第五代通信和万物互联对微波毫米波集成电路的需求提出了全新的要求

南邮量子精密测量实验室

第五代通信和万物互联对微波毫米波集成电路的需求提出了全新的要求。自充电、低功耗电路复杂度和集成度空前提高，特征线宽在不断减小，发展全新的非破坏高分辨微波场近场成像技术对芯片的功能和失效分析至关重要，目前尚没有成熟的技术路线。基于金刚石NV色心的固态量子体系作为传感单元，通过分析NV色心基态自旋在共振微波场中的量子态演化规律，采用全光学的方法，获得微波场分布的一种精密测量方法。该方法通过搭建光学成像系统进行一次成像来获得芯片整体的微波场分布，具有高效、对近场干扰小等优点，有望在芯片电磁兼容测试、微波芯片失效分析和天线近场分布成像等应用上提供一种全新的测量方案。和传统技术相比，最突出的特点是分辨率高，非侵入性最好，量子标定。而且胜任在复杂场景下的测量，比如高温高湿和高腐蚀应用场合。

近30年来，随着凝聚态物理和量子光学的发展，基于量子物理和基本物理常数的量子计量技术获得了长足的发展，相关成果彻底重塑了现代科技的基础 - 物理量的计量标准。比如，基于光钟时间的精确定义达到10-18的水平，相应的因为光速是一个常量（定义光速c = 299 792 458米/秒），对长度的定义达到了前所未有的精度。约瑟夫森常数[KJ=(2e)/h= 483597.8525(30)×109Hz/V]则将电压的量子标准通过普适的物理常数KJ和时间（Hz）的定义联系。而电阻的量子化标准则定义为整数量子霍尔效应中的克里青常数[RK=h/e2= 25812.807557(18)Ω]。这些普适量子标准为电、磁和电磁波相关的物理量精密测量奠定基础，是现代科技的基石。比如，没有时间的准确计量，就没有现代通信网络和全球定位系统，时间的精准计量也是引力波发现的核心技术。

随着微波射频技术的不断发展，微波毫米波技术在5G通信、自动驾驶、军事航天、消费电子等方面因其高带宽、小型化、高集成度等优点而成为炙手可热的技术。毫米波近场成像技术在高分辨率目标识别以及手势检测互动等方面都有广阔的应用。对微波毫米波器件的表面电磁场近场分布进行探测并成像对于推广和应用微波毫米波技术有重要的意义。长期以来在微波射频领域，直接对微波毫米波表面的电磁场分布进行直接成像的方法还比较缺乏。

碱金属气体泡微波磁场成像

2010年，瑞士巴塞尔大学的科学家首次基于激光冷却原子实现了对原子芯片（Atomic Chip）微波近场分布的非破坏测量。2012到2014年，杜关祥博士在该小组工作期间进一步将这一原理从装置复杂的冷原子体系推广至简单实用的热原子体系，并证实了这一技术实现高分辨微波场成像的可行性，获得了共面波导的微波场分布图像。该小组还就这一技术申请了美国专利，申请人Theodor W. Hänsch是2005年诺贝尔物理学奖得主，足见这一新技术的前瞻性和重要性。杜关祥博士在巴塞尔小组工作期间，还和全球知名射频测试设备提供商就该技术在射频集成电路产品表征上的应用展开探讨。

这一技术基于量子二能级体系在共振微波场中的拉比振荡现象。量子二能级原子体系，在量子计算和量子精密测量中，也称量子比特。电子自旋，有向上和向下两种本征态，就是一个典型的二能级体系。碱金属原子具有类氢原子结构，最外层有一个自由电子，处于S基态的电子和原子核自旋耦合，形成超精细结构基态。原子的总自旋是电子自旋和核自旋之和，二者平行和反平行，构成原子的两个基态，等价于抽象的自旋体系，其动力学演化行为可用量子二能级原子描述。正是因为这个外层电子和原子的相互作用，可以通过光学的方法，对自旋基态进行初始化，这一过程称为光泵浦。通过超窄谱线的光吸收，可以测量自旋处于某一能级的几率，这一过程称为光探测，不仅如此，自旋还可以在共振微波场的作用下，发生动力学拉比振荡。通过测量拉比振荡的频率，可以获得微波场的信息。基于热原子体系，加上成像光学则可获得微波场的空间分布图像。

2012年，美国J. P. Shaffer小组采用里德堡气体原子体系的电磁诱导透明现象（EIT, Electromagnetically InducedTransparency），实现了对微波场电分量的测量，他们采用780nm探测激光(5S－5P)和480nm(5P－53D)的耦合激光实现了很窄的EIT透明峰，在共振微波的作用下，EIT峰受到抑制，通过拟合EIT曲线，获得微波场电场分量的强度(54p－53D)。由此，基于单一气体原子体系，可获得微波场的电场和磁场分量的全部矢量信息。不同于传统探头阵列的微波场测量仪器，原子“探针”对场的测量是非破坏的，这对微波器件近场的表征和微弱微波场的标定尤其关键，因为传统金属探针不可避免导致对待测场的干扰，测量准确度低。

