[논문 리뷰] Adiabatic following of terahertz surface plasmon-polaritons based on tri-layered corrugated thin film coupler

Wei Huang, Shan Yin외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 24.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자극된 라만 단성 전달(STIRAP) 양자 제어를 사용하여 테라헤르츠 표면 플라스몬-폴라리톤(SPPs)의 단성 전달을 가능하게 하는 삼중 층 골재 박막 커플러를 제안한다. 이 설계는 전파 손실이 존재하는 상황에서도 70% 이상의 SPP 전송 효율을 달성하며, 파장 변화 및 기하학적 결함에 대해 매우 강건하여 광역대, 저정밀 제조가 가능한 소형 테라헤르츠 통합 장치를 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정밀 제조가 필요로 하지 않고 파장 변화에 높은 내성을 보이는 소형 고효율 테라헤르츠 SPP 커플러 개발
• 기존 SPP 커플러의 한계를 극복하기 위해 정밀 제조가 필요하고 특정 주파수에서만 작동하는 문제 해결
• 양자 시스템에서 강건한 인구 전달을 위해 알려진 STIRAP 양자 제어 기법을 처음으로 테라헤르츠 영역의 SPP에 적용
• 곡선형, 다층 SPP 파이프 구조에서 광역대 작동과 높은 전송 정밀도를 실험적으로 입증

제안 방법

• 입력, 중간, 출력 파이프로 구성된 삼중 층 골재 박막(CTF) 구조에서 연립 모드 이론(CMT)을 사용해 SPP 커플링 모델링
• 중간 파이프가 커플링 매개체로 작용하는 곡선형 구조 설계로 STIRAP에 의한 단성 진화 가능
• 입력 파이프와 중간 파이프 사이의 결합 강도가 중간 파이프와 출력 파이프 사이의 결합 강도보다 훨씬 작도록 하여 SPP에 STIRAP 원리 적용
• 시간에 따라 변화하는 라비 주파수와 단성 진화를 사용해 입력 파이프에서 출력 파이프로의 완전한 인구 전달 보장
• 전파 손실(8 dB/cm) 유무에 따라 SPP 강도 진화 시뮬레이션을 수행해 전송 효율 평가
• 입력 주파수(0.5–1.3 THz), 장치 길이(2–5 mm), 기하학적 매개변수(오차 δ, 반경 R)를 변화시켜 강건성 분석

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STIRAP가 테라헤르츠 파이프에서 SPP의 단성 전달을 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 실제 전파 손실 조건에서 제안된 삼중 층 CTF 커플러에서 SPP의 전송 효율은 어떠한가?
• RQ3 곡선 반경 및 오차와 같은 기하학적 매개변수 변화에 대해 장치 성능은 얼마나 강건한가?
• RQ4 제조로 인한 결함이나 저정밀 제조 조건에서도 커플러가 높은 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 곡선형, 다층 CTF 구조는 테라헤르츠 SPP에 대해 광역대 작동을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 8 dB/cm의 전파 손실 조건에서도 SPP 전송 효율이 70% 이상에 이를 정도로 에너지 손실에 매우 강건함을 입증
• 이deal 조건(손실 없음)에서는 입력에서 출력 파이프로의 SPP 강도가 완전히 단성 전달되며, STIRAP 메커니즘이 확인됨
• 0.9 THz에서 1.3 THz까지 넓은 주파수 범위에서 60% 이상의 높은 전송 효율 유지로 광역대 작동 특성 강력히 입증
• 기하학적 변형에 강건: 곡선 반경이 40 mm에서 50 mm로, 오차 δ가 1 mm에서 2 mm로 변화하더라도 전송 효율 유지
• 장치 길이가 2 mm에서 4 mm로 변화하더라도 전송 효율이 60% 이상 유지되어 제조 오차에 대한 민감도 낮음
• 구조적 결함에 대한 강건성 덕분에 저정밀 제조가 가능하여 비용 효율적이고 고정밀 테라헤르츠 장치 통합 지원