人工表面等離激元片上傳輸線及其應(yīng)用

王雪東,常 鑫,何沛航,姚大悅,張浩馳1,

(1.東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院,南京,210096;2.東南大學(xué)微電子學(xué)院,南京,210096;3.電子科技大學(xué)英才實(shí)驗(yàn)學(xué)院,成都,611731);4.東南大學(xué)毫米波全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210096

表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPPs)[1-6]是一種沿著電介質(zhì)和導(dǎo)體(通常是金屬)交界面?zhèn)鞑サ墓忸l段表面波模式。該模式是由被束縛在表面的光或其他電磁波與金屬的自由電子相互作用形成的,具有沿著分界面切線方向傳播而在法線方向呈指數(shù)衰減的特性,因此能夠?qū)㈦姶拍芰烤o密地束縛在界面周圍。表面等離激元能夠在亞波長尺度上對光進(jìn)行產(chǎn)生、分布、調(diào)制和檢測,并對光子集成電路(photonic integrated circuits,PIC)技術(shù)[8-10]的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動作用。然而,當(dāng)頻率降低到遠(yuǎn)紅外、太赫茲和微波波段時,金屬的性質(zhì)更接近于理想電導(dǎo)體(perfect electric conductors,PECs)而不是具有負(fù)介電常數(shù)的等離子體,所以無法支持表面等離激元。為了解決該問題,Pendry等[11]于2004年提出了通過在金屬表面設(shè)計特殊的周期性結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)一種電磁超材料,進(jìn)而支持一種與表面等離激元具有類似特性的模式,即人工表面等離激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)。隨后,研究人員提出了一系列周期結(jié)構(gòu)超材料來支持人工表面等離激元,如波紋金屬表面[12]、波紋金屬線[13]、周期縫表面[14]、周期塊[15]、異質(zhì)結(jié)構(gòu)[16]和復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬表面[17-18]等。然而,這些人工表面等離激元超材料結(jié)構(gòu)往往結(jié)構(gòu)尺寸較大,不便于與現(xiàn)代平面電路工藝(如印制電路板工藝和芯片工藝)集成。

2013年,Shen等[19-20]通過在電介質(zhì)薄膜上打印金屬條的方式實(shí)現(xiàn)了可共形的超薄人工表面等離激元超材料。這種超材料可作為傳輸線應(yīng)用在平面電路中[21-23],因此也被稱為人工表面等離激元傳輸線。它不僅具有與表面等離激元相似的強(qiáng)場束縛性等物理特性,還可以通過調(diào)整傳輸線結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對電磁波的靈活操控。隨著陸續(xù)報道的基于印制電路板工藝的人工表面等離激元濾波器[24-25]、天線[26-28]、放大器[29]、耦合器[30]、倍頻器[31]、傳感網(wǎng)絡(luò)[32]、通信系統(tǒng)[33]等的器件與系統(tǒng),人工表面等離激元片上傳輸線的研究也吸引了越來越多的關(guān)注。

1 人工表面等離激元片上傳輸線

傳輸線作為微波電路最基本的元件,在芯片內(nèi)是必不可少的。但隨著現(xiàn)代信息技術(shù)對芯片在集成度與功能多樣性的要求越來越高,以微帶線、共面波導(dǎo)為代表的傳統(tǒng)片上傳輸線在電磁模式與功能方面的短板逐漸凸顯。憑借著強(qiáng)場束縛性與靈活可調(diào)特性等方面的優(yōu)勢,人工表面等離激元傳輸線有望替代現(xiàn)有片上傳輸線,突破傳統(tǒng)芯片技術(shù)中的諸多技術(shù)瓶頸,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2015年,Liang等[34]首次提出一種基于65 nm-CMOS工藝的亞太赫茲波段人工表面等離激元片上傳輸線,如圖1(a)所示,左側(cè)為人工表面等離激元片上傳輸線陣列,由周期排列的單邊梳狀傳輸線構(gòu)成,2條傳輸線背對背排列。右側(cè)為與之對比的2條傳統(tǒng)片上微帶線組成的傳輸線陣列。這種傳輸線是基于典型的人工表面等離激元傳輸線構(gòu)型實(shí)現(xiàn)的,因此本文將其稱為典型人工表面等離激元片上傳輸線。其色散曲線主要通過改變梳狀枝節(jié)的長度h調(diào)控。從圖1(b)中可以看到,梳狀枝節(jié)的長度越大,典型人工表面等離激元片上傳輸線的色散曲線越遠(yuǎn)離微帶線的色散曲線,即具有越強(qiáng)的場束縛能力。這表示典型人工表面等離激元片上傳輸線是以占據(jù)更大的芯片面積為代價以實(shí)現(xiàn)場束縛能力提高的。作為首次提出的人工表面等離激元片上傳輸線,該工作揭示了人工表面等離激元應(yīng)用在高集成度的通信系統(tǒng)中的巨大潛力。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

