[論文レビュー] Adiabatic following of terahertz surface plasmon-polaritons based on tri-layered corrugated thin film coupler

Wei Huang, Shan Yin+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、励起ラマン断熱通過（STIRAP）量子制御を用いて、テラヘルツ表面プラズモン極性波（SPP）の断熱的励起を実現する三層構造の波状薄膜カップラを提案する。この設計は、伝搬損失が存在しても70％を超えるSPP伝送効率を達成し、波長変動や幾何的不備に対して強く頑健であるため、広帯域かつ低精度のプロセスで製造可能なコンパクトなテラヘルツ統合デバイスの実現が可能である。

ABSTRACT

In this paper, we utilize coupled mode theory (CMT) to model the coupling of surface plasmon polaritons (SPPs) between tri-layered corrugated thin films (CTF) structure coupler in the terahertz region. Employing the stimulated raman adiabatic passage (STIRAP) quantum control technique, we propose a novel directional coupler based on SPPs evolution in tri-layered CTF in some curved configuration. Our calculated results show that the SPPs can be completely transferred from the input to the output CTF waveguides, and even we consider SPPs propagation loss, the transfer rate is still above 70%. The performance of our coupler is also robust that it is not sensitive to the geometry of device and wavelength of SPPs. As a result, our device can tolerate defect induced by fabrication and manipulate THz wave at broadband.

研究の動機と目的

• 製造欠陥や周波数変動に対して高い耐性を示す、コンパクトで効率の良いテラヘルツSPPカップラの開発。
• 正確な加工を必要とし、特定周波数でのみ動作する従来のSPPカップラの限界を克服すること。
• 量子系における強力な励起移行が知られるSTIRAP量子制御技術を、初めてテラヘルツ領域のSPPに適用すること。
• 曲がった多層SPP波ガイド構造において、広帯域動作と高い伝送忠実度を実証すること。

提案手法

• 入力、中間、出力の3つの波ガイドを有する三層構造の波状薄膜（CTF）構造におけるSPPカップリングを、結合モード理論（CMT）を用いてモデル化する。
• 中間波ガイドをカップリング媒体として機能させる曲がった構成を設計し、STIRAPによる断熱的遷移を実現する。
• 入力波ガイドと中間波ガイド間の結合強度が、中間波ガイドと出力波ガイド間の結合強度よりも著しく小さいことを保証することで、SPPにSTIRAP原理を適用する。
• 時間依存のラビ周波数と断熱的遷移を用いて、入力波ガイドから出力波ガイドへの完全な励起移行を保証する。
• 伝搬損失（8 dB/cm）あり・なしの両状態でSPP強度の時間発展をシミュレーションし、伝送効率を評価する。
• 入力周波数（0.5–1.3 THz）、デバイス長（2–5 mm）、幾何パラメータ（オフセットδ、半径R）を変化させることで、頑健性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STIRAPは、テラヘルツ波ガイドにおけるSPPの断熱的励起移行を効果的に実現できるか？
• RQ2 実際の伝搬損失（8 dB/cm）を想定した場合、提案された三層CTFカップラにおけるSPP伝送効率はどの程度か？
• RQ3 カーブ半径やオフセットなどの幾何的パラメータの変動に対して、デバイス性能はどの程度頑健か？
• RQ4 製造による欠陥や低精度の製造プロセスに対しても、カップラは高い性能を維持できるか？
• RQ5 曲がった多層CTF構造は、テラヘルツSPPの広帯域動作を可能にするか？

主な発見

• 伝搬損失8 dB/cmが存在してもSPP伝送効率が70％を超えることを確認し、エネルギー損失に対して高い耐性を示す。
• 理想的な状況（損失なし）では、入力波ガイドから出力波ガイドへのSPP強度の完全な断熱的移行が達成され、STIRAPメカニズムの有効性が裏付けられた。
• 0.9 THzから1.3 THzの広帯域においても60％を超える高い伝送効率を維持しており、強力な広帯域動作を示している。
• 幾何的変動に対しても頑健性を示す：カーブ半径が40 mmから50 mmに変化しても、およびオフセットδが1 mmから2 mmに変化しても、伝送効率は高い水準を維持する。
• デバイス長が2 mmから4 mmに変化しても、伝送効率が60％以上を維持するため、製造誤差による長さ変動にほとんど影響されない。
• 構造的不備に対する頑健性のおかげで、低精度のプロセスが可能となり、コスト効率が高く高精度なテラヘルツデバイス統合が実現可能となる。