人工表面等离激元片上传输线及其应用

王雪东,常 鑫,何沛航,姚大悦,张浩驰1,

(1.东南大学电磁空间科学与技术研究院,南京,210096;2.东南大学微电子学院,南京,210096;3.电子科技大学英才实验学院,成都,611731);4.东南大学毫米波全国重点实验室,南京,210096

表面等离激元(surface plasmon polaritons,SPPs)[1-6]是一种沿着电介质和导体(通常是金属)交界面传播的光频段表面波模式。该模式是由被束缚在表面的光或其他电磁波与金属的自由电子相互作用形成的,具有沿着分界面切线方向传播而在法线方向呈指数衰减的特性,因此能够将电磁能量紧密地束缚在界面周围。表面等离激元能够在亚波长尺度上对光进行产生、分布、调制和检测,并对光子集成电路(photonic integrated circuits,PIC)技术[8-10]的发展产生了巨大的推动作用。然而,当频率降低到远红外、太赫兹和微波波段时,金属的性质更接近于理想电导体(perfect electric conductors,PECs)而不是具有负介电常数的等离子体,所以无法支持表面等离激元。为了解决该问题,Pendry等[11]于2004年提出了通过在金属表面设计特殊的周期性结构以实现一种电磁超材料,进而支持一种与表面等离激元具有类似特性的模式,即人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)。随后,研究人员提出了一系列周期结构超材料来支持人工表面等离激元,如波纹金属表面[12]、波纹金属线[13]、周期缝表面[14]、周期块[15]、异质结构[16]和复杂结构金属表面[17-18]等。然而,这些人工表面等离激元超材料结构往往结构尺寸较大,不便于与现代平面电路工艺(如印制电路板工艺和芯片工艺)集成。

2013年,Shen等[19-20]通过在电介质薄膜上打印金属条的方式实现了可共形的超薄人工表面等离激元超材料。这种超材料可作为传输线应用在平面电路中[21-23],因此也被称为人工表面等离激元传输线。它不仅具有与表面等离激元相似的强场束缚性等物理特性,还可以通过调整传输线结构参数以实现对电磁波的灵活操控。随着陆续报道的基于印制电路板工艺的人工表面等离激元滤波器[24-25]、天线[26-28]、放大器[29]、耦合器[30]、倍频器[31]、传感网络[32]、通信系统[33]等的器件与系统,人工表面等离激元片上传输线的研究也吸引了越来越多的关注。

1 人工表面等离激元片上传输线

传输线作为微波电路最基本的元件,在芯片内是必不可少的。但随着现代信息技术对芯片在集成度与功能多样性的要求越来越高,以微带线、共面波导为代表的传统片上传输线在电磁模式与功能方面的短板逐渐凸显。凭借着强场束缚性与灵活可调特性等方面的优势,人工表面等离激元传输线有望替代现有片上传输线,突破传统芯片技术中的诸多技术瓶颈,具有十分广阔的应用前景。

2015年,Liang等[34]首次提出一种基于65 nm-CMOS工艺的亚太赫兹波段人工表面等离激元片上传输线,如图1(a)所示,左侧为人工表面等离激元片上传输线阵列,由周期排列的单边梳状传输线构成,2条传输线背对背排列。右侧为与之对比的2条传统片上微带线组成的传输线阵列。这种传输线是基于典型的人工表面等离激元传输线构型实现的,因此本文将其称为典型人工表面等离激元片上传输线。其色散曲线主要通过改变梳状枝节的长度h调控。从图1(b)中可以看到,梳状枝节的长度越大,典型人工表面等离激元片上传输线的色散曲线越远离微带线的色散曲线,即具有越强的场束缚能力。这表示典型人工表面等离激元片上传输线是以占据更大的芯片面积为代价以实现场束缚能力提高的。作为首次提出的人工表面等离激元片上传输线,该工作揭示了人工表面等离激元应用在高集成度的通信系统中的巨大潜力。

(a)结构示意图

人工表面等离激元片上传输线上的电磁波模式为人工表面等离激元模式,而芯片上的传统激励端口电磁波模式多为准横电磁波模式(quasi-transverse electromagnetic,quasi-TEM)模式。因此,在芯片上应用人工表面等离激元模式,就需要设计高效的模式过渡结构。文献[35]提出了在65 nm-CMOS工艺下用线性渐变结构实现从接地共面波导到人工表面等离激元片上传输线的过渡,如图2(a)所示。通过调整图中Cy和k的值可以实现良好的匹配效果。仿真及测试结果见图2(b),在110～325 GHz内回波损耗低于-9 dB,插入损耗平均仅有1.9 dB。从图中还可以看出,带有过渡结构的人工表面等离激元片上传输线的传输效果相较不带过渡结构提升明显,进一步推进了人工表面等离激元传输线在片上的应用。

