI。 在一實例中，核心630可為形成于襯底635上方的平面光學波導。所述核心可具有約0. 75 μ m的寬度及約5 μ m的厚度。這些尺寸適于傳輸具有(例如)約1. 3 μ m的波長的光學電磁信號610。可(例如)通過常規(guī)方法鄰近核心630形成包覆層640，且包覆層640 可視情況也覆蓋核心630。光學信號610實質(zhì)上被約束為在光學包覆層640的RI小于核心630的RI時在波導620中傳播?？墒褂猛獠看碳?例如，跨越電極64如、64恥施加的電位)來調(diào)制包覆層 640的穿透率，因此改變包覆層640的折射指數(shù)且從而改變波導620的傳輸特性。舉例來說，包覆層640的RI可最初小于核心630的RI，從而產(chǎn)生核心630中的傳播光信號的全內(nèi)反射。外部刺激650的施加可致使包覆層640的RI變?yōu)榇笥诤诵?30的RI，從而產(chǎn)生光從核心630的泄漏。因此，可以可控制地相對于輸入光學信號610衰減輸出信號670。在一些實施例中，通過施加磁場或者通過包覆層640上的應(yīng)力或應(yīng)變來改變RI。在裝置600的第二實施例中，核心630由多鐵性材料形成，且包覆層640由常規(guī)包覆材料形成。核心630的RI響應(yīng)于刺激650而從小于包覆層640的RI的值變?yōu)榇笥诎矊?40的值。因此，以類似于波導620的所圖解說明實施例的方式，可以可控制地衰減輸出信號670。在其它實施例中，波導可經(jīng)配置以傳播微波或兆兆赫頻率。微波頻帶可包括在約300MHz到約3GHz的范圍中的頻率。兆兆赫頻帶可包括在約30THz到約400THz的范圍中的頻率。在此些情況下，包覆層640可為金屬性，且核心630可包括多鐵性介質(zhì)。在此些情況下，刺激650可限于磁場或應(yīng)力/應(yīng)變。刺激650可改變核心630的ε及/或μ，從而更改其中的微波或兆兆赫信號的傳播特性。舉例來說，ε及/或μ的改變可改變波導620 的阻抗。在一些實施例中，多鐵性材料經(jīng)配置以調(diào)諧介質(zhì)充當超穎材料的頻率范圍。超穎材料為具有負RI或展現(xiàn)負折射的介質(zhì)。當介電常數(shù)及磁穿透率兩者在特定頻率下具有負的實際部分時，RI具有負號。負RI致使特定頻率的電磁輻射在超穎材料與具有正折射指數(shù)的介質(zhì)之間的介面處不正常地折射。在不正常折射中，入射光線及經(jīng)折射光線位于入射平面中的界面的法線的同一側(cè)上。為進行圖解說明，圖7圖解說明實例性超穎材料的作為頻率的函數(shù)的電容率特性及穿透率特性的實例。ε及μ兩者在頻率范圍710中為負。由于ε及μ兩者為負，因此實例性介質(zhì)的RI為負，且介質(zhì)在此頻率范圍中為超穎材料。在一些情況下，多鐵性介質(zhì)為可在一頻率范圍上展現(xiàn)超穎材料表現(xiàn)的材料。見 (例如)Α.比文洛夫(A. Pimenov)等人的“在千兆赫頻率范圍中在金屬性鐵磁體中觀察到的負折身寸(Negative Refractive Observed in a Metallic Ferromagnet in the Gigahertz Frequency Range)”，PRL 98,197401(1997)?？赏ㄟ^更改ε及/或μ變?yōu)樨摰念l率來改變頻率范圍。在其它情況下，超穎材料為包括多鐵性材料的復合周期性結(jié)構(gòu)?？墒褂枚噼F性材料來調(diào)諧超穎材料的ε及μ為負的頻率范圍710。可通過改變置于超穎材料中的合適位置處的多鐵性材料的部分的電容率及/或穿透率來進行此調(diào)諧。圖8Α圖解說明實例性超穎材料800。類似超穎材料描述于伊莎克斯(Isaacs)等人的第7，015，865號美國專利中，所述專利的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。超穎材料 800由若干個單位單元形成。單位單元展示于圖8B中，且包括兩個電介質(zhì)襯底810及若干個裂環(huán)共振器(SRR) 820，SRR 820a及820b中的每一者各三個。圖8C圖解說明單個SRR 820。SRR 820包括包含多鐵性片840上的兩個裂環(huán)830 的電抗組件。實例性裂環(huán)830由0.03mm厚的銅層制作且可具有各種似環(huán)形狀。實例性SRR 820具有滿足c = 0. 25mm、d = 0. 30mm、g = 0. 46mm及w = 2. 62mm的特征尺寸。同心金屬性裂環(huán)830形成電路元件，其電容取決于下伏多鐵性片840的電介質(zhì)電容率。在一實施例中，多鐵性片840由多鐵性介質(zhì)形成，其電容率為法向于所述片的表面的所施加外部電場的函數(shù)。當施加電場時，裂環(huán)830的電容也改變。參照圖8B，當沿χ軸施加電場時，SRR 820b的電容改變。當沿y軸施加電場時，SRR 820a的電容改變。當由于所施加的場而致使任一組或兩組SRR 820a、820b改變電容時，超穎材料800使ε及μ同時為負的頻率改變。