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硅太赫兹超材料的设计与应用
芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)1月29芯片评论微纳电子DOI:10.1016/j.chip.2022.100030用于硅等离子体的太赫兹元器件袁亮1、郝宇1、王伟、王红2、张浩驰3、崔铁军31南方科技大学与教育部下一代通信集成电路工程研究中心材料科学与工程系深圳新型电子信息材料与器件工程研究中心,深圳3东南大学毫米波国家重点实验室与电磁空间研究所,南京210096E-mail:yuh3@sustc.edu.cn(Hao Yu)Cite as:Liang,Y.,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 太赫兹元器件硅等离子体芯片1,100030(2022)。https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100030收稿日期:2022年接受日期:2022年在线发布:2022年超材料器件(metadevices)已经被开发,旨在在(亚)太赫兹(THz)域中产生优于传统器件的非凡性能,并且它们与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的平面集成为构建克服芯片到芯片通信中的现有挑战的为了实现未来亿级数据中心的低功耗、抗串扰和高速数据链,本文综述了两种超材料,即欺骗表面等离子激元(SPPs)和开口环谐振器(SRR)及其在硅中的实现,重点介绍了它们的基本原理、设计方法和未来THz通信的实现。由于它们各自在太赫兹的色散特性,这两种元器件被高度期望在小型集成电路和系统中发挥重要作用,以实现紧凑的尺寸,密集的集成和出色的性能。提供了集成这两个元器件的完全集成的亚THz CMOS硅等离子体系统的设计示例,以展示双通道串扰容限和节能开关键控(OOK)通信系统。讨论了太赫兹元器件的未来发展方向和潜在应用关键词:CMOS I/O收发器,信道串扰,超材料,超波导,欺骗表面等离子激元,开口环谐振器,太赫兹,传输线,互连介绍在芯片上集成超材料器件(元器件)可以消除电子瓶颈,使微型器件具有新的功能,第一,使现有的硅等离子体成为微型的、节能的和抗干扰的。随着具有网络日志和图像的新社交媒体已经生成Exa规模的数据,从较短的通信距离交换持续上升的数据速率,出现了从基带数据中心到射频(RF)、毫米波(mmW)和太赫兹(THz)板间、芯片间和芯片内场景2虽然先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术不断扩大规模,并提高了其运行速度,但通信性能因其他因素而下降,包括通道之间的电磁(EM)干扰、信号源的输出功率、调制的消光比(ER)和系统表I总结了最近的互连技术,表明能量效率接近每通道1 pJ/位的趋势。硅沟道的弱场约束问题激发了在硅中实现场约束技术的广泛研究虽然从电路的角度来看,串扰均衡技术已经被报道可以克服信道干扰,但是数据速率被限制在15 Gb/s,并且它们必须消耗额外的这样的困境激发了固有地实现信道本身的串扰的衰减,而不增加电路复杂性。为了实现这一点,人们已经研究了二十多年的各种元设备。与传统的片上无源器件相比,这些元器件在THz域具有独特的物理现象,并产生了与微波域相同的卓越其中,表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)是存在于光学域中两种折射率相反的介质界面上的高度局域化的表面波。为了在THz区域中产生局部SPP,已经建议通过在平面金属表面上装饰亚波长短截线或孔来实现等离子体超材料欺骗SPP或设计者SPP继承了自然SPP的特性,诸如色散特性和场限制,并且因此对于低损耗和低串扰的芯片上互连42此外,新兴的微型集成等离子体器件,包括环形元光子器件和环形元器件,由于其管理纳米光子和等离子体系统中的固有辐射损耗的独特性质,对于THz成像、光谱学和生物感测具有很大的潜力45另一方面,另一种元器件,即开口环谐振器(SRR),其是谐振型超材料,在THz频率下提供显著的品质因数(Q因此,SRR更faforable比传统的电感线圈或TL片上滤波,振荡,lation,和幅度调制。