(a)人工表面等离激元传输线和过渡结构示意图

文献[36]提出了一种基于BiCMOS工艺的对称排列梳状人工表面等离激元片上传输线结构,并设计了一种接地共面波导到该传输线的过渡结构,如图3(a)所示。该过渡结构同样实现了准横电磁波模式到人工表面等离激元模式的良好转换。试验结果见图3(b),测试可得140～325 GHz内的回波损耗优于18.5 dB,平均插入损耗为1.54 dB。尽管目前单边梳状结构的人工表面等离激元传输线应用较多,但是对称梳状结构的人工表面等离激元传输线损耗更小,所以研究对称结构的人工表面等离激元传输线也有重要意义。

(a)传输线结构

文献[37]设计了一种基于GaAs工艺的小型化人工表面等离激元传输线,见图4(a)。利用这种结构可以进一步减小人工表面的等离激元片上传输线的面积。通过调节最外层金属带的宽度,可以实现从微带线到人工表面的等离激元片上传输线良好的匹配。这种过渡方法不用设计其他过渡结构,简化了设计过程。测试结果见图4(b),传输线在0～54 GHz内可以实现良好的传输效果。该文献还报道了基于此结构设计的一款带通滤波器,如图4(c)所示,其中心频率为65 GHz,带宽为50.5%,测试得通带内插入损耗在1.4～2.0 dB之间,回波损耗优于11 dB。

(a)传输线的结构

文献[38]提出了另一种基于0.18 μm-CMOS小型化人工表面等离激元片上传输线,见图5。其色散特性主要与曲形结构的数量N有关,而非传输线的宽度w,这意味着该传输线可以在保持尺寸不变的情况下实现场束缚性的增强,解决了典型人工表面等离激元传输线在场束缚能力增强与结构小型化方面的矛盾。仿真和测试结果见图6(a),可以看到该小型化人工表面等离激元片上传输线在159～220 GHz内具有平坦的通带。图6(b)从左向右依次展示了微带线、典型双边梳状人工表面等离激元传输线和文献[38]提出的小型化人工表面等离激元片上传输线的场型分布。通过对比可以看到,微带线的场束缚性最弱,而得益于曲形结构对横向电磁波的抑制能力,文献[38]提出的小型化人工表面等离激元片上传输线所实现的场束缚性最强。此小型化结构进一步丰富了人工表面等离激元传输线构型的研究。

(a)传输线构型

(a)仿真和实测结果

通过设计不同的构型虽然可以实现调控人工表面等离激元传输线的性能,但是一旦传输线被加工制造完成,其电磁特性就会固定下来。在现代通信系统各项技术不断进步的背景下,芯片技术对可重构片上传输线的需求越来越迫切。文献[39]提出了一种可动态操控传输特性的人工表面等离激元片上传输线,其由双边梳状的对称金属条和其间注入的二氧化钒(vanadium dioxide,VO2)构成,见图7(a)。人工表面等离激元片上传输线两边的渐变共面波导为模式过渡结构,传输线的传输特性可随VO2的相变而变化,具体来说,通过改变外界环境如温度、电场等来改变VO2的电导率,可以重构整体传输线的性能。图7(b)为这种可重构人工表面等离激元片上传输线的仿真和测试结果,表明其在0.22～0.28 THz内的传输线特性可以被有效重构,其中传输系数的变化范围达到36 dB。

(a)可调人工表面等离激元传输线结构

文献[40]也提出了一种基于0.25 μm InP DHBT工艺的可重构人工表面等离激元片上传输线,见图8(a)。这种传输线的传输特性同样可随VO2的相变而变。图8(b)为该传输线的仿真结果,证明了通过改变VO2的导电率可以动态调节人工表面等离激元传输线的插入损耗,实现传输线传输特性的重构。VO2导电率分别为140 S/m和50 000 S/m时,传输线的插入损耗分别为3 dB和20 dB。此结构实现了人工表面等离激元传输线的可重构性,极大丰富了片上人工表面等离激元传输线的应用场景。

(a)可调人工表面等离激元传输线结构

由此可见,人工表面等离激元片上传输线具有强场束缚性与灵活可调特性等方面的优势,在小型化和可重构设计方面展现出了很高的自由度,为片上传输线提供了一种全新的选择,具有十分广阔的应用前景。

2 人工表面等离激元片上传输线的应用

未来的高性能计算机需要在存储器和微处理器内核之间进行高效的片上通信,对片对片互连带宽的需求将超过10 TB/s[41]。虽然技术的不断发展使得芯片在工作频率和速度方面有所提高,但目前芯片技术中传统的微带线、共面波导等传输线本身的模式短板使得信道间电磁耦合较强,导致芯片内部串扰严重,整体系统信号完整性受限[42]。因此,降低片上电磁耦合对芯片性能的影响已经成为目前芯片研究领域一个亟待解决的问题。人工表面等离激元片上传输线由于具有优异的场束缚特性,有望成为降低片上耦合、提高信号完整性的有效途径。