超穎材料800具有負RI的頻率從而也改變。因此，外部刺激(例如， 所施加電場)可改變利用多鐵性超穎材料800的裝置的操作特性。超穎材料800可位于電磁信號的傳播路徑中。在一些情況下，信號可在沒有空間約束的情況下傳播(自由空間傳播)。在其它情況下，信號可受(例如)波導約束。圖9到圖13圖解說明可使用在一些實施例中在一些頻率下也為超穎材料的多鐵性介質(zhì)的設(shè)備的各種實施例。首先翻到圖9，其圖解說明光學波長轉(zhuǎn)換器900的實例性實施例。類似裝置描述于查德赫利(Chowdhury)等人的第11/432，803號美國專利申請案“基于超穎材料的非線性光學裝置(Nonlinear Optical Devices Based on Metamaterials)，， 中，所述申請案的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。簡明地描述，波長轉(zhuǎn)換器900包括泵浦源910、光學波導920、925、光學連接器930及濾波器940，其全部可使用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的方法來制作。在一實施例中，波長轉(zhuǎn)換器900的各種組件的尺寸經(jīng)選擇使得波長轉(zhuǎn)換器900可操作以將約1550nm的波長轉(zhuǎn)換成約775nm。光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950對于處于將進行波長轉(zhuǎn)換的輸入光、泵浦光及經(jīng)波長轉(zhuǎn)換的光中的一者或一者以上的頻率的光為超穎材料。光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950的至少一部分為至少部分地能透過通過介質(zhì)950的光的頻率的多鐵性介質(zhì)。波長轉(zhuǎn)換器900的操作的波長部分地取決于光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950表現(xiàn)為超穎材料 (例如，具有負RI)的頻率范圍。將外部刺激960(例如，電場及/或磁場或者機械應(yīng)力及/ 或應(yīng)變)施加到光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950。在一個實施例中，可變化外部刺激960以更改光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950表現(xiàn)為超穎材料的頻率范圍。在另一實施例中，可通過變化外部刺激960來改變在特定頻率下的RI的量值。因此，可使用外部刺激960(例如)來對光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950的 RI進行細調(diào)整，以更改波長轉(zhuǎn)換器900的操作特性。操作特性可為(例如)經(jīng)由負RI介質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換，而非使用正RI介質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換。在一些實施例中，光學轉(zhuǎn)換介質(zhì)950為具有非線性光學響應(yīng)的多鐵性介質(zhì)。此種材料可具有(例如)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在非限制性實例中，亞錳酸鉍(BiMnO3)用作介質(zhì)950。可在合適的襯底(例如，例如SrTiO3)上形成5μπι BiMnO3層(例如)作為外延層?？墒褂贸Ｒ?guī)方法(例如，例如非選擇性噴涂蝕刻)圖案化并蝕刻所述BiMnO3以形成光學路徑。所述路徑的寬度可為(例如)約2μπι。光學波導920、925及光學連接器930可由(例如)通過常規(guī)方法光刻圖案化的PMMA層形成。可在形成介質(zhì)950之后將所述PMMA層澆鑄到適當位置以在光學連接器930與光學波導925之間提供低插入損耗界面。圖10圖解說明其中光學路徑可包括超穎材料的偏振分集(PD)設(shè)備1000的實施例。類似PD設(shè)備的一般操作描述于查德赫利的第11/586，290號美國專利申請案“偏振分集負折身寸指數(shù)設(shè)備及方法(Polarization-Diverse Negative-Refractive-Index Apparatus and Methods)”中，所述申請案的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。簡明地描述，PD設(shè)備 1000包括分裂器1010、光學路徑1020、偏振旋轉(zhuǎn)器1030及偏振敏感負RI (PS NRI)介質(zhì) 1040。