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Chip发表长