CN115064858B - 相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，该结构采用片上工艺设计生产，由金属外环谐振器（1）、金属内环谐振器（2）、内环馈电线（3）、外环馈电线（4）组成。金属内环谐振器位于金属外环谐振器中，金属内环谐振器通过金属内环馈电线连接五十欧姆微带线（5）；金属外环谐振器通过金属外环馈电线连接五十欧姆微带线；五十欧姆微带线末端与信号焊盘（7）相连，作为信号输入端。该谐振结构简单，谐振强度大，品质因数高，场束缚性强，符合砷化镓、磷化铟等多种芯片工艺设计规则，通过等比例缩放，可以实现微波段、毫米波段、太赫兹波段的高Q值谐振器。

Description

相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构

技术领域

本发明是一种等离激元谐振结构，特别是一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构。

背景技术

各行各业的发展进步都离不开半导体行业的发展，每一次半导体芯片行业的更新换代，都会带来计算、通信等领域的高速发展。高性能芯片的需求日渐增大，传统微波电对芯片集成度、损耗特性、串扰特性和高频性能的要求越来越高，微波集成电路是各类片上结构的重要组成部分，急需新的、性能能够突破传统微波电路束缚的新结构给集成电路领域增添新的活力。

人工表面等离激元具有强场束缚性、短工作波长、高频截止等优良特性，可以工作在微波、毫米波和太赫兹波段，通过人工设计的结构单元，可以模拟出表面等离激元在光波段展现出来的优良性能。局域型人工表面等离激元是人工表面等离激元的一种，具有结构紧凑、电尺寸小等优良特性，通过谐振结构和馈电结构设计，可以呈现出高品质因数的谐振特性、强耦合特性、法诺谐振特性和涡旋模式等特性，在谐振器、滤波器、传感器等领域具有广泛的应用。

目前越来越多的科研人员开始尝试将人工表面等离激元结构应用到半导体集成电路中，渴望打破传统微波集成电路在频率、尺寸、损耗和串扰等方面的束缚，将半导体集成电路做到一个新的高度。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，该谐振结构采用内外谐振环耦合和差分信号激励的设计理念，将人工表面等离激元结构应用在砷化镓、磷化铟等芯片工艺中，实现尺寸小、品质因数高、易于集成的高频耦合等离激元谐振结构。

技术方案：本发明的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，包括金属外环谐振器、金属内环谐振器、金属内环馈电线、金属外环馈电线、五十欧姆微带线、信号焊盘、第一接地焊盘和第二接地焊盘、光刻胶、衬底和金属层；其中，金属内环谐振器位于金属外环谐振器中，金属内环谐振器通过金属内环馈电线连接五十欧姆微带线；金属外环谐振器通过金属外环馈电线连接五十欧姆微带线；五十欧姆微带线末端与信号焊盘相连，作为信号输入端；在层面设置上，金属外环谐振器和金属内环谐振器位于光刻胶底面，且金属外环谐振器和金属内环谐振器的底面与光刻胶底面平齐；金属内环馈电线、金属外环馈电线、五十欧姆微带线、信号焊盘、第一接地焊盘和第二接地焊盘设置在光刻胶上面，且金属内环馈电线、金属外环馈电线、五十欧姆微带线和信号焊盘的底面与光刻胶上面平齐；光刻胶下面设置有衬底，衬底下部设置有金属层，金属层作为覆盖整个结构背面的金属结构地，第一接地焊盘和第二接地焊盘穿过光刻胶、衬底与金属层连接在一起。

所述的金属外环谐振器包括圆形金属外环和金属外环光栅，金属外环光栅连接在圆形金属外环内侧边上，金属外环光栅的内端向圆心方向延伸一段距离，沿圆形金属外环的内圆周呈周向排列。

所述的金属内环谐振器包括圆形金属内环、金属内环光栅，金属内环光栅连接在圆形金属内环外侧边上，金属内环光栅的外端沿圆形金属内环的直径方向外延伸一段距离，沿圆形金属内环的外圆周呈周向排列。

