南郵量子精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)室

第五代通信和萬(wàn)物互聯(lián)對(duì)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(chǎng)近場(chǎng)成像技術(shù)對(duì)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(guò)分析NV色心基態(tài)自旋在共振微波場(chǎng)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(chǎng)分布的一種精密測(cè)量方法。該方法通過(guò)搭建光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行一次成像來(lái)獲得芯片整體的微波場(chǎng)分布，具有高效、對(duì)近場(chǎng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)，有望在芯片電磁兼容測(cè)試、微波芯片失效分析和天線近場(chǎng)分布成像等應(yīng)用上提供一種全新的測(cè)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(chǎng)景下的測(cè)量，比如高溫高濕和高腐蝕應(yīng)用場(chǎng)合。

近30年來(lái)，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(jì)量技術(shù)獲得了長(zhǎng)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。比如，基于光鐘時(shí)間的精確定義達(dá)到10-18的水平，相應(yīng)的因?yàn)楣馑偈且粋€(gè)常量（定義光速c = 299 792 458米/秒），對(duì)長(zhǎng)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(guò)普適的物理常數(shù)KJ和時(shí)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(cè)量奠定基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的基石。比如，沒有時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)量，就沒有現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)，時(shí)間的精準(zhǔn)計(jì)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(dòng)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(chǎng)成像技術(shù)在高分辨率目標(biāo)識(shí)別以及手勢(shì)檢測(cè)互動(dòng)等方面都有廣闊的應(yīng)用。對(duì)微波毫米波器件的表面電磁場(chǎng)近場(chǎng)分布進(jìn)行探測(cè)并成像對(duì)于推廣和應(yīng)用微波毫米波技術(shù)有重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)在微波射頻領(lǐng)域，直接對(duì)微波毫米波表面的電磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)原子芯片（Atomic Chip）微波近場(chǎng)分布的非破壞測(cè)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(jiǎn)單實(shí)用的熱原子體系，并證實(shí)了這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨微波場(chǎng)成像的可行性，獲得了共面波導(dǎo)的微波場(chǎng)分布圖像。該小組還就這一技術(shù)申請(qǐng)了美國(guó)專利，申請(qǐng)人Theodor W. H?nsch是2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(cè)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(jí)體系在共振微波場(chǎng)中的拉比振蕩現(xiàn)象。量子二能級(jí)原子體系，在量子計(jì)算和量子精密測(cè)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(gè)典型的二能級(jí)體系。堿金屬原子具有類氫原子結(jié)構(gòu)，最外層有一個(gè)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(gè)基態(tài)，等價(jià)于抽象的自旋體系，其動(dòng)力學(xué)演化行為可用量子二能級(jí)原子描述。正是因?yàn)檫@個(gè)外層電子和原子的相互作用，可以通過(guò)光學(xué)的方法，對(duì)自旋基態(tài)進(jìn)行初始化，這一過(guò)程稱為光泵浦。通過(guò)超窄譜線的光吸收，可以測(cè)量自旋處于某一能級(jí)的幾率，這一過(guò)程稱為光探測(cè)，不僅如此，自旋還可以在共振微波場(chǎng)的作用下，發(fā)生動(dòng)力學(xué)拉比振蕩。通過(guò)測(cè)量拉比振蕩的頻率，可以獲得微波場(chǎng)的信息?；跓嵩芋w系，加上成像光學(xué)則可獲得微波場(chǎng)的空間分布圖像。

2012年，美國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)微波場(chǎng)電分量的測(cè)量，他們采用780nm探測(cè)激光(5S－5P)和480nm(5P－53D)的耦合激光實(shí)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(guò)擬合EIT曲線，獲得微波場(chǎng)電場(chǎng)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(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的全部矢量信息。不同于傳統(tǒng)探頭陣列的微波場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，原子“探針”對(duì)場(chǎng)的測(cè)量是非破壞的，這對(duì)微波器件近場(chǎng)的表征和微弱微波場(chǎng)的標(biāo)定尤其關(guān)鍵，因?yàn)閭鹘y(tǒng)金屬探針不可避免導(dǎo)致對(duì)待測(cè)場(chǎng)的干擾，測(cè)量準(zhǔn)確度低。