将欺骗SPP和SRR与CMOS电路集成,一种小型、节能和串扰容限的硅等离子体激元,其涉及等离子体激元的产生、传输、审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)2月29日表I|硅光电互连的最新进展。6.6FinFET:鳍式场效应晶体管。FOM 1=带宽密度/能效。FOM 1=带宽密度×log(BER)/能效。转换和检测对于密集封装环境中的THz通信变得可行。本文综述了THz领域集成SPP和SRRs的最新进展,包括基本概念、设计方法、等效电路建模以及THz应用的实现,并讨论了作者组在元器件方面的最新工作第二节简要介绍了太赫兹通信的挑战。第三部分首先介绍了SPP的基本原理,然后讨论了各种形式的欺骗SPP元波导,包括体积庞大的SPP波导和紧凑的片上双通道硅SPP元波导。将讨论导波和SPP之间的模式转换,以及SPP超波导的紧凑建模。第四部分首先介绍了抑制比的概念和原理,然后讨论了片上抑制比的最新发展。本文将讨论一种由叠层SRR拓扑结构实现的紧凑型高Q值幅度调制器利用这两个元器件,第V部分描述了等离子体子THz信号源,然后是使用元器件的串扰免疫THz-1的设计示例。第五节的结束- fers的硅太赫兹元器件和新兴的太赫兹应用的潜在集成系统的未来方向的展望。太赫兹硅通信硅互连对于I/O接口,能量效率(定义为picojoules per bit)和误码率(BER)是两个主要的性能指标。此外,CMOS工艺的成本、延迟和可扩展性能量效率由信号生成、信道损耗、信道干扰、数字信号处理(DSP)复杂度、功耗等确定。BER受到接收机(RX)信噪比(SNR)、信道特性(包括色散、损耗和串扰)、均衡复杂度等的约束考虑到上述矩阵,现有技术的I/O互连通常以两种接口方案为特征,即电互连(EI)14自工艺开发开始以来,EI一直是主流解决方案,并且它通过平面传输线(TL)主导I/O通信然而,对于超过10mm的通信距离,最高可实现的数据速率受到与信号带宽和金属带宽成二次方上升的信道损耗的限制另一方面,I/O接口也激发了对OI的广泛研究,包括硅光子学和集成光子学13,22。Un-幸运的是,高效硅光源对间接带隙硅材料提出了根本性的挑战。此外,OI需要先进的封装解决方案来消除片上系统串行器/并行器(SerDes)约束及其功耗,因此需要额外的成本。为了缓解窄带和封装问题,最近已经研究了通过不同分频方案的射频互连(RF-I)和太赫兹互连(THz-I)2,23受来自当今无线通信的那些相对简单的调制方案(包括开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK))的启发,这些调制方案利用可以以有效光速24通过硅TL发送的无线电、mmW和THz频率。因此,基带数据格式可用于调制以高频操作的载波信号的幅度和相位。被称为符号间干扰(ISI),通过调制高频载波来传输数字数据可以减少ISI,因为波速和信号损耗在载波频率26附近不会改变太多。因此,对基带数据采用调制,使得信号完整性受长导体色散特性的影响较小。考虑到上述原因,整个系统的复杂性可以大大简化,以获得更好的集成度、能效、带宽和延迟。CMOS晶体管用于THz设计THz范围涵盖0. 1至10 THz的宽光谱,对应于3 mm至30µ m的波长。在过去的几十年中,在这个范围内工作的单片集成电路是使用昂贵的化合物半导体技术如磷化铟(InP)来 实 现 的 。 如 2011 年 报 道 的 , InP 中 的 双 异 质 结 双 极 晶 体 管(DHBT)具有500GHz的截止频率fT,并且最大振荡频率fmax大于1THz49。同年,第一个用InP实现的THz信号源在50年被报道,消耗超过300 mW的功率。最近的工作是在硅锗(SiGe)技术中实现的,表现出更好的噪声性能,但功耗仍然高于300 mW51。另一方面,在减少CMOS晶体管的栅极长度(Lg)方面的持续努力已经实现了朝向THz的完全集成设计,这可以在图152中可视化,从国际半导体技术路线图(ITRS)获得。