所述金属内环谐振器位于金属外环谐振器中，金属外环光栅与金属内环光栅相互交错设置，由此形成耦合谐振器结构。

所述圆形金属外环、圆形金属内环，通过缩小其二者的直径，使得谐振频率增加；缩小圆形金属外环与圆形金属内环直径的差值，能增大谐振强度与谐振Q值。

所述圆形金属外环与圆形金属内环的周长、金属外环光栅和金属内环光栅的个数、长度、宽度、光栅间隔可调；改变上述的结构参数，能调节各个谐振模式的频点、强度和谐振品质因数。

所述金属内环馈电线由顺序连接的一百欧姆微带线第一小枝节、第二小枝节、第一U形相位延迟线、第三小枝节、第二U形相位延迟线、第四小枝节、第五小枝节、第六小枝节和内环金属馈电小圆盘组成；其中，第一U形相位延迟线和第二U形相位延迟线的宽度与一百欧姆微带线宽度相同，金属内环馈电线的一端通过一百欧姆微带线第一小枝节自五十欧姆微带线处接收一半的信号，金属内环馈电线的另一端通过第六小枝节连接内环金属馈电小圆盘将能量耦合进金属内环谐振器。

所述金属外环馈电线由顺序连接的一百欧姆微带线第七小枝节、第八小枝节、第九小枝节、第十小枝节和外环金属馈电小圆盘组成，其中金属外环馈电线的一端通过一百欧姆微带线第七小枝节自五十欧姆微带线处接收一半的信号，另一端通过外环金属馈电小圆盘将能量耦合进金属外环谐振器。

所述金属内环馈电线和金属外环馈电线分别对金属内环谐振器和金属外环谐振器进行馈电输出；所述金属内环馈电线的长度大于金属外环馈电线长度，金属内环馈电线中的电磁信号经过路径比金属外环馈电线长，导致输出相位存在差异。

所述一百欧姆微带线第一小枝节和第七小枝节长度相同，第八小枝节的长度与第二小枝节、第三小枝节、第四小枝节、第一U形相位延迟线和第二U形相位延迟线在横向上的长度之和相同，第五小枝节与第九小枝节长度相同，第五小枝节与第六小枝节之间的夹角与第九小枝节与第十小枝节之间的夹角相同，保证通过内环金属馈电小圆盘和外环金属馈电小圆盘的信号只有相位存在差异。

所述五十欧姆微带线末端与信号焊盘相连，五十欧姆微带线末端有一段宽度通过折线渐变过渡，直到与信号焊盘宽度相同，连接在一起，作为信号输入端。

所述金属外环谐振器、金属内环谐振器、金属内环馈电线、金属外环馈电线、五十欧姆微带线利用片上芯片工艺多层金属的结构，既可位于同一层，又可在不同层实现馈电和耦合谐振。

有益效果：本发明的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构具有以下有益效果：

1、本发明电尺寸很小，本谐振结构引入相互耦合的两个圆形人工表面等离激元谐振结构，表面电流的路径长度被压缩到远远小于本谐振器尺寸，本发明谐振结构的尺寸可以达到工作波长的十四分之一左右。

2、本发明采用局域型人工表面等离激元结构作为谐振器结构，对电磁场的束缚能力大大提高，降低了集成电路串扰损耗，有利于增强谐振强度，提高集成度。

3、本发明符合砷化镓、磷化铟等工艺设计规则，将传统的圆形人工表面等离激元结构应用到片上工艺中，在芯片工艺中比直线型结构能更大限度的发挥出人工表面等离激元谐振器的优异性能。

4、本发明引入了通过微带相位延迟线实现的差分信号输入，能够以较小的尺寸和较简单的结构将单路信号转换为两路差分信号，通过馈电圆盘对不同结构进行激励。

5、本发明在高频情况下可产生耦合涡旋波模式，且可产生偶极子、四极子和六极子耦合涡旋波模式，其频率分别位于51.1GHz、94.3GHz和129.6GHz处，其中偶极子、四极子和六极子分布图可以明显的观察到耦合涡旋波模式，内环谐振器与外环谐振器场图同时产生涡旋模，且内外环涡旋模相位相反，在光栅交齿的地方出现锯齿状相位交错。