人工表面等離激元片上傳輸線上的電磁波模式為人工表面等離激元模式,而芯片上的傳統(tǒng)激勵端口電磁波模式多為準(zhǔn)橫電磁波模式(quasi-transverse electromagnetic,quasi-TEM)模式。因此,在芯片上應(yīng)用人工表面等離激元模式,就需要設(shè)計高效的模式過渡結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[35]提出了在65 nm-CMOS工藝下用線性漸變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從接地共面波導(dǎo)到人工表面等離激元片上傳輸線的過渡,如圖2(a)所示。通過調(diào)整圖中Cy和k的值可以實(shí)現(xiàn)良好的匹配效果。仿真及測試結(jié)果見圖2(b),在110～325 GHz內(nèi)回波損耗低于-9 dB,插入損耗平均僅有1.9 dB。從圖中還可以看出,帶有過渡結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元片上傳輸線的傳輸效果相較不帶過渡結(jié)構(gòu)提升明顯,進(jìn)一步推進(jìn)了人工表面等離激元傳輸線在片上的應(yīng)用。

(a)人工表面等離激元傳輸線和過渡結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)[36]提出了一種基于BiCMOS工藝的對稱排列梳狀人工表面等離激元片上傳輸線結(jié)構(gòu),并設(shè)計了一種接地共面波導(dǎo)到該傳輸線的過渡結(jié)構(gòu),如圖3(a)所示。該過渡結(jié)構(gòu)同樣實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)橫電磁波模式到人工表面等離激元模式的良好轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)結(jié)果見圖3(b),測試可得140～325 GHz內(nèi)的回波損耗優(yōu)于18.5 dB,平均插入損耗為1.54 dB。盡管目前單邊梳狀結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線應(yīng)用較多,但是對稱梳狀結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線損耗更小,所以研究對稱結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元傳輸線也有重要意義。

(a)傳輸線結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[37]設(shè)計了一種基于GaAs工藝的小型化人工表面等離激元傳輸線,見圖4(a)。利用這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減小人工表面的等離激元片上傳輸線的面積。通過調(diào)節(jié)最外層金屬帶的寬度,可以實(shí)現(xiàn)從微帶線到人工表面的等離激元片上傳輸線良好的匹配。這種過渡方法不用設(shè)計其他過渡結(jié)構(gòu),簡化了設(shè)計過程。測試結(jié)果見圖4(b),傳輸線在0～54 GHz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好的傳輸效果。該文獻(xiàn)還報道了基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計的一款帶通濾波器,如圖4(c)所示,其中心頻率為65 GHz,帶寬為50.5%,測試得通帶內(nèi)插入損耗在1.4～2.0 dB之間,回波損耗優(yōu)于11 dB。

(a)傳輸線的結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[38]提出了另一種基于0.18 μm-CMOS小型化人工表面等離激元片上傳輸線,見圖5。其色散特性主要與曲形結(jié)構(gòu)的數(shù)量N有關(guān),而非傳輸線的寬度w,這意味著該傳輸線可以在保持尺寸不變的情況下實(shí)現(xiàn)場束縛性的增強(qiáng),解決了典型人工表面等離激元傳輸線在場束縛能力增強(qiáng)與結(jié)構(gòu)小型化方面的矛盾。仿真和測試結(jié)果見圖6(a),可以看到該小型化人工表面等離激元片上傳輸線在159～220 GHz內(nèi)具有平坦的通帶。圖6(b)從左向右依次展示了微帶線、典型雙邊梳狀人工表面等離激元傳輸線和文獻(xiàn)[38]提出的小型化人工表面等離激元片上傳輸線的場型分布。通過對比可以看到,微帶線的場束縛性最弱,而得益于曲形結(jié)構(gòu)對橫向電磁波的抑制能力,文獻(xiàn)[38]提出的小型化人工表面等離激元片上傳輸線所實(shí)現(xiàn)的場束縛性最強(qiáng)。此小型化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步豐富了人工表面等離激元傳輸線構(gòu)型的研究。