该器件模型包括流体动力学和薄硅迁移率物理,只要估计的电容和电阻器件寄生到第一金属层,在太赫兹电路设计相关在栅极长度低于10 nm时,fT的退化是由于表面散射引起的迁移率退化345678910111213数据速率(Gb/s)12.15151012.72556.25605696010面积每0.15/0.250.143.143.160.720.840.468//通道(mm2)距离(cm)通道损耗(dB)带宽密度(Gb/s/mm2)能效(pJ/bit)4.6/80.671.295.5×10/1.331.87/601.41108.91072.5100/4.044.1/507.9116.32/3878.137.7/3271.436.9/42.5119.664.36//1005///4.23BER技术FoM110–1265nmCMOS 62.5710–1265nmCMOS/10–1265nmCMOS 42.65<10-1565nmCMOS42.810–1240nmCMOS 0.9910–1228nmCMOS 0.4810–510nmFinFET10.1510–67nmFinFET10.3510–77nmFinFET27.46/硅光子2010–12硅光子/审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)3月29日−≈图 1 |CMOS ITRS Roadmap for peak cut-off frequency(fT)versus physicalgate length(Lg)for double gate(FinFET)MOSFET and FDSOI 52. 版权所有2015 IEEE.在栅极氧化物界面以及更薄的硅体52处形成。然而,超过300 GHz的fT,一个300 GHz的集成自激振荡器已被证明在53使用65 nm CMOS技术。2019年,270 GHz CMOS信号源仅消耗49.5 mW的功率54,抖动达到159 fsrms。除了这些工作之外,许多最近的技术已经显示了CMOS技术在设计用于THz成像55和通信56的完全集成系统方面的巨大潜力。集成无源器件最近,面向未来6G和数据中心的mmW和THz电路和系统的发展主要基于集成硅器件。例如,由于6G行业的严格要求,先进的mmW和THz集成系统必须同时提供紧凑的尺寸、低成本、低功耗和出色的性能,以满足无线通信、雷达、遥感或成像等应用的严格需求基于这些要求,系统设计通常涉及三个关键挑战:干扰抑制、信号完整性和小型化。不幸的是,所有这些方面几乎是相互矛盾的。例如,传统的硅TL,包括微带线和CPW,遭受随着操作频率增加的大量EM干扰。因此,信号完整性也会降低。替代方法,如差分微带已被用于串扰衰减,提高信号的完整性。然而,一个非线性通道还需要系统的输出电路驱动它(或接收它)是差分的,增加了电路的复杂性,并增加了功耗。另一种可能的方法是扩大差距图3| metamaterials的定义第57章. 版权所有2016 CRCPress.每个频道之间。然而,由于长通道的弱电场(E-场)限制,每根导线仍然充当辐射天线,并且它们的E-场严重耦合到有损耗衬底中,将其转换成热。这个问题使得硅通道在长导体的THz频率下是高度损耗因此,传统的片上传输线存在明显的损耗和相互干扰,降低了系统的性能。作为示例,图2提供了针对采用OOK方案的互连的BER与信道串扰的关系。显然,在6dB信道串扰的情况下,接收数据完全失真,因此在这种情况下通信被禁止。因此,如果硅线被紧密地封装,这通常是在数据中心中的情况,则会出现错误比特,因为信道串扰对接收器引起相当大的电磁干扰,使恢复的数据失真,或者如果SNR小则甚至使接收器饱和。超材料的定义超材料通常包含周期性或非周期性的单位晶胞。通过向这些单位单元提供不同的拓扑结构,这些集成单位单元的整个阵列将表现出它们各自的不自然存在的特性。材料的更详细定义已在图中总结。 其中x和y轴分别表示结构的相对介电常数(ε r)和相对磁导率(µ r)。大多数片上无源器件属于第一象限,其中εr大于1,µr为1。然而,通过为单位单元设计不同的拓扑,理论上可以设计位于图3中的任何区域中的结构,从而形成超材料并实现感兴趣的应用。基于它们各自的反射和透射特性,图2|数据恢复后的模拟眼图,信道串扰为a,-6 dB,b,-14 dB,c,-22 dB。44.第44章.版权所有2022 IEEE.审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)4月29日2小时=∼0Zeroz2y=−超材料的特征可以是非谐振超材料或谐振型超材料。例如,透射型超材料位于第一和第三象限。在这些区域中,电磁波可以在结构内部传播。在第一象限中,其中εr和µr都是正的,在结构内部传播的电磁波的相速度(其是频率的线性函数)是正的。位于第三象限的超材料,其中εr,µr为<0,称为左手材料.