介質(zhì)1040可為(例如)如前文所描述處理的BiMn03。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)特定應(yīng)用要求來確定設(shè)備1000的結(jié)構(gòu)性元件的相關(guān)尺寸。NRI介質(zhì)1040對通過其的光學信號產(chǎn)生光學作用，意指NRI介質(zhì)1040可更改、調(diào)制或以其它方式改變EM信號的一個或一個以上參數(shù)，例如振幅或相位。由于介質(zhì)1040的(負)RI為其電容率及穿透率的函數(shù)，因此可通過使介質(zhì)1040 經(jīng)受外部刺激1050(電場或磁場，或者應(yīng)力/應(yīng)變)來調(diào)制由介質(zhì)1040產(chǎn)生的作用?？?(例如)通過電極或外部線圈來施加刺激1050。因此，可(例如)通過外部刺激來調(diào)諧設(shè)備1000以精確地控制對EM信號產(chǎn)生的作用。圖11圖解說明用于產(chǎn)生兆兆赫或微波輻射的NRI裝置1100的實施例。類似裝置的操作大致描述于查德赫利等人的第11/942，776號美國專利申請案“用于產(chǎn)生兆兆赫或微波輻射的負折射指數(shù)裝置及其操作方法(Negative Refractive Index Device for Generating Terahertz or Microwave Radiation and Method of OperationThereof) ” ( ‘776申請案)中，所述申請案的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。NRI裝置 1100包括泵浦源1110、光學路徑1120、光學耦合器1130及NRI介質(zhì)1140，且產(chǎn)生EM輻射 1150。NRI介質(zhì)1140在由泵浦源1110產(chǎn)生的光脈沖的中心頻率下表現(xiàn)為超穎材料。介質(zhì) 1140還展現(xiàn)接近所關(guān)注的脈沖及輸出輻射的中心頻率的二階非線性。由NRI裝置1100輸出的EM輔助1150的頻率部分地取決于中心頻率。介質(zhì)1140可包含(例如)BiMn03。如‘776申請案中所描述，光脈沖進入NRI介質(zhì)1140且傳播穿過NRI介質(zhì)1140。 所述脈沖具有取決于RI的相關(guān)聯(lián)群速度(dco/dk)。共振在介質(zhì)1140中發(fā)生，產(chǎn)生具有可為群速度的函數(shù)的相速度ω/k的光。NRI介質(zhì)1140為多鐵性材料及超穎材料。因此，如關(guān)于(例如)設(shè)備1000所描述的外部刺激1160(例如，電場及/或磁場)可改變介質(zhì)1140的ε及/或μ。ε及/或 μ的改變可從而改變光脈沖的群速度及/或介質(zhì)1140的共振頻率。舉例來說，RI可從一個負值變?yōu)榱硪回撝?。共振頻率的改變改變介質(zhì)1140的分散特性。介質(zhì)1140可與可調(diào)諧泵浦源1110組合使用。舉例來說，可調(diào)諧由泵浦源1110輸出的光脈沖的中心頻率以匹配介質(zhì)1140的分散特性的改變，從而改變由NRI裝置1100輸出的輻射的頻率。圖12圖解說明經(jīng)配置而以共振方式響應(yīng)于所施加電場的裝置1100的實施例。類似裝置的一般操作描述于伊莎克斯等人的美國專利6，661，392中，所述專利的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。電介質(zhì)或磁性可穿透物件1210包括至少ε或μ在作為Eto傳播的信號的頻率下為負的多鐵性介質(zhì)。在部分地由物件1210的幾何形狀確定的共振頻率下，可在端子1220、1230處產(chǎn)生電信號。裝置1200的響應(yīng)在選定波長范圍上共振，使得裝置1200 可為用于射頻信號的天線，即使是所述信號具有遠大于物件1210的尺寸D的波長。在一些實施例中，物件1210共振的頻率部分地由ε的值確定?？赏ㄟ^施加外部刺激1240(例如，磁場)來調(diào)諧ε的值。因此，通過改變所述磁場，可以可控制地改變物件 1210的共振頻率，從而調(diào)諧裝置1200所敏感的頻率。最后，圖13圖解說明相位陣列天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1300。類似天線系統(tǒng)詳細地描述于梅斯(Metz)等人的美國專利6，958，729中，所述專利的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。 結(jié)構(gòu)1300包括(例如)襯底1310上的三個單位單元。每一單位單元包括電感器1320及電容器1330。電感器1320及電容器1330可操作(例如)以延遲微條帶線1340上的信號的相位。多個微條帶線上的相位延遲可經(jīng)配置以產(chǎn)生(例如)相位陣列天線的所要增益圖案。