(a)傳輸線構(gòu)型

(a)仿真和實(shí)測結(jié)果

通過設(shè)計不同的構(gòu)型雖然可以實(shí)現(xiàn)調(diào)控人工表面等離激元傳輸線的性能,但是一旦傳輸線被加工制造完成,其電磁特性就會固定下來。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)各項技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下,芯片技術(shù)對可重構(gòu)片上傳輸線的需求越來越迫切。文獻(xiàn)[39]提出了一種可動態(tài)操控傳輸特性的人工表面等離激元片上傳輸線,其由雙邊梳狀的對稱金屬條和其間注入的二氧化釩(vanadium dioxide,VO2)構(gòu)成,見圖7(a)。人工表面等離激元片上傳輸線兩邊的漸變共面波導(dǎo)為模式過渡結(jié)構(gòu),傳輸線的傳輸特性可隨VO2的相變而變化,具體來說,通過改變外界環(huán)境如溫度、電場等來改變VO2的電導(dǎo)率,可以重構(gòu)整體傳輸線的性能。圖7(b)為這種可重構(gòu)人工表面等離激元片上傳輸線的仿真和測試結(jié)果,表明其在0.22～0.28 THz內(nèi)的傳輸線特性可以被有效重構(gòu),其中傳輸系數(shù)的變化范圍達(dá)到36 dB。

(a)可調(diào)人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[40]也提出了一種基于0.25 μm InP DHBT工藝的可重構(gòu)人工表面等離激元片上傳輸線,見圖8(a)。這種傳輸線的傳輸特性同樣可隨VO2的相變而變。圖8(b)為該傳輸線的仿真結(jié)果,證明了通過改變VO2的導(dǎo)電率可以動態(tài)調(diào)節(jié)人工表面等離激元傳輸線的插入損耗,實(shí)現(xiàn)傳輸線傳輸特性的重構(gòu)。VO2導(dǎo)電率分別為140 S/m和50 000 S/m時,傳輸線的插入損耗分別為3 dB和20 dB。此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了人工表面等離激元傳輸線的可重構(gòu)性,極大豐富了片上人工表面等離激元傳輸線的應(yīng)用場景。

(a)可調(diào)人工表面等離激元傳輸線結(jié)構(gòu)

由此可見,人工表面等離激元片上傳輸線具有強(qiáng)場束縛性與靈活可調(diào)特性等方面的優(yōu)勢,在小型化和可重構(gòu)設(shè)計方面展現(xiàn)出了很高的自由度,為片上傳輸線提供了一種全新的選擇,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 人工表面等離激元片上傳輸線的應(yīng)用

未來的高性能計算機(jī)需要在存儲器和微處理器內(nèi)核之間進(jìn)行高效的片上通信,對片對片互連帶寬的需求將超過10 TB/s[41]。雖然技術(shù)的不斷發(fā)展使得芯片在工作頻率和速度方面有所提高,但目前芯片技術(shù)中傳統(tǒng)的微帶線、共面波導(dǎo)等傳輸線本身的模式短板使得信道間電磁耦合較強(qiáng),導(dǎo)致芯片內(nèi)部串?dāng)_嚴(yán)重,整體系統(tǒng)信號完整性受限[42]。因此,降低片上電磁耦合對芯片性能的影響已經(jīng)成為目前芯片研究領(lǐng)域一個亟待解決的問題。人工表面等離激元片上傳輸線由于具有優(yōu)異的場束縛特性,有望成為降低片上耦合、提高信號完整性的有效途徑。

2015年,Liang等[34]采用標(biāo)準(zhǔn)的65 nm-CMOS技術(shù),首次報道了基于人工表面等離激元片上傳輸線的低耦合信道。如圖9所示,2條人工表面等離激元片上傳輸線間距僅為2.4 μm。測試結(jié)果表明,人工表面等離激元傳輸線的寬帶反射系數(shù)低于-14 dB,串?dāng)_低于-24 dB。由此可見,相比于傳統(tǒng)微帶線,人工表面等離激元片上傳輸線所具有的強(qiáng)場束縛特性可有效降低鄰間信道之間的耦合。

(a)基于片上人工表面等離激元傳輸線的65 nm耦合器顯微圖

基于準(zhǔn)橫電磁波模式的輸入/輸出(input/output,I/O)互聯(lián)具有較大的路徑損耗和電磁耦合,電磁耦合使數(shù)據(jù)服務(wù)器功耗高,并很難做到密集的I/O互聯(lián)。基于人工表面等離激元片上傳輸線的高速I/O通信可以顯著降低電磁耦合。文獻(xiàn)[43]提出了一種在140 GHz的基于65 nm-CMOS工藝的全集成人工表面等離激元片上I/O收發(fā)器,仿真結(jié)果表明:人工表面等離激元通道的串?dāng)_比為-20 dB/mm,耦合器的耦合因子為-3.2 dB,調(diào)制器的開關(guān)比為23 dB,相位噪聲為-118 dBc/Hz,I/O收發(fā)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)速率為25 Gb/s。人工表面等離激元互聯(lián)結(jié)構(gòu)的通道間距為2.4 μm,當(dāng)頻率在220～325 GHz范圍內(nèi)時,傳輸線串?dāng)_比低于-23 dB,并且轉(zhuǎn)換器將阻抗和動量從微帶線平滑地轉(zhuǎn)換為人工表面等離激元片上傳輸線,反射系數(shù)為-8 dB。由此可見,人工表面等離激元片上傳輸線展現(xiàn)出了優(yōu)異的片上去耦能力,展現(xiàn)出了取代現(xiàn)有片上互連線的應(yīng)用潛力。