由于这些材料的相速度是非线性的和负的,因此EM波能量在该材料中沿向前方向传播,但该相位实际上沿向后方向传播左手材料的许多最近的应用是与右手对应物集成以在特定频率58下提供零相位传播,旨在扩展操作带宽。事实上,这些零相位传输型超材料属于X轴或Y轴,εr或µr为零。在第二象限和第四象限出现的异向介质被认为是抑制信号传播的谐振器件。具体地说,位于第二象限的超材料,其中εr为负,µr为正,被称为电等离子体。在该区域中,建立渐逝波以完全反射进入结构的电磁波。这样的介质可以通过一组耦合的ε为负的右手材料来实现,例如互补开口环谐振器(CSRR)。另一方面,位于第四象限的超材料,其中εr为正而µr为负,称为磁性等离子体。类似地,建立渐逝波以强烈反射入射电磁波。这些介质可以通过耦合一组µ为负的右手材料来实现SRR可以达到这个目的。职工条则和职工条则将在第四节讨论。图4|在存在SPP的金属-电介质界面上绘制的EM场分布59. 版权所有2005自然出版集团。金属表面59支持SPP的最简单结构是由异质电介质之间的单个平坦界面制成,如图4所示。这种结构包含在z>0区域的非吸收半空间,其实介电常数ε2为正,以及在z<0区域的相邻导电半空间,其介电函数由ε1(ω)描述。考虑到金属特性的条件,在远低于等离子体频率(表示为ωp)的频率下,Re[ε1]<0是满意的。下面的分析将横向电(TE)模式和横磁(TM)模式。我们的目标是寻求传播波的解决方案本地化的金属界面,也就是说,与倏逝波衰减垂直的z方向。根据麦克斯韦作为欺骗SPP已被证明表现出特殊的适当-关系,如亚波长分辨率,色散特性,和紧密+。k2ε−β2<$H=0(1)由于其具有野外局限性,因此它们在解决上述困难方面具有很大潜力首先,与自然SPP一样,欺骗SPP波显示出与周围电磁波的小耦合,使得SPP变得适合用作具有更好信号完整性的载波。其次,由于其特殊的场约束,欺骗SPP之间的信道串扰对于上部空间(z>0)使用上述等式,磁场和E场分别描述如下61。Hy(z)=A2eiβx e−α2z(2)元波导以及欺骗SPP元波导与硅衬底之间的场耦合因此,inte-Ex(z)=iA12ωε0ε2k2eiβxe−α2z(3)与传统方法相比,包括欺骗SPP超波导的光栅系统可以减小用于布线的尺寸,具有更好的EM性能。到目前为止,各种欺骗SPP元波导已经被重新设计,Ez(z)=−A1√βωε0ε2eiβxe−α2z(四)移植到太赫兹应用,包括庞大的结构和平面紧凑的设计,这将在下一节详细介绍。硅匙表面等离子体子其中i1被选择用于EM波的复分析。在下空间(z<0),上述方程变为Hy(z)=A1eiβx eα1z(5)激元Ex(z)=−iA11ωε0ε1k1eiβxe<$1z(6)表面等离域电子在金属表面的集体振荡称为表面等离域电子的集体振荡由于他们的特殊能力,以控制-Ez(z)=−Aβ1ωε0ε1eiβxe1z(7)可以利用构建小型功能器件以及万亿级的高度集成波长约为1毫米的太赫兹波可以被压缩约100倍,其中αiαz,i(i1,2)表示沿两种介质界面的垂直方向的波矢量Hy和εiEz在金属界面连续的条件是A1=A2和61在体CMOS工艺中沿着铜金属,而不依赖于额外的∂2ε2= −(八)工艺和材料。因此,与等离子体元器件集成的硅CMOS电路可以以比现有电子技术快得多的速度运行,同时比玻璃纤维薄100倍。对于太赫兹和微波频率,平面金属的行为类似于理想电导体(PEC),并且SPP不能持续审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)5月29日∂1ε1这里,如果ε2>0,则E场对金属-绝缘体表面的限制要求Re[ε1] 0。<结果表明,表面等离子体只存在于绝缘体与导体的界面处,即两侧材料的介电常数实部符号相反的界面处。根据审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)6月29日,ε=β−kε(9)11=0=+图 5|在电介质-金属界面处的SPP分散。62.第62章.版权所有2005 Elsevier。取决于频率。也就是说,ε1(ω)ε波矢量α1和α2可以推导如下:220由于这些特殊的特性,在金属界面上传播的SPP首先,由于SPP的传播常数大于自由空间中的平面横向电磁(TEM)波的传播常数,所以在入射自由空间波和欺骗SPP结构之间发生动量失配。这种不匹配阻碍了沿结构激发SPP波。事实上,棱镜、表面光栅或表面粗糙度用于提供动量匹配,以便干涉光学状态63这种失配现象导致自由空间模式和SPP模式之间的大隔离,表明对于SPP超波导,耦合信号难以被来自环境的因此,SPP可以充当用于许多无线通信的改进的安全性和可靠性的可行载体。