金剛石NV色心微波磁場(chǎng)成像

從實(shí)用的角度分析，該系統(tǒng)仍然有以下技術(shù)缺陷，因?yàn)檠b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(jí)有很大難度，使得原子“探針”不可能真正接近待測(cè)微波芯片近場(chǎng)；而且，該系統(tǒng)需要對(duì)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(chǎng)分布表征和測(cè)量，又可以用于芯片電磁兼容檢測(cè)、材料成分檢測(cè)、微波近場(chǎng)無(wú)損探測(cè)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(zhǎng)的自旋相干壽命、自選態(tài)可以通過(guò)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(shí)現(xiàn)。

目前業(yè)界主要通過(guò)以下幾種方法對(duì)微波毫米波器件的近場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、表征和分析：

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

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

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

上述主流的測(cè)量技術(shù)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1、軟件仿真和數(shù)值計(jì)算方法在對(duì)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(chǎng)近場(chǎng)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(jì)時(shí)將十分嚴(yán)重，以致模擬結(jié)果和實(shí)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(duì)微波毫米波器件的散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)量?jī)H能對(duì)器件的輸入輸出特征進(jìn)行測(cè)量，說(shuō)明不了信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)儀配合特制的高頻天線對(duì)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(duì)電磁場(chǎng)存在較大擾動(dòng)，降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。而采用高頻近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭對(duì)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(jì)的，目前商用高頻探頭的尺寸最小也在毫米量級(jí)，相對(duì)于微波毫米波芯片的微米級(jí)布線，這類近場(chǎng)探頭還是太大，不能提供表征芯片近場(chǎng)分布的有效信息。

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

基于脈沖光探測(cè)磁共振的電磁場(chǎng)近場(chǎng)成像系統(tǒng)及方法將可以滿足針對(duì)微波毫米波芯片表面的近場(chǎng)電磁場(chǎng)成像的場(chǎng)景的需求。這樣的系統(tǒng)具備幾個(gè)特點(diǎn)：1、高分辨率，該系統(tǒng)采用光學(xué)成像的方法對(duì)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(cè)磁共振方法的磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度可以達(dá)到納特斯拉(nT/√Hz），這大大提高了磁場(chǎng)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(duì)電磁場(chǎng)沒有擾動(dòng)，因此這一技術(shù)可以做到真正的非破壞電磁場(chǎng)成像。4、該技術(shù)主要采用光學(xué)探測(cè)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(jiǎn)單。

微波場(chǎng)的近場(chǎng)成像方法近年來(lái)越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重視。微波近場(chǎng)可用于對(duì)材料微波屬性的非破壞表征，測(cè)量材料的電解質(zhì)常數(shù)。微波掃描探針技術(shù)利用一個(gè)帶針尖的高品質(zhì)因子微波諧振腔掃描樣品，通過(guò)測(cè)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(chǎng)回波，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)。

近年來(lái)人們發(fā)展了基于自旋電子學(xué)器件的微波近場(chǎng)測(cè)量方法?；谧孕D(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(shí)現(xiàn)了近200mV/mW的功率靈敏度。位于微波場(chǎng)中的磁性隧道結(jié)（上自由鐵磁層/絕緣層/下參考鐵磁層）會(huì)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(duì)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(gè)溫度梯度，并在上下兩層之間形成電勢(shì)差，這就是塞貝克整流效應(yīng)。由于磁性隧道結(jié)可通過(guò)微納加工方法制備，尺寸可以達(dá)到納米級(jí)別，因而具有很高的空間分辨率，功率靈敏度達(dá)到1mV/mW。