6、本发明在高频情况下可产生高阶偶极子和四极子涡旋模，其频率位于109GHz和146.7GHz处，该高阶偶极子和四极子涡旋模拥有更宽的观察带宽，可以观察到内环谐振器和外环谐振器涡旋模相位相同，在光栅交齿的地方出现与内外环相反的锯齿状相位分布。

7、本发明在产生涡旋波模式的同时，还会产生多种其他模式的谐振，如激励结构自身产生的两个位于34.5GHz和74.7GHz处的谐振；由于激励线在某些频率下无法输出合格的差分信号，而产生无法发生旋转的谐振模式，如位于158GHz和163.4GHz处的八极子和十极子谐振模式。

8、本发明结构简单，易于集成，内外谐振环可以工作在半导体不同金属层下，利用半导体工艺多层金属优势实现同层耦合或者层间耦合，通过等比例缩放，可以工作在微波、毫米波以及太赫兹频段。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构横截面图；

图3是本发明的人工表面等离激元谐振结构示意图；

图4是本发明的微带馈电枝节结构示意图；

图5是本发明的反射系数S₁₁仿真结果示意图；

图6是本发明在图4中九个谐振频点处的近场电场仿真结果示意图。

图中有：金属外环谐振器1、金属内环谐振器2、金属内环馈电线3、金属外环馈电线4、五十欧姆微带线5、第一接地焊盘6、信号焊盘7、第二接地焊盘8、光刻胶9、衬底10、金属层11、金属外环光栅12、圆形金属外环13、圆形金属内环21、金属内环光栅22、第一小枝节31、第二小枝节32、第一U形相位延迟线331、第三小枝节34、第二U形相位延迟线332、第四小枝节35、第五小枝节36、第六小枝节37、内环金属馈电小圆盘38、第七小枝节41、第八小枝节42、第九小枝节43、第十小枝节44、外环金属馈电小圆盘45。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构包括金属外环谐振器1、金属内环谐振器2、金属内环馈电线3、金属外环馈电线4、五十欧姆微带线5、第一接地焊盘6、信号焊盘7、第二接地焊盘8、光刻胶9、衬底10、金属层11；其中，金属内环谐振器2位于金属外环谐振器1中，金属内环谐振器2通过金属内环馈电线3连接五十欧姆微带线5；金属外环谐振器1通过金属外环馈电线4连接五十欧姆微带线5；五十欧姆微带线5末端与信号焊盘7相连，作为信号输入端；金属外环谐振器1和金属内环谐振器2位于光刻胶9底部，且底端与光刻胶9底端平齐；金属内环馈电线3、金属外环馈电线4、五十欧姆微带线5和信号焊盘7设置在光刻胶9上部，且底端与光刻胶9上部平齐；光刻胶下部设置有衬底10，衬底下部设置有金属层11，金属层11作为覆盖整个结构背面的金属结构地，第一接地焊盘6、第二接地焊盘8穿过光刻胶9、衬底10与金属层11连接在一起。

如图2所示为该等离激元谐振结构横截面图，其中金属内环馈电线3、金属外环馈电线4、五十欧姆微带线5和信号焊盘7设置在光刻胶9上表面，金属外环谐振器1和金属内环谐振器2设置在光刻胶底部，光刻胶9设置在衬底10上表面，衬底10下部设置有金属层11。

如图3所示为金属外环谐振器1和金属内环谐振器2结构细节图，金属外环谐振器1包括圆形金属外环13和金属外环光栅12，金属外环光栅12连接在圆形金属外环13内侧边上，金属外环光栅12的内端向圆心方向延伸一段距离，沿圆形金属外环13的内圆周呈周向排列。金属内环谐振器2包括圆形金属内环21、金属内环光栅22，金属内环光栅22连接在圆形金属内环21外侧边上，金属内环光栅22的外端沿圆形金属内环21的直径方向外延伸一段距离，沿圆形金属内环21的外圆周呈周向排列。