此外,一旦被激发,欺骗SPP允许SPP波的波长在工作频率接近ωs时变为零,并且它总是小于在这样的频率范围内的自由空间波的波长在这种情况下,方程(8)中的波矢量α1和α2大于自由空间波的波矢量,并且类似地,当操作频率接近ωs时,它们变得无限大。考虑到这些事实,SPP波的电磁场被紧密地限制在金属界面,并且它对表面的亚波长结构敏感因此,SPP具有很高的潜力,对于高分辨率传感等新兴应用变得越来越重要。2=,β2-k2ε2(10)对SPP传播的研究可以追溯到20世纪50年代,当时研究人员研究了金属表面上的SPP,其频率远高于结合(8)至(10),在界面处传播的SPP表现出由下式描述的色散关系:低于可见光频率,其中SPP类似于均匀的自由空间中的光场以掠射角入射到金属-绝缘体界面66、67。 由于其特殊的限制事件β=k,ε1ε2(十一)波,设计师SPP已被广泛开发用于多功能应用,ε1+ε2方程(11)对有衰减和无衰减的导体都有效,即对实ε 1和复ε1都有效。可以进行类似的过程来评估TE模式的可能性。在这种情况下,界面处Hx和Ey连续性的要求变为A1(1+2)=0(12)由于金属表面场局部化的条件要求Re[α1]和Re[α2]都为正,只有当A10时,方程(12)才成立,使得A1和A2都为零。因此,TE偏振不存在表面模式。图5中使用等式(11)62描绘了电介质界面处的典型SPP色散曲线。自由空间中的平面波,也就是光线,用虚线表示。这里,自由空间也填充有电介质。同时,实线垂直线表示经典的非色散表面等离子体频率ωs,它等于ωp/(1ε2)0.5。通过检查图5中的关系,可以推导出SPP的两个重要物理性质首先,表面等离子体的色散曲线总是弯曲远离光线,并位于右侧。鉴于此,SPP波的传播常数大于自由空间波的传播常数,其特征在于其本身是一种慢波。然而,在一个更低的频率范围内,SPP的传播常数迅速降低,场的界面本地化逐渐减少。上述观察结果解释了为什么SPP的紧约束只发生在接近ωs的频率处。其次,沿金属-绝缘体界面传播的SPP从DC(即零频率)开始,并且它们的群速度与光波相同。随着频率的增加,SPP的群速度减慢,并且它渐近地局域在接近ωs的频率处。阳离子近年来例如,等离子体激元电路已经被重新-被设计成在纳米尺度68上集成光子学和电子学。此外,它们在显微镜69、70、生物传感71-已经利用宽带方法研究了SPP沿着平坦金属传播的问题,验证了SPP模式在THz域中表现出高度离域的性质60。对这种现象的解释可能源于激发纯索末菲-泽内克波的电荷,因为它具有高度离域的性质。为了克服上述困境,Pendry在2014年提出,通过利用其金属表面图案化有亚波长周期性特征的超材料,可以在红外波长和更远的波长下实现亚波长限制的欺骗SPP,模仿更短波长下的表面等离子体激元81。如图6a所示,产生类SPP模式的方法是通过在金属块中钻一系列亚波长方孔来实现的,而这些孔的行为类似于方形波导。这里,参数a表示孔的宽度,d表示保持周期间距。为了确保入射波在这些孔内激发TE10模式,a和d都比入射波的波长短几个数量级对于这些超波导,如果工作频率远低于这些结构的截止频率,则电磁波几乎不能传播。相反,E场沿z方向呈指数衰减并恢复紧密场局部化,类似于天然SPP的行为。此外,从图6b可以推断,色散关系表现出类似SPP的行为,并且这里的渐近频率是波导模式的截止频率。从另一个方面看,亚波长结构修饰的金属表面模拟了具有人工渗透性的有效介质,0审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)7月29日图6| a,方孔的2D正方形晶格,以及b,其类SPP色散关系。改编自81.版权所有2005物理研究所。c、二维阵列 中空的方形黄铜管。改编自131.版权所有2005AAAS。d,THz等离子体慢光系统的框图。转载请注明出处132版权所有2012美国光学学会。e,波纹锥上的超聚焦。转载请注明出处129版权所有2008美国光学学会。f,SPP超材料的两种不同偏置的远场透射谱改编自120。版权所有2008美国光学学会g,用于演示可以通过平面集成SPP信道传输的子衍射限制信号的基于欺骗SPP的无线系统的系统图转载请注明出处130版权所有2020 Creative Commons许可证。h,楔形几何形状引导欺骗SPP。转载请注明出处133版权所有2009美国光学学会。