電子接口間的高頻串?dāng)_問題推動了研究者們對具有低損耗和低串?dāng)_的片上接口器件的研究,基于人工表面等離激元的數(shù)據(jù)總線,帶寬密度可達(dá)到1 Gb/s/μm,其中每個通道的數(shù)據(jù)傳輸速率大約300 Gb/s,而不引入顯著的串?dāng)_[44]。文獻(xiàn)[45]利用人工表面等離激元波導(dǎo)和裂環(huán)諧振器(split-ring resonator,SRR)分別構(gòu)建了亞太赫茲低串?dāng)_硅通道和高開關(guān)比調(diào)制器,并利用上述器件制作了一種140 GHz下的基于65 nm-CMOS工藝的I/O中繼器,該中繼器由人工表面等離激元片上傳輸線和裂環(huán)諧振器2個元器件構(gòu)成,如圖10所示,重驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了27-1和231-1的13.5 Gb/s/通道的雙通道OOK調(diào)制。測試結(jié)果顯示,能量效率為2.6 pJ/位/通道,比特誤碼率不超過10-12?？梢?所提出的基于人工表面等離激元的I/O重驅(qū)動器具有良好的串?dāng)_抑制能力,在未來的高速計算機(jī)信息傳輸與片對片通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

(a)雙通道次太赫茲I/O中繼器原理圖

除基于強(qiáng)場束縛性的片上去耦應(yīng)用外,人工表面等離激元的靈活可調(diào)色散特性也可在片上信號調(diào)制方面得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[46]通過在傳輸線上加載二維電子氣微結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種類人工表面等離激元傳輸線,實(shí)現(xiàn)了太赫茲信號的直接相位調(diào)制,如圖11所示。該調(diào)制器能夠?qū)︻l率范圍為0.26～0.27 THz的太赫茲導(dǎo)波施加平均誤差僅為0.36°的相位調(diào)制。在0.265 THz頻點(diǎn)處,該調(diào)制器的平均插入損耗僅為6.14 dB,且幅度波動僅為0.5 dB。因此,該調(diào)制器能夠提供近似理想的相位調(diào)制功能,在太赫茲集成系統(tǒng)中具有出色的可擴(kuò)展性和兼容性。

(a)示意圖

由此可見,人工表面等離激元片上傳輸線的強(qiáng)場束縛性和靈活可調(diào)色散特性可以在片上電磁耦合抑制和相位調(diào)制中獲得廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文介紹了人工表面等離激元片上傳輸線及其在片上去耦和相位調(diào)制方面的應(yīng)用。人工表面等離激元片上傳輸線擁有強(qiáng)場束縛性與靈活可調(diào)特性的優(yōu)勢,為片上傳輸線提供了一種全新的選擇。小型化人工表面等離激元片上傳輸線和可重構(gòu)人工表面等離激元片上傳輸線,證明了人工表面等離激元片上傳輸線豐富的設(shè)計自由度。然后總結(jié)了基于人工表面等離激元片上傳輸線的片上去耦應(yīng)用和信號調(diào)制應(yīng)用研究進(jìn)展?；谌斯け砻娴入x激元片上傳輸線的強(qiáng)場束縛性,芯片信道間的電磁耦合可被有效抑制?；谌斯け砻娴入x激元片上傳輸線的靈活可調(diào)色散特性,可以實(shí)現(xiàn)太赫茲信號的相位調(diào)制功能。

總的來說,人工表面等離激元片上傳輸線獨(dú)特的物理性質(zhì)有利于突破一些傳統(tǒng)芯片的技術(shù)瓶頸。針對人工表面等離激元片上傳輸線及其應(yīng)用的研究還處于起步階段,人工表面等離激元傳輸線的強(qiáng)場束縛性能在高頻下的表現(xiàn)還未進(jìn)行充分的探索。另外,人工表面等離激元的工程化應(yīng)用程度還比較低,未來亟需一套物理層上完整的理論體系來支撐人工表面等離激元傳輸線在工程上向進(jìn)一步小型化、可重構(gòu)、高集成度的方向發(fā)展。