如图4所示金属内环馈电线3由一百欧姆微带线第一小枝节31、第二小枝节32、第一U形相位延迟线331、第三小枝节34、第二U形相位延迟线332、第四小枝节35、第五小枝节36、第六小枝节37和内环金属馈电小圆盘38组成；其中，第一U形相位延迟线331和第二U形相位延迟线332的宽度与一百欧姆微带线宽度相同，金属内环馈电线3的一端通过一百欧姆微带线第一小枝节31自五十欧姆微带线5处接收一半的信号，金属内环馈电线3的另一端通过第六小枝节37连接内环金属馈电小圆盘38将能量耦合进金属内环谐振器2。所述金属外环馈电线4由顺序连接的一百欧姆微带线第七小枝节41、第八小枝节42、第九小枝节43、第十小枝节44和外环金属馈电小圆盘45组成，其中金属外环馈电线4的一端通过一百欧姆微带线第七小枝节41自五十欧姆微带线5处接收一半的信号，另一端通过外环金属馈电小圆盘45将能量耦合进外环谐振器1。金属内环馈电线3和金属外环馈电线4分别对金属内环谐振器2和外环谐振器1进行馈电输出的相位不同，U形相位延迟线的存在和一百欧姆微带线第六小枝节37、第十小枝节44长度不同，导致金属内环馈电线3中的电磁信号经过路径比金属外环馈电线4中多，导致输出相位存在差异。一百欧姆微带线小枝节第一小枝节31和第七小枝节41长度相同，第八小枝节42的长度与第二小枝节32、第三小枝节34、第四小枝节35和第一U形相位延迟线331和第二U形相位延迟线332在横向上的长度之和相同，第五小枝节36与第九小枝节43长度相同，第五小枝节36、第六小枝节37之间的夹角和第九小枝节43、第十小枝节44之间的夹角相同，保证通过内环金属馈电小圆盘38和外环金属馈电小圆盘45的信号只有相位存在差异。五十欧姆微带线5末端与信号焊盘7相连，五十欧姆微带线5末端有一段宽度通过折线渐变过渡，直到与信号焊盘7宽度相同，连接在一起，作为信号输入端。

谐振结构参数可调，且结构参数包括圆形金属外环13、圆形金属内环21的边长、环宽度，金属外环光栅12、金属内环光栅22的数量、长度、宽度、间隔，金属外环光栅12与金属内环光栅22之间的间隔以及交齿长度，通过改变这些参数，可以调节个谐振模式的频率、强度和谐振带宽。

馈电线结构参数可调，且结构参数包括一百欧姆微带线第一小枝节31、第二小枝节32、第一U形相位延迟线331、第三小枝节34、第二U形相位延迟线332、第四小枝节35、第五小枝节36、第六小枝节37、第七小枝节41、第八小枝节42、第九小枝节43、第十小枝节44的长度、宽度、角度，内环金属馈电小圆盘38和外环金属馈电小圆盘45的直径、与谐振结构的相对位置，改变这些参数，可以调节馈电线输出差分信号的频率、相位差，直接影响到涡旋波模式的发生和完整度。

连接在圆形金属外环13上的金属外环光栅12、圆形金属内环21上的金属内环光栅22可以形成等效媒质，通过金属外环馈电线4和金属内环馈电线3耦合馈电之后，在金属外环谐振器1和金属内环谐振器2上可以形成表面等离激元模式、产生表面电流，当金属外环谐振器1和金属内环谐振器2结构上表面电流的路径等于表面波波长的整数倍时，即可形成驻波，产生不同模式的谐振。