审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)8月29日XX0.Σ在xy平面中的电容率和介电常数,以及沿z方向的无限导磁率两个参数如下所示6116 sin2(kx a/2)μx=μy=π2d2k2a2(13)εx=εy=π2d2k2a2εh16 sin2(kxa/2).1−π2C2a2εhω2(十四)在这两个方程中,εh和µh表示填充孔的材料的相对介电常数和磁导率。从方程(14)可以推导出,对于有效介质,等离子体频率ωp为61ωp=πc0/aεhμh(15)等式(13)至(15)意味着由亚波长阵列装饰的金属表面在THz区域中具有负介电常数,类似于在光学领域中操作的金属。从这个方面来看,欺骗SPP或设计者SPP结构也可以被认为是等离子体元变材料。与这种结构有关的色散曲线如图所示。 6 b.除了图中所示的金属表面之外。在图6a中,已经报道了用于微波、THz和光学应用的设计者SPP的各种结构82-130。图6c-h提供了这些技术的集合。详细地说,Hibbens及其同事在其早期工作131中在微波状态下研究了部署周期性布置的中空黄铜管的2D孔阵列,如图6c所示,证明SPP模式可以由2D孔阵列支持。基于半导体-绝缘体-半导体拓扑结构中的表面磁致等离子体激元的慢光系统利用两个可调谐带132,如图6d所示。在图6e中,可以观察到129对尖端的有效深亚波长限制。如图6f所示,由在n掺杂GaAs上制造的金属结构组成的超材料证实了超材料的光学性质可以受到等离子体共振120的显著影响。图 6g,已经证明了子衍射限制信号在具有低损耗、低信道干扰和高增益的集成SPP信道上的传输,并且信号可以以非常低的环境灵敏度130辐射。如图6h所示,THz SPP超波导包括装饰在THz SPP超波导上的单行周期性金属楔。证实平坦的金属表面支持具有亚波长限制以及低弯曲损耗133的欺骗SPP模式。针对太赫兹波在高分辨率传感、成像、低损耗、低干扰的短距离通信等领域的应用,目前已经报道了几种欺骗型SPP超波导例如,已经报道了在THz下基于石墨烯中的双带超材料吸收体的SPP谐振,验证了结构的几何手段和衬底厚度可以调谐双带吸收峰的出现和吸收特性134。报道了使用具有二维亚波长金属光栅的欺骗SPP的THz信号源,在约1 THz135处,对于光束距光栅表面的最佳距离,产生22.7-W的输出功率。SPP在太赫兹范围内沿金属线波导传播的问题已在136中进行了理论研究。利用人工波纹完美导体超材料,137报道了一种有源THz等离子体激元开关,并且它证明了可以通过改变超材料的折射率来操纵强烈局部化的THz SPP模式。图7|共形表面等离子体激元(CSP)模式对金属厚度t的归一化色散曲线。146.第146章. Copyright 2012美国物理学会.在140. 基于SPP,141演示了具有宽带抑制的片上THz硅滤波器。在142中已经验证了可以同时激发THz SPP和操纵SPP的波前的基于缝隙天线的设备。在143中,数值研究了SPP模式在包括矩形、梯形和V形槽的三种形式的一维槽阵列上传播的波导特性。提出了在THz区域144中利用SPP谐振的波导传感器,其中感测部分采用薄InSb层。在45中展示了基于沉积在栅极控制的石墨烯层上的人工工程等离子体元分子的有源混合环形超颖表面。基于集成相变材料(PCM)的多功能纳米等离子体激元学的最新进展,以及相变化合物Ge2 Sb2Te5在定制高效和可调谐等离子体激元器件中的应用,已在46中进行了综述。在47年中,介绍了用于检测薄膜、化学和生物物质的THz等离子体元传感器的最新成就,以及在现代医学和临床实践中利用基于环形技术的THz等离子体生物传感器的潜力。在48中回顾了用于管理纳米光子和等离子体系统中的固有辐射损失的环形元光子学和元器件。CMOS欺骗SPP超波导在欺骗SPP超波导的早期研究(2004年或更早)中,构造具有大厚度的金属光栅拓扑结构是在THz区域实现欺骗SPP然而,它们对于集成无源器件是不可行的,因为金属是在薄膜层内部制成的,并且它们的厚度对于某些半导体技术通常是固定的在CMOS技术中,顶部铜金属的厚度通常为3至3.4 µm,具体取决于技术节点。这个问题已经导致了对光栅结构的金属厚度及其对金属146维持SPP的有效性的相关影响的研究(大约在2010年出现)。对于具有无限厚度的一维光栅拓扑,色散关系已经在146中解析地导出,如下所示:侧面是一个纵向的金属结构,上面装饰着周期性的凹槽阵列。