人工表面等離激元片上傳輸線及其應用

王雪東,常 鑫,何沛航,姚大悅,張浩馳1,

(1.東南大學電磁空間科學與技術研究院,南京,210096;2.東南大學微電子學院,南京,210096;3.電子科技大學英才實驗學院,成都,611731);4.東南大學毫米波全國重點實驗室,南京,210096

表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPPs)[1-6]是一種沿著電介質和導體(通常是金屬)交界面傳播的光頻段表面波模式。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衰減的特性,因此能夠將電磁能量緊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行產生、分布、調制和檢測,并對光子集成電路(photonic integrated circuits,PIC)技術[8-10]的發展產生了巨大的推動作用。然而,當頻率降低到遠紅外、太赫茲和微波波段時,金屬的性質更接近于理想電導體(perfect electric conductors,PECs)而不是具有負介電常數的等離子體,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計特殊的周期性結構以實現一種電磁超材料,進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構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]、異質結構[16]和復雜結構金屬表面[17-18]等。然而,這些人工表面等離激元超材料結構往往結構尺寸較大,不便于與現代平面電路工藝(如印制電路板工藝和芯片工藝)集成。

2013年,Shen等[19-20]通過在電介質薄膜上打印金屬條的方式實現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場束縛性等物理特性,還可以通過調整傳輸線結構參數以實現對電磁波的靈活操控。隨著陸續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]、傳感網絡[32]、通信系統[33]等的器件與系統,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,在芯片內是必不可少的。但隨著現代信息技術對芯片在集成度與功能多樣性的要求越來越高,以微帶線、共面波導為代表的傳統片上傳輸線在電磁模式與功能方面的短板逐漸凸顯。憑借著強場束縛性與靈活可調特性等方面的優勢,人工表面等離激元傳輸線有望替代現有片上傳輸線,突破傳統芯片技術中的諸多技術瓶頸,具有十分廣闊的應用前景。

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成,2條傳輸線背對背排列。右側為與之對比的2條傳統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型實現的,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的長度h調控。從圖1(b)中可以看到,梳狀枝節的長度越大,典型人工表面等離激元片上傳輸線的色散曲線越遠離微帶線的色散曲線,即具有越強的場束縛能力。這表示典型人工表面等離激元片上傳輸線是以占據更大的芯片面積為代價以實現場束縛能力提高的。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用在高集成度的通信系統中的巨大潛力。

(a)結構示意圖

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,而芯片上的傳統激勵端口電磁波模式多為準橫電磁波模式(quasi-transverse electromagnetic,quasi-TEM)模式。因此,在芯片上應用人工表面等離激元模式,就需要設計高效的模式過渡結構。文獻[35]提出了在65 nm-CMOS工藝下用線性漸變結構實現從接地共面波導到人工表面等離激元片上傳輸線的過渡,如圖2(a)所示。通過調整圖中Cy和k的值可以實現良好的匹配效果。仿真及測試結果見圖2(b),在110～325 GHz內回波損耗低于-9 dB,插入損耗平均僅有1.9 dB。從圖中還可以看出,帶有過渡結構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構提升明顯,進一步推進了人工表面等離激元傳輸線在片上的應用。

(a)人工表面等離激元傳輸線和過渡結構示意圖

文獻[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構,并設計了一種接地共面波導到該傳輸線的過渡結構,如圖3(a)所示。該過渡結構同樣實現了準橫電磁波模式到人工表面等離激元模式的良好轉換。試驗結果見圖3(b),測試可得140～325 GHz內的回波損耗優于18.5 dB,平均插入損耗為1.54 dB。盡管目前單邊梳狀結構的人工表面等離激元傳輸線應用較多,但是對稱梳狀結構的人工表面等離激元傳輸線損耗更小,所以研究對稱結構的人工表面等離激元傳輸線也有重要意義。

(a)傳輸線結構

文獻[37]設計了一種基于GaAs工藝的小型化人工表面等離激元傳輸線,見圖4(a)。利用這種結構可以進一步減小人工表面的等離激元片上傳輸線的面積。通過調節最外層金屬帶的寬度,可以實現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計其他過渡結構,簡化了設計過程。測試結果見圖4(b),傳輸線在0～54 GHz內可以實現良好的傳輸效果。該文獻還報道了基于此結構設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%,測試得通帶內插入損耗在1.4～2.0 dB之間,回波損耗優于11 dB。

(a)傳輸線的結構

文獻[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構的數量N有關,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現場束縛性的增強,解決了典型人工表面等離激元傳輸線在場束縛能力增強與結構小型化方面的矛盾。仿真和測試結果見圖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[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,而得益于曲形結構對橫向電磁波的抑制能力,文獻[38]提出的小型化人工表面等離激元片上傳輸線所實現的場束縛性最強。此小型化結構進一步豐富了人工表面等離激元傳輸線構型的研究。

