第五代通信和萬物互聯(lián)對微波毫米波集成電路的需求提出了全新的要求

南郵量子精密測量實驗室

第五代通信和萬物互聯(lián)對微波毫米波集成電路的需求提出了全新的要求。自充電、低功耗電路復(fù)雜度和集成度空前提高，特征線寬在不斷減小，發(fā)展全新的非破壞高分辨微波場近場成像技術(shù)對芯片的功能和失效分析至關(guān)重要，目前尚沒有成熟的技術(shù)路線?；诮饎偸疦V色心的固態(tài)量子體系作為傳感單元，通過分析NV色心基態(tài)自旋在共振微波場中的量子態(tài)演化規(guī)律，采用全光學(xué)的方法，獲得微波場分布的一種精密測量方法。該方法通過搭建光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行一次成像來獲得芯片整體的微波場分布，具有高效、對近場干擾小等優(yōu)點(diǎn)，有望在芯片電磁兼容測試、微波芯片失效分析和天線近場分布成像等應(yīng)用上提供一種全新的測量方案。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，最突出的特點(diǎn)是分辨率高，非侵入性最好，量子標(biāo)定。而且勝任在復(fù)雜場景下的測量，比如高溫高濕和高腐蝕應(yīng)用場合。

近30年來，隨著凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)的發(fā)展，基于量子物理和基本物理常數(shù)的量子計量技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，相關(guān)成果徹底重塑了現(xiàn)代科技的基礎(chǔ) - 物理量的計量標(biāo)準(zhǔn)。比如，基于光鐘時間的精確定義達(dá)到10-18的水平，相應(yīng)的因為光速是一個常量（定義光速c = 299 792 458米/秒），對長度的定義達(dá)到了前所未有的精度。約瑟夫森常數(shù)[KJ=(2e)/h= 483597.8525(30)×109Hz/V]則將電壓的量子標(biāo)準(zhǔn)通過普適的物理常數(shù)KJ和時間（Hz）的定義聯(lián)系。而電阻的量子化標(biāo)準(zhǔn)則定義為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)中的克里青常數(shù)[RK=h/e2= 25812.807557(18)Ω]。這些普適量子標(biāo)準(zhǔn)為電、磁和電磁波相關(guān)的物理量精密測量奠定基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的基石。比如，沒有時間的準(zhǔn)確計量，就沒有現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)，時間的精準(zhǔn)計量也是引力波發(fā)現(xiàn)的核心技術(shù)。

隨著微波射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，微波毫米波技術(shù)在5G通信、自動駕駛、軍事航天、消費(fèi)電子等方面因其高帶寬、小型化、高集成度等優(yōu)點(diǎn)而成為炙手可熱的技術(shù)。毫米波近場成像技術(shù)在高分辨率目標(biāo)識別以及手勢檢測互動等方面都有廣闊的應(yīng)用。對微波毫米波器件的表面電磁場近場分布進(jìn)行探測并成像對于推廣和應(yīng)用微波毫米波技術(shù)有重要的意義。長期以來在微波射頻領(lǐng)域，直接對微波毫米波表面的電磁場分布進(jìn)行直接成像的方法還比較缺乏。

堿金屬氣體泡微波磁場成像

2010年，瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家首次基于激光冷卻原子實現(xiàn)了對原子芯片（Atomic Chip）微波近場分布的非破壞測量。2012到2014年，杜關(guān)祥博士在該小組工作期間進(jìn)一步將這一原理從裝置復(fù)雜的冷原子體系推廣至簡單實用的熱原子體系，并證實了這一技術(shù)實現(xiàn)高分辨微波場成像的可行性，獲得了共面波導(dǎo)的微波場分布圖像。該小組還就這一技術(shù)申請了美國專利，申請人Theodor W. H?nsch是2005年諾貝爾物理學(xué)獎得主，足見這一新技術(shù)的前瞻性和重要性。杜關(guān)祥博士在巴塞爾小組工作期間，還和全球知名射頻測試設(shè)備提供商就該技術(shù)在射頻集成電路產(chǎn)品表征上的應(yīng)用展開探討。