InGaAs基亚波长欧姆金属-半导体-金属结构的灵敏太赫兹光探测器β=k0 ,1+ω2tan2(k0h)(16)D2在138年实现了拓扑结构。在139中报道了太赫兹频率下,具有倾斜强度波前的光脉冲入射到半导体表面对SPP的激发利用相对论电子束沿沉积在玻璃上的超薄金属膜传播,在该等式中,w、d和h分别表示槽间隙、周期间距和槽深度。由于这种结构的封闭形式很难获得,已经进行了数值方法来解决他们的色散关系。图7中的色散曲线几乎保持Σ审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)9月29日∼×图8|分析带宽密度和行进长度对沟槽深度h的关系。148.第148章.版权所有2019 IEEE.当t从20d急剧变化到0.002d(在THz下几乎为零厚度)时不变。实际上,当金属厚度从无穷大减小到有限时,平行于yz平面的两个腔侧是开放的。因此,磁场沿x方向145、146保持非量子化. 特别是当厚度t缩小到亚波长尺度时,SPPs色散关系略有下降,但仍保持不变。此外,亚波长厚度的金属光栅拓扑结构也验证了SPP的特殊性质。例如,在147中,测量的E-场表现出对波纹金属表面的紧密限制此外,当工作频率接近渐近频率时,SPP波沿结构传播受阻。在这种情况下,群速度接近于零。从这些方面来看,选择超薄金属光栅拓扑结构是安全的,以维持欺骗SPP。尽管理想无限模型和有限方法之间存在不匹配,但这种差异在许多应用中是可以接受的,有限方法为太赫兹频率的平面片上SPP超波导铺平了道路由于等离子体超波导引起了诸如吸收损耗的关注,特别是当操作频率接近等离子体频率时,因此评估场约束对行进长度和数据吞吐量的影响在148中研究了这种权衡,其中在分析中考虑了通道串扰和金属损耗。图8中绘出了在该最大带宽密度和欺骗SPP超波导的最大带宽密度(Gbps/µm)下信息的分析传播长度。结果表明,当传输长度达到10 mm时,通过选择最佳的几何设计,可以实现1Gbps/µm的带宽密度(记为BWsp)。注意,由每个信道承载的信息可以通过BWsp S来评估,其中S表示由包括保护空间的单个信道占用的平均空间。在此定义下,数据速率可以达到每通道300 Gbps,同时通道串扰得到显著抑制。实际上,3-dB串扰长度lx,el可以定义为148图9|片上欺骗SPP超波导。148.第148章.版权所有2017 IEEE.图 10 |CMOS实现的双通道欺骗SPP超波导。a,用于S参数测试的测量设置,以及b,双通道片上欺骗SPP超波导的图像。149.第149章.版权所有2017IEEE.解释了为什么THz-I对于需要干扰衰减以保持信号完整性的系统变得更加禁止的原因。上述讨论为硅基欺骗表面等离子体超波导的设计奠定了基础如图9所示的双通道欺骗SPP超波导的实现,其几何结构包含亚波长梳状短截线的阵列,已经在2015年以CMOS技术实现,旨在验证从mmW到THz区域149的SPP波的EM串扰衰减能力。试验设备和模具照片分别见图1。图10 a和b,并且该结构在65 nm CMOS技术中实现。两个平面超波导是背对背定向的。注意,在其他片上传输线中,例如其结构由至少三个导体组成的CPW,尽管片上CPW与微带线相比具有低损耗特性,但庞大的接地平面可能会在集成系统中牺牲太多的面积。例如,实现柔性接地对于共形电路是具有挑战性的然而,CPW的布线在高度冷凝的环境中是不方便的,特别是对于多层技术。相比之下,由于大多数片上器件是平面的,因此仅包括单个导体的欺骗SPP超波导具有用作THz领域中的未来等离子体通道的巨大潜力。使用欺骗SPP元波导进行信号传输的另一个优点是,尽管欺骗SPP元波导被装饰有亚波长波纹,但由于阻抗和动量的严重失配,环境中的自由空间波图11总结了表示双通道欺骗SPP超波导的π1Cl= 0(十七)149. beyond 300 GHz 来菲格图11a示出了在1000 ° C下的E场分布结果。x报2ωRCD300千兆赫。正如所观察到的,尽管两个顶部金属线紧密地堆积其中C表示传输线RLGC模型中的电容,D表示耦合两个紧密堆积的通道的互电容。显然,当比率C/D减小时,这指示信道之间的较强串扰,lx,el减小。等式(17)SPP波能够保持其局部化表面波的能力,而只有一小部分场耦合到相邻的受害导体。 图图11 b提供了电流密度的模拟分布。场定位也可以从审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)10月29图 11|在xy平面上评估的双通道欺骗SPP超波导的电场分布。