金刚石NV色心微波磁场成像

从实用的角度分析，该系统仍然有以下技术缺陷，因为装载原子气体的容器壁有一定厚度，现有玻璃泡制备技术做到100微米量级有很大难度，使得原子“探针”不可能真正接近待测微波芯片近场；而且，该系统需要对气体泡加热和温控，增加了样品装载的难度；再者，气体的热扩散限制了图像的分辨率，目前这一系统的分辨为150*100*100微米。

基于金刚石NV色心(Nitrogen Vacancy)的微波/毫米波成像系统，克服了上基于碱金属气体原子的微波成像技术的上述缺陷，既可以用于微波毫米波器件的表面局域电磁场分布表征和测量，又可以用于芯片电磁兼容检测、材料成分检测、微波近场无损探测和微波生物医学成像，具备广阔的应用空间。

金刚石中的NV色心是一种优秀的固态量子比特：原子尺寸、荧光稳定、在室温下具有较长的自旋相干寿命、自选态可以通过光学极化（Spin Initialization）和读出（Spin readout）、自旋态的操纵（Spin Manipulation）可以用脉冲微波实现。

目前业界主要通过以下几种方法对微波毫米波器件的近场进行测量、表征和分析：

（a）通过软件仿真和数值计算方法对微波毫米波器件表面的电磁场近场分布进行推算，常用的软件例如HFSS。

（b）通过传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量。

（c）采用场强仪配合特制的高频探头（E&H天线）对微波毫米波器件的表面进行高分辨扫描。

上述主流的测量技术存在以下几个问题：1、软件仿真和数值计算方法在对微波毫米波的高频和高集成度芯片进行仿真的情况下，由于电磁场近场的复杂性，软件仿真不可避免的存在一定的失真，这种失真在高频和高复杂度的芯片设计时将十分严重，以致模拟结果和实际器件性能有很大偏差。2、采用传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的散射参数进行测量仅能对器件的输入输出特征进行测量，说明不了信号在器件内部的局域特性，比如微波电流在复杂芯片上的分布。3、采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于特制的高频天线本身的尺寸往往比较大，扫描的精度有限；此外特制的高频天线本身是金属制作的，天线本身对电磁场存在较大扰动，降低了测量的准确性。而采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于高频探头本身是基于法拉第电磁感应原理而设计的，目前商用高频探头的尺寸最小也在毫米量级，相对于微波毫米波芯片的微米级布线，这类近场探头还是太大，不能提供表征芯片近场分布的有效信息。

针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的应用，现有的微波近场成像分析手段均不满足要求。而基于光学的光探测磁共振磁场探测方法可以做到很高的灵敏度和空间分辨率，并且对被测微波场没有扰动，所测量到的场强度不需要任何标定，可以作为一种电磁场的计量标准。

基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法将可以满足针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景的需求。这样的系统具备几个特点：1、高分辨率，该系统采用光学成像的方法对金刚石的荧光进行成像，可以达到亚微米的成像分辨率；2、基于脉冲光探测磁共振方法的磁场探测灵敏度可以达到纳特斯拉(nT/√Hz），这大大提高了磁场成像的灵敏度；3、金刚石颗粒本身的化学成分为碳和杂质氮，这两种物质均对电磁场没有扰动，因此这一技术可以做到真正的非破坏电磁场成像。4、该技术主要采用光学探测的方法，利用软件进行数值处理并成像，系统的结构简单。

微波场的近场成像方法近年来越来越受到学术界和工业界重视。微波近场可用于对材料微波属性的非破坏表征，测量材料的电解质常数。微波扫描探针技术利用一个带针尖的高品质因子微波谐振腔扫描样品，通过测量品质因子的变化，获得材料局域介电常数的高分辨图像。利用微波收发芯片的近场回波，可实现对隐蔽目标和缺陷的排查，应用于医学肿瘤成像和桥梁路基工程的裂缝检测。

近年来人们发展了基于自旋电子学器件的微波近场测量方法。基于自旋转移矩二极管效应，科学家在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中实现了近200mV/mW的功率灵敏度。位于微波场中的磁性隧道结（上自由铁磁层/绝缘层/下参考铁磁层）会吸收微波产生焦耳热，由于磁性隧道结的自由铁磁层和参考铁磁层的非对称性，上下铁磁层因焦耳热升温变化不同，这就导致绝缘层上下有一个温度梯度，并在上下两层之间形成电势差，这就是塞贝克整流效应。由于磁性隧道结可通过微纳加工方法制备，尺寸可以达到纳米级别，因而具有很高的空间分辨率，功率灵敏度达到1mV/mW。