金属外环谐振器1与金属内环谐振器2相互交齿，相互耦合，当两个谐振结构谐振模式相同、谐振相位相反时，其场模式相互叠加，可以形成Q值更高的耦合谐振模式。对金属外环谐振器1和金属内环谐振器2分别施加具有一定相位差的差分信号时，可使得谐振模式发生旋转，产生杂化涡旋模式，且可产生内环谐振器与外环谐振器谐振相位相同的高阶涡旋模式，此时，内外环光栅交齿的地方形成锯齿状相反相位。

本发明谐振电路针对半导体集成电路工艺设计，结构线宽、线间距、金属面积等都符合砷化镓、磷化铟等半导体工艺设计规则。在不同的芯片工艺下，可以发挥工艺多层金属的优势，将内外环谐振器和激励馈电线设计在工艺允许内的相同或者不同金属层内，设计单层、多层激励和耦合结构，在不同工艺下实现太赫兹频段下基于人工表面等离激元的耦合涡旋模式。

如图5所示为本发明在砷化镓工艺下实现的涡旋波发生器仿真反射系数S₁₁结果示意图，九个谐振模式m1-m9分别工作在34.5GHz、51.1GHz、74.7GHz、94.3GHz、109GHz和129.6GHz、146.7GHz、158GHz和163.4GHz，其中m2、m4和m6分别为偶极子、四极子和六极子耦合涡旋波模式，m5和m7是高阶偶极子和四极子耦合涡旋波模式，m1和m3是馈电线结构自身的谐振模式，m8和m9是由于馈电线无法在该频率下输出差分信号产生的无法涡旋的八极子和十极子谐振模式。砷化镓工艺下，该基于人工表面等离激元的相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构在430um的直径下，m2模式谐振频率可以降低到51.1GHz，其波长压缩了约14倍。

如图6所示为本发明在砷化镓工艺下实现的涡旋波发生器九个谐振模式的近场电场分布图，可以清晰的观察到不同模式的不同谐振特性，尤其是可以清晰地观察到耦合偶极子涡旋波模式m2、耦合四极子涡旋波模式m4、耦合六极子涡旋波模式m6内环谐振器与外环谐振器模式相同、相位相反，内外环交齿处出现锯齿状相位分布，呈现出耦合涡旋波特性；高阶耦合偶极子涡旋模式m5、高阶耦合四极子涡旋模式m7内外环谐振器谐振模式相同、相位相同，但内外环交齿处出现锯齿状与内外环相反相位分布；非涡旋波模式m8和m9位耦合八极子和十极子谐振模式，由于差分信号不合格导致m8和m9未出现涡旋现象。其中涡旋波模式为m2、m4、m5、m6和m7，输入信号相位发生变化时，谐振模式相位围绕圆心发生旋转，使得相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构的性质得到了完整的体现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于：该谐振结构包括金属外环谐振器（1）、金属内环谐振器（2）、金属内环馈电线（3）、金属外环馈电线（4）、五十欧姆微带线（5）、信号焊盘（7）、第一接地焊盘（6）和第二接地焊盘（8）、光刻胶（9）、衬底（10）和金属层（11）；其中，金属内环谐振器（2）位于金属外环谐振器（1）中，金属内环谐振器（2）通过金属内环馈电线（3）连接五十欧姆微带线（5）；金属外环谐振器（1）通过金属外环馈电线（4）连接五十欧姆微带线（5）；五十欧姆微带线（5）末端与信号焊盘（7）相连，作为信号输入端；在层面设置上，金属外环谐振器（1）和金属内环谐振器（2）位于光刻胶（9）底面，且金属外环谐振器（1）和金属内环谐振器（2）的底面与光刻胶（9）底面平齐；金属内环馈电线（3）、金属外环馈电线（4）、五十欧姆微带线（5）、信号焊盘（7）、第一接地焊盘（6）和第二接地焊盘（8）设置在光刻胶（9）上面，且金属内环馈电线（3）、金属外环馈电线（4）、五十欧姆微带线（5）和信号焊盘（7）的底面与光刻胶（9）上面平齐；光刻胶（9）下面设置有衬底（10），衬底（10）下部设置有金属层（11），金属层（11）作为覆盖整个结构背面的金属结构地，第一接地焊盘（6）和第二接地焊盘（8）穿过光刻胶（9）、衬底（10）与金属层（11）连接在一起；