這一技術(shù)基于量子二能級體系在共振微波場中的拉比振蕩現(xiàn)象。量子二能級原子體系，在量子計算和量子精密測量中，也稱量子比特。電子自旋，有向上和向下兩種本征態(tài)，就是一個典型的二能級體系。堿金屬原子具有類氫原子結(jié)構(gòu)，最外層有一個自由電子，處于S基態(tài)的電子和原子核自旋耦合，形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)基態(tài)。原子的總自旋是電子自旋和核自旋之和，二者平行和反平行，構(gòu)成原子的兩個基態(tài)，等價于抽象的自旋體系，其動力學(xué)演化行為可用量子二能級原子描述。正是因為這個外層電子和原子的相互作用，可以通過光學(xué)的方法，對自旋基態(tài)進(jìn)行初始化，這一過程稱為光泵浦。通過超窄譜線的光吸收，可以測量自旋處于某一能級的幾率，這一過程稱為光探測，不僅如此，自旋還可以在共振微波場的作用下，發(fā)生動力學(xué)拉比振蕩。通過測量拉比振蕩的頻率，可以獲得微波場的信息。基于熱原子體系，加上成像光學(xué)則可獲得微波場的空間分布圖像。

2012年，美國J. P. Shaffer小組采用里德堡氣體原子體系的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象（EIT, Electromagnetically InducedTransparency），實現(xiàn)了對微波場電分量的測量，他們采用780nm探測激光(5S－5P)和480nm(5P－53D)的耦合激光實現(xiàn)了很窄的EIT透明峰，在共振微波的作用下，EIT峰受到抑制，通過擬合EIT曲線，獲得微波場電場分量的強(qiáng)度(54p－53D)。由此，基于單一氣體原子體系，可獲得微波場的電場和磁場分量的全部矢量信息。不同于傳統(tǒng)探頭陣列的微波場測量儀器，原子“探針”對場的測量是非破壞的，這對微波器件近場的表征和微弱微波場的標(biāo)定尤其關(guān)鍵，因為傳統(tǒng)金屬探針不可避免導(dǎo)致對待測場的干擾，測量準(zhǔn)確度低。

金剛石NV色心微波磁場成像

從實用的角度分析，該系統(tǒng)仍然有以下技術(shù)缺陷，因為裝載原子氣體的容器壁有一定厚度，現(xiàn)有玻璃泡制備技術(shù)做到100微米量級有很大難度，使得原子“探針”不可能真正接近待測微波芯片近場；而且，該系統(tǒng)需要對氣體泡加熱和溫控，增加了樣品裝載的難度；再者，氣體的熱擴(kuò)散限制了圖像的分辨率，目前這一系統(tǒng)的分辨為150*100*100微米。

基于金剛石NV色心(Nitrogen Vacancy)的微波/毫米波成像系統(tǒng)，克服了上基于堿金屬氣體原子的微波成像技術(shù)的上述缺陷，既可以用于微波毫米波器件的表面局域電磁場分布表征和測量，又可以用于芯片電磁兼容檢測、材料成分檢測、微波近場無損探測和微波生物醫(yī)學(xué)成像，具備廣闊的應(yīng)用空間。

金剛石中的NV色心是一種優(yōu)秀的固態(tài)量子比特：原子尺寸、熒光穩(wěn)定、在室溫下具有較長的自旋相干壽命、自選態(tài)可以通過光學(xué)極化（Spin Initialization）和讀出（Spin readout）、自旋態(tài)的操縱（Spin Manipulation）可以用脈沖微波實現(xiàn)。

