科学家发现负折射材料可制作光开关

负折射超材料(negative-index metamaterial, NIM)是一种人造系统，具有负的等效折射率，因此衍生出许多新奇的光学特性。NIM的缺点之一是吸收问题，不过最近美国科学家利用这个缺点设计出新型的光开关或称调制器，在操作上不仅比现行组件速度更快，体积也更轻巧。

惠普(Hewlett-Packard)实验室与加州大学柏克莱分校的研究人员表示，这是NIM第一次被用来调制近红外光波段的光。该团队研发的调制器主要采用的是"鱼网"状的NIM，该结构在特定近红外波段会因为共振而具有负的介电常数及导磁系数，此现象除了造成光的负折射外，还会影响NIM的光穿透率。

NIM调制器主要是由两层25 nm厚的银包夹厚80 nm的硅层。银层上布满以纳米技术制造的微小矩形孔洞，形成网状交叉的方形数组。网线在两个方向的间距皆为320 nm，宽度则分别为220及110 nm。在上述结构中，磁共振与三明治结构有关，电共振则源于交叉的网线。

研究人员以波长1700 nm的红外激光器及532 nm的可见光激光器光照射此组件，后者是用来控制前者的穿透率。可见光激光器能在硅层激发电子电洞对，使发生共振的波长稍微偏移，将红外光激光器的穿透率提升50%。研究人员指出50%的改变量已足以制作调制器，进一步改良结构还可能提高至90%。此外，激光脉冲实验显示NIM开关切换只需58皮秒，亦即此组件的开关频率高达数十GHz，随着组件的优化，还可能提高至100 GHz，远超过目前任何商用调制器的速度。

NIM调制器的操作波段属于近红外光，因此很适合做为光通讯组件。相较于电吸收调制器(electro-absorption modulator)受限于选用半导体的能隙，NIM只需改变结构尺寸即可设计出适用各种波长的组件。尽管如此，还有许多问题有待解决，如何将目前的光激发改成电激发即为一例。详见App. Phys. Lett. 91, 173175 (2007)。

原始网站: http://optics.org/cws/article/research/31696