2015年,Liang等[34]采用标准的65 nm-CMOS技术,首次报道了基于人工表面等离激元片上传输线的低耦合信道。如图9所示,2条人工表面等离激元片上传输线间距仅为2.4 μm。测试结果表明,人工表面等离激元传输线的宽带反射系数低于-14 dB,串扰低于-24 dB。由此可见,相比于传统微带线,人工表面等离激元片上传输线所具有的强场束缚特性可有效降低邻间信道之间的耦合。

(a)基于片上人工表面等离激元传输线的65 nm耦合器显微图

基于准横电磁波模式的输入/输出(input/output,I/O)互联具有较大的路径损耗和电磁耦合,电磁耦合使数据服务器功耗高,并很难做到密集的I/O互联。基于人工表面等离激元片上传输线的高速I/O通信可以显著降低电磁耦合。文献[43]提出了一种在140 GHz的基于65 nm-CMOS工艺的全集成人工表面等离激元片上I/O收发器,仿真结果表明:人工表面等离激元通道的串扰比为-20 dB/mm,耦合器的耦合因子为-3.2 dB,调制器的开关比为23 dB,相位噪声为-118 dBc/Hz,I/O收发器结构数据速率为25 Gb/s。人工表面等离激元互联结构的通道间距为2.4 μm,当频率在220～325 GHz范围内时,传输线串扰比低于-23 dB,并且转换器将阻抗和动量从微带线平滑地转换为人工表面等离激元片上传输线,反射系数为-8 dB。由此可见,人工表面等离激元片上传输线展现出了优异的片上去耦能力,展现出了取代现有片上互连线的应用潜力。

电子接口间的高频串扰问题推动了研究者们对具有低损耗和低串扰的片上接口器件的研究,基于人工表面等离激元的数据总线,带宽密度可达到1 Gb/s/μm,其中每个通道的数据传输速率大约300 Gb/s,而不引入显著的串扰[44]。文献[45]利用人工表面等离激元波导和裂环谐振器(split-ring resonator,SRR)分别构建了亚太赫兹低串扰硅通道和高开关比调制器,并利用上述器件制作了一种140 GHz下的基于65 nm-CMOS工艺的I/O中继器,该中继器由人工表面等离激元片上传输线和裂环谐振器2个元器件构成,如图10所示,重驱动器实现了27-1和231-1的13.5 Gb/s/通道的双通道OOK调制。测试结果显示,能量效率为2.6 pJ/位/通道,比特误码率不超过10-12。可见,所提出的基于人工表面等离激元的I/O重驱动器具有良好的串扰抑制能力,在未来的高速计算机信息传输与片对片通信领域具有巨大的应用前景。

(a)双通道次太赫兹I/O中继器原理图

除基于强场束缚性的片上去耦应用外,人工表面等离激元的灵活可调色散特性也可在片上信号调制方面得到应用。文献[46]通过在传输线上加载二维电子气微结构设计了一种类人工表面等离激元传输线,实现了太赫兹信号的直接相位调制,如图11所示。该调制器能够对频率范围为0.26～0.27 THz的太赫兹导波施加平均误差仅为0.36°的相位调制。在0.265 THz频点处,该调制器的平均插入损耗仅为6.14 dB,且幅度波动仅为0.5 dB。因此,该调制器能够提供近似理想的相位调制功能,在太赫兹集成系统中具有出色的可扩展性和兼容性。

(a)示意图

由此可见,人工表面等离激元片上传输线的强场束缚性和灵活可调色散特性可以在片上电磁耦合抑制和相位调制中获得广泛的应用。

3 结语

本文介绍了人工表面等离激元片上传输线及其在片上去耦和相位调制方面的应用。人工表面等离激元片上传输线拥有强场束缚性与灵活可调特性的优势,为片上传输线提供了一种全新的选择。小型化人工表面等离激元片上传输线和可重构人工表面等离激元片上传输线,证明了人工表面等离激元片上传输线丰富的设计自由度。然后总结了基于人工表面等离激元片上传输线的片上去耦应用和信号调制应用研究进展。基于人工表面等离激元片上传输线的强场束缚性,芯片信道间的电磁耦合可被有效抑制。基于人工表面等离激元片上传输线的灵活可调色散特性,可以实现太赫兹信号的相位调制功能。

总的来说,人工表面等离激元片上传输线独特的物理性质有利于突破一些传统芯片的技术瓶颈。针对人工表面等离激元片上传输线及其应用的研究还处于起步阶段,人工表面等离激元传输线的强场束缚性能在高频下的表现还未进行充分的探索。另外,人工表面等离激元的工程化应用程度还比较低,未来亟需一套物理层上完整的理论体系来支撑人工表面等离激元传输线在工程上向进一步小型化、可重构、高集成度的方向发展。