(a)傳輸線構型

(a)仿真和實測結果

通過設計不同的構型雖然可以實現調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。在現代通信系統各項技術不斷進步的背景下,芯片技術對可重構片上傳輸線的需求越來越迫切。文獻[39]提出了一種可動態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為模式過渡結構,傳輸線的傳輸特性可隨VO2的相變而變化,具體來說,通過改變外界環境如溫度、電場等來改變VO2的電導率,可以重構整體傳輸線的性能。圖7(b)為這種可重構人工表面等離激元片上傳輸線的仿真和測試結果,表明其在0.22～0.28 THz內的傳輸線特性可以被有效重構,其中傳輸系數的變化范圍達到36 dB。

(a)可調人工表面等離激元傳輸線結構

文獻[40]也提出了一種基于0.25 μm InP DHBT工藝的可重構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果,證明了通過改變VO2的導電率可以動態調節人工表面等離激元傳輸線的插入損耗,實現傳輸線傳輸特性的重構。VO2導電率分別為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。此結構實現了人工表面等離激元傳輸線的可重構性,極大豐富了片上人工表面等離激元傳輸線的應用場景。

(a)可調人工表面等離激元傳輸線結構

由此可見,人工表面等離激元片上傳輸線具有強場束縛性與靈活可調特性等方面的優勢,在小型化和可重構設計方面展現出了很高的自由度,為片上傳輸線提供了一種全新的選擇,具有十分廣闊的應用前景。

2 人工表面等離激元片上傳輸線的應用

未來的高性能計算機需要在存儲器和微處理器內核之間進行高效的片上通信,對片對片互連帶寬的需求將超過10 TB/s[41]。雖然技術的不斷發展使得芯片在工作頻率和速度方面有所提高,但目前芯片技術中傳統的微帶線、共面波導等傳輸線本身的模式短板使得信道間電磁耦合較強,導致芯片內部串擾嚴重,整體系統信號完整性受限[42]。因此,降低片上電磁耦合對芯片性能的影響已經成為目前芯片研究領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]采用標準的65 nm-CMOS技術,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。測試結果表明,人工表面等離激元傳輸線的寬帶反射系數低于-14 dB,串擾低于-24 dB。由此可見,相比于傳統微帶線,人工表面等離激元片上傳輸線所具有的強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

基于準橫電磁波模式的輸入/輸出(input/output,I/O)互聯具有較大的路徑損耗和電磁耦合,電磁耦合使數據服務器功耗高,并很難做到密集的I/O互聯?；谌斯け砻娴入x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[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收發器,仿真結果表明:人工表面等離激元通道的串擾比為-20 dB/mm,耦合器的耦合因子為-3.2 dB,調制器的開關比為23 dB,相位噪聲為-118 dBc/Hz,I/O收發器結構數據速率為25 Gb/s。人工表面等離激元互聯結構的通道間距為2.4 μm,當頻率在220～325 GHz范圍內時,傳輸線串擾比低于-23 dB,并且轉換器將阻抗和動量從微帶線平滑地轉換為人工表面等離激元片上傳輸線,反射系數為-8 dB。由此可見,人工表面等離激元片上傳輸線展現出了優異的片上去耦能力,展現出了取代現有片上互連線的應用潛力。

電子接口間的高頻串擾問題推動了研究者們對具有低損耗和低串擾的片上接口器件的研究,基于人工表面等離激元的數據總線,帶寬密度可達到1 Gb/s/μm,其中每個通道的數據傳輸速率大約300 Gb/s,而不引入顯著的串擾[44]。文獻[45]利用人工表面等離激元波導和裂環諧振器(split-ring resonator,SRR)分別構建了亞太赫茲低串擾硅通道和高開關比調制器,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諧振器2個元器件構成,如圖10所示,重驅動器實現了27-1和231-1的13.5 Gb/s/通道的雙通道OOK調制。測試結果顯示,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重驅動器具有良好的串擾抑制能力,在未來的高速計算機信息傳輸與片對片通信領域具有巨大的應用前景。

(a)雙通道次太赫茲I/O中繼器原理圖

除基于強場束縛性的片上去耦應用外,人工表面等離激元的靈活可調色散特性也可在片上信號調制方面得到應用。文獻[46]通過在傳輸線上加載二維電子氣微結構設計了一種類人工表面等離激元傳輸線,實現了太赫茲信號的直接相位調制,如圖11所示。該調制器能夠對頻率范圍為0.26～0.27 THz的太赫茲導波施加平均誤差僅為0.36°的相位調制。在0.265 THz頻點處,該調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,該調制器能夠提供近似理想的相位調制功能,在太赫茲集成系統中具有出色的可擴展性和兼容性。

(a)示意圖

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

3 結語

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制方面的應用。人工表面等離激元片上傳輸線擁有強場束縛性與靈活可調特性的優勢,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計自由度。然后總結了基于人工表面等離激元片上傳輸線的片上去耦應用和信號調制應用研究進展?；谌斯け砻娴入x激元片上傳輸線的強場束縛性,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色散特性,可以實現太赫茲信號的相位調制功能。

總的來說,人工表面等離激元片上傳輸線獨特的物理性質有利于突破一些傳統芯片的技術瓶頸。針對人工表面等離激元片上傳輸線及其應用的研究還處于起步階段,人工表面等離激元傳輸線的強場束縛性能在高頻下的表現還未進行充分的探索。另外,人工表面等離激元的工程化應用程度還比較低,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一步小型化、可重構、高集成度的方向發展。