襯底1310包括多鐵性介質(zhì)。外部刺激1350 (例如，電場及/或磁場)可改變襯底1310 的電容率或穿透率，從而改變電容器1330的電容或電感器1320的電感。因此，可通過施加刺激1350來調(diào)諧微條帶線1340上的相位延遲，從而提供變化所述天線的增益圖案的方式。翻到圖5，呈現(xiàn)本發(fā)明的方法500。所述方法以步驟510開始。在步驟520中，包括多鐵性介質(zhì)的波導經(jīng)配置以傳播電磁信號。在步驟530中，將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述波導，使得所述施加改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率。在步驟540中，在執(zhí)行所述施加的同時經(jīng)由所述波導傳播所述電磁信號。方法500以步驟550結(jié)束。圖14呈現(xiàn)本發(fā)明的方法1400。所述方法以步驟1410開始。在步驟1420中，包括多鐵性介質(zhì)的超穎材料位于電磁信號的傳播路徑中。在步驟1430中，將電場或磁場施加到所述超穎材料。所述場的施加改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率。在步驟1440中，通過所述電場的所述施加來更改電磁場的傳播特性。方法1400以步驟1450結(jié)束。
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盡管已詳細描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解其可在不背離最寬廣形式的本發(fā)明精神及范圍的情況下在本文中做出各種改變、替代及更改。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其包含波導，其包括多鐵性介質(zhì)；及控制器，其經(jīng)配置以將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述多鐵性介質(zhì)， 其中所述多鐵性介質(zhì)具有響應(yīng)于所述應(yīng)變或所述控制場的電介質(zhì)電容率或磁穿透率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述波導經(jīng)配置以傳播光學或兆兆赫頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述介質(zhì)為異質(zhì)多鐵性材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的設(shè)備，其中所述介質(zhì)在第一頻率范圍上為超穎材料。
5.一種設(shè)備，其包含多個單位單元，每一單位單元包括 多鐵性襯底；及由所述襯底支撐的電抗組件，其中所述多個單位單元經(jīng)配置以在一頻率范圍上充當超穎材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述多個單位單元經(jīng)配置使得所述頻率范圍響應(yīng)于所施加電場或磁場而改變。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述介質(zhì)為異質(zhì)多鐵性材料。
8.—種處理電磁信號的方法，其包含配置包括多鐵性介質(zhì)的波導以傳播所述電磁信號；將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述波導，使得所述施加改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率；及在執(zhí)行所述施加的同時經(jīng)由所述波導傳播所述電磁信號。
9.一種處理電磁信號的方法，其包含將包括多鐵性介質(zhì)的超穎材料定位于所述電磁信號的傳播路徑中； 將電場或磁場施加到所述超穎材料，從而改變所述介質(zhì)的電容率或穿透率；及通過所述施加更改所述電磁場的傳播特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述超穎材料為異質(zhì)多鐵性材料。
全文摘要
一種具有包括多鐵性介質(zhì)的波導的設(shè)備?？刂破鹘?jīng)配置以將機械應(yīng)變或者控制電場或磁場施加到所述多鐵性介質(zhì)。所述多鐵性介質(zhì)具有響應(yīng)于所述應(yīng)變或所述控制場的電介質(zhì)電容率或磁穿透率。
文檔編號H01P1/11GK102498611SQ201080030735
公開日2012年6月13日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者西奧·馬克斯·西格里斯特, 阿列夫·喬杜里, 阿瑟·佩恩·拉米雷斯 申請人:阿爾卡特朗訊