a-c,分别在300GHz下的电场分布、电流密度和场局部化。d-f,分别在500 GHz处的电场分布、电流密度和场局部化149.第149章.版权所有2015 Nature Publishing Group。图11c,其中电场可以被周期性亚波长短截线紧密地集中,并且耦合到受害线的电场很弱。图11d至图11f分别提供了在500 GHz下评估的设计结构的电场和电流分布以及场局部化,清楚地表明对两个导体之间的相互干扰的更强衰减在较高的工作频率下观察到的这种更好的串扰抑制的原因是由于SPS的传播常数的增加,并且更弯曲的色散关系指示由亚波长凹槽对E场的更强的限制。这一有趣的现象使得欺骗SPP超波导在紧凑的区域中成为极有潜力的片上THz通信,因为庞大的地面已被省略。在220 ~ 325 GHz频率范围内,与传统的无周期性亚波长槽的微带线结构相比,当硅沟道间隙仅为2.4 µm时,所测得的远端串扰(S41)平均抑制约19 dB微带线被设计成具有相同的曲折形状和长度。 图图12总结了双通道微带线的近场仿真结果。显然,干扰源走线对受干扰线路引入了更强的干扰,因此,受干扰线路被感应以激发更多的电流,而干扰源线路的传播被降级。如图12c所示,电磁波与金属表面的结合较弱,其垂直于金属的场延伸随着频率的升高而变长,从而增强了太赫兹区域中的电磁干扰在CAS-CADE Microtech Elite-300探针台上测试双通道欺骗SPP超波导。S参数由Agilent PNA-X(N5247 A)表征,信号源由频率范围为220-325 GHz。在片上测量之前,对包括连接器、探针、波导和电缆在内的插入损耗进行了校准。根据等式(16),在波纹状金属表面上传播的SPP波的波数大于k0。由于这种动量失配,SPP波很难从无入射空间波转换实际上在诸如射频(RF)和THz频率的低频中,实现超颖表面上的特定梯度折射率分布以从无入射空间波150激发SPP模式。或者,利用具有反射相位梯度的超颖表面来解决动量失配。然而,在太赫兹应用中,平面波导被广泛用于馈送大多数片上传输线、线圈和电路。这里,波导仅支持导波模式。也就是说,欺骗SPP超波导不能以与常规传输线(包括微带线、CPW等)相同的方式直接馈送这种动量失配也导致阻抗失配,使得入射波在注入界面处被反射。在早期技术中,利用自由空间中的单极子来馈送平面欺骗SPP波导151然而,转换效率低,并且这种方法难以在片上实现。Ma等人在2014年提出了一种板级平面模式转换器转换器的特征在于包括双侧凹槽154的等离子体传输线。类似的转换结构在图1中示出。 6 g用于THz应用。在信号注入接口图 12 |149毫米波双通道微带线近场仿真结果。a-c,在xy平面处评估的双通道欺骗SPP超波导上的E场分布。149.第149章.版权所有2015 Nature Publishing Group。审查DOI:芯片|Vol 1|冬季2022梁玉,余,H.,王,H.,张孝成Cui,T.J. 芯片1,100030(2022)11月29−−x m2m图 13|带模式转换器的伪SPP超波导设计。156.第156章. 版权所有2016 Nature Publishing Group.(区域1),CPW支持准TEM模式,并且其波数为k0。在区域3中,具有深槽深度的欺骗SPP元波导支持紧密限制的SPP模式,并且波数远大于k0。为了解决这两个区域之间巨大的动量和阻抗失配,在区域2中插入了过渡图案,其特征在于喇叭形地面以及梯度凹槽。这里,通过逐渐改变槽深来构造梯度槽利用这种方式,在宽的频率范围内获得了从导模到SPP模(反之亦然)的优异转换效率SPP模式转换器占用较小的硅面积是片上实现的理想选择2016年报道了一种硅模式转换器,该转换器由线性衰减接地共平面波导(GCPW)和梯度槽构成,可同时执行从mmW到THz频率的动量和阻抗转换155、156。由底部金属构成的接地层抑制了E场耦合到有损硅衬底中。当准TEM波耦合到转换器时,接地走线的两侧可确保适当的阻抗匹配。同时,梯度槽通过动量的平滑变换进行模式转换。然而,设计仍然包含笨重的地面两侧。为了使设计更紧凑,它演变成一种结构,只包括梯度槽与地下地面,如图13所示。该结构省略了对两侧庞大地面的需要,因此占用更小的面积。注意,由底部金属结构化的接地平面不应被认为是如用于SPP模式转换的传统方法那样庞大的接地(例如,由顶层金属实现),因为这样的接地
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