目前業(yè)界主要通過以下幾種方法對微波毫米波器件的近場進(jìn)行測量、表征和分析：

（a）通過軟件仿真和數(shù)值計算方法對微波毫米波器件表面的電磁場近場分布進(jìn)行推算，常用的軟件例如HFSS。

（b）通過傳統(tǒng)的黑盒子網(wǎng)絡(luò)分析儀對微波毫米波器件的S參數(shù)進(jìn)行測量。

（c）采用場強(qiáng)儀配合特制的高頻探頭（E&H天線）對微波毫米波器件的表面進(jìn)行高分辨掃描。

上述主流的測量技術(shù)存在以下幾個問題：1、軟件仿真和數(shù)值計算方法在對微波毫米波的高頻和高集成度芯片進(jìn)行仿真的情況下，由于電磁場近場的復(fù)雜性，軟件仿真不可避免的存在一定的失真，這種失真在高頻和高復(fù)雜度的芯片設(shè)計時將十分嚴(yán)重，以致模擬結(jié)果和實際器件性能有很大偏差。2、采用傳統(tǒng)的黑盒子網(wǎng)絡(luò)分析儀對微波毫米波器件的散射參數(shù)進(jìn)行測量僅能對器件的輸入輸出特征進(jìn)行測量，說明不了信號在器件內(nèi)部的局域特性，比如微波電流在復(fù)雜芯片上的分布。3、采用場強(qiáng)儀配合特制的高頻天線對微波毫米波器件的表面進(jìn)行掃描的方法，由于特制的高頻天線本身的尺寸往往比較大，掃描的精度有限；此外特制的高頻天線本身是金屬制作的，天線本身對電磁場存在較大擾動，降低了測量的準(zhǔn)確性。而采用高頻近場磁場探頭對微波毫米波器件的表面進(jìn)行掃描的方法，由于高頻探頭本身是基于法拉第電磁感應(yīng)原理而設(shè)計的，目前商用高頻探頭的尺寸最小也在毫米量級，相對于微波毫米波芯片的微米級布線，這類近場探頭還是太大，不能提供表征芯片近場分布的有效信息。

針對微波毫米波芯片表面的近場電磁場成像的應(yīng)用，現(xiàn)有的微波近場成像分析手段均不滿足要求。而基于光學(xué)的光探測磁共振磁場探測方法可以做到很高的靈敏度和空間分辨率，并且對被測微波場沒有擾動，所測量到的場強(qiáng)度不需要任何標(biāo)定，可以作為一種電磁場的計量標(biāo)準(zhǔn)。

基于脈沖光探測磁共振的電磁場近場成像系統(tǒng)及方法將可以滿足針對微波毫米波芯片表面的近場電磁場成像的場景的需求。這樣的系統(tǒng)具備幾個特點(diǎn)：1、高分辨率，該系統(tǒng)采用光學(xué)成像的方法對金剛石的熒光進(jìn)行成像，可以達(dá)到亞微米的成像分辨率；2、基于脈沖光探測磁共振方法的磁場探測靈敏度可以達(dá)到納特斯拉(nT/√Hz），這大大提高了磁場成像的靈敏度；3、金剛石顆粒本身的化學(xué)成分為碳和雜質(zhì)氮，這兩種物質(zhì)均對電磁場沒有擾動，因此這一技術(shù)可以做到真正的非破壞電磁場成像。4、該技術(shù)主要采用光學(xué)探測的方法，利用軟件進(jìn)行數(shù)值處理并成像，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。

微波場的近場成像方法近年來越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重視。微波近場可用于對材料微波屬性的非破壞表征，測量材料的電解質(zhì)常數(shù)。微波掃描探針技術(shù)利用一個帶針尖的高品質(zhì)因子微波諧振腔掃描樣品，通過測量品質(zhì)因子的變化，獲得材料局域介電常數(shù)的高分辨圖像。利用微波收發(fā)芯片的近場回波，可實現(xiàn)對隱蔽目標(biāo)和缺陷的排查，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)腫瘤成像和橋梁路基工程的裂縫檢測。

近年來人們發(fā)展了基于自旋電子學(xué)器件的微波近場測量方法。基于自旋轉(zhuǎn)移矩二極管效應(yīng)，科學(xué)家在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中實現(xiàn)了近200mV/mW的功率靈敏度。位于微波場中的磁性隧道結(jié)（上自由鐵磁層/絕緣層/下參考鐵磁層）會吸收微波產(chǎn)生焦耳熱，由于磁性隧道結(jié)的自由鐵磁層和參考鐵磁層的非對稱性，上下鐵磁層因焦耳熱升溫變化不同，這就導(dǎo)致絕緣層上下有一個溫度梯度，并在上下兩層之間形成電勢差，這就是塞貝克整流效應(yīng)。由于磁性隧道結(jié)可通過微納加工方法制備，尺寸可以達(dá)到納米級別，因而具有很高的空間分辨率，功率靈敏度達(dá)到1mV/mW。