所述金属内环馈电线（3）和金属外环馈电线（4）分别对金属内环谐振器（2）和金属外环谐振器（1）进行馈电输出的相位不同；

所述的金属外环谐振器（1）包括圆形金属外环（13）和金属外环光栅（12），金属外环光栅（12）连接在圆形金属外环（13）内侧边上，金属外环光栅（12）的内端向圆心方向延伸一段距离，沿圆形金属外环（13）的内圆周呈周向排列；

所述的金属内环谐振器（2）包括圆形金属内环（21）、金属内环光栅（22），金属内环光栅（22）连接在圆形金属内环（21）外侧边上，金属内环光栅（22）的外端沿圆形金属内环（21）的直径方向外延伸一段距离，沿圆形金属内环（21）的外圆周呈周向排列；

所述金属内环谐振器（2）位于金属外环谐振器（1）中，金属外环光栅（12）与金属内环光栅 （22）相互交错设置，由此形成耦合谐振器结构。

2.如权利要求1所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述圆形金属外环（13）、圆形金属内环（21），通过缩小其二者的直径，使得谐振频率增加；缩小圆形金属外环（13）与圆形金属内环（21）直径的差值，能增大谐振强度与谐振Q值。

3.如权利要求2所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述圆形金属外环（13）与圆形金属内环（21）的周长、金属外环光栅（12）和金属内环光栅（22）的个数、长度、宽度、光栅间隔可调；改变所述的个数、长度、宽度、光栅间隔参数，能调节各个谐振模式的频点、强度和谐振品质因数。

4.如权利要求1所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述金属内环馈电线（3）由顺序连接的一百欧姆微带线第一小枝节（31）、第二小枝节（32）、第一U形相位延迟线（331）、第三小枝节（34）、第二U形相位延迟线（332）、第四小枝节（35）、第五小枝节（36）、第六小枝节（37）和内环金属馈电小圆盘（38）组成；其中，第一U形相位延迟线（331）和第二U形相位延迟线（332）的宽度与一百欧姆微带线宽度相同，金属内环馈电线（3）的一端通过一百欧姆微带线第一小枝节（31）自五十欧姆微带线（5）处接收一半的信号，金属内环馈电线（3）的另一端通过第六小枝节（37）连接内环金属馈电小圆盘（38）将能量耦合进金属内环谐振器（2）。

5.如权利要求1所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述金属外环馈电线（4）由顺序连接的一百欧姆微带线第七小枝节（41）、第八小枝节（42）、第九小枝节（43）、第十小枝节（44）和外环金属馈电小圆盘（45）组成，其中金属外环馈电线（4）的一端通过一百欧姆微带线第七小枝节（41）自五十欧姆微带线（5）处接收一半的信号，另一端通过外环金属馈电小圆盘（45）将能量耦合进金属外环谐振器（1）。

6.如权利要求1所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述金属内环馈电线（3）的长度大于金属外环馈电线（4）长度，金属内环馈电线（3）中的电磁信号经过路径比金属外环馈电线（4）长，导致输出相位存在差异。

7.如权利要求4或5所述的一种相移双分激励的耦合型局域人工表面等离激元谐振结构，其特征在于所述一百欧姆微带线第一小枝节（31）和第七小枝节（41）长度相同，第八小枝节（42）的长度与第二小枝节（32）、第三小枝节（34）、第四小枝节（35）、第一U形相位延迟线（331）和第二U形相位延迟线（332）在横向上的长度之和相同，第五小枝节（36）与第九小枝节（43）长度相同，第五小枝节（36）与第六小枝节（37）之间的夹角与第九小枝节（43）与第十小枝节（44）之间的夹角相同，保证通过内环金属馈电小圆盘（38）和外环金属馈电小圆盘（45）的信号只有相位存在差异。

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