[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种三层波纹状薄膜耦合器，通过受激发射拉曼绝热通道（STIRAP）量子控制技术，实现了太赫兹表面等离子体极化激元（SPPs）的绝热转移。该设计即使在存在传播损耗的情况下，仍能实现超过70%的SPP传输效率，并对波长变化和几何缺陷表现出强鲁棒性，适用于紧凑型太赫兹集成器件的宽带、低精度制造。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高效的太赫兹SPP耦合器，对制造缺陷和波长变化具有高容忍度。
• 克服传统SPP耦合器需要精确制造且仅在特定频率下工作的局限性。
• 首次将STIRAP量子控制技术——该技术在量子系统中以鲁棒的布居转移著称——应用于太赫兹频段的SPPs。
• 在弯曲的多层SPP波导结构中，实现宽带运行和高传输保真度。

提出的方法

• 使用耦合模理论（CMT）对三层波纹状薄膜（CTF）结构中三个波导（输入、中间、输出）之间的SPP耦合进行建模。
• 设计一种弯曲结构，其中中间波导作为耦合介质，通过STIRAP实现绝热演化。
• 通过确保输入波导与中间波导之间的耦合强度远小于中间波导与输出波导之间的耦合强度，将STIRAP原理应用于SPPs。
• 利用时变拉比频率和绝热演化，确保SPP布居从输入波导完全转移到输出波导。
• 通过模拟存在和不存在传播损耗（8 dB/cm）时SPP强度的演化，评估传输效率。
• 通过改变输入频率（0.5–1.3 THz）、器件长度（2–5 mm）和几何参数（偏移δ，半径R）分析鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 STIRAP能否有效应用于太赫兹波导中的SPP绝热转移？
• RQ2 在存在实际传播损耗的情况下，所提出的三层CTF耦合器中SPP的传输效率如何？
• RQ3 该器件对输入频率和几何参数（如弯曲半径和偏移）变化的鲁棒性如何？
• RQ4 该耦合器是否能容忍制造引起的缺陷或低精度制造？
• RQ5 弯曲的多层CTF结构能否实现太赫兹SPP的宽带运行？

主要发现

• 即使在8 dB/cm的传播损耗下，SPP传输效率仍超过70%，表明其对能量损耗具有高度抗性。
• 在理想情况（无损耗）下，实现了输入波导到输出波导的SPP强度完全绝热转移，证实了STIRAP机制的有效性。
• 在0.9 THz至1.3 THz的宽频带范围内，传输效率保持在60%以上，表明具有强宽带运行能力。
• 该器件对几何参数变化具有鲁棒性：当弯曲半径在40 mm至50 mm之间变化，且偏移δ在1 mm至2 mm之间变化时，传输效率仍保持较高水平。
• 器件长度在2 mm至4 mm范围内变化时，传输效率高于60%，表明对制造长度误差不敏感。
• 由于对结构缺陷具有鲁棒性，该设计支持低精度制造，有利于实现成本低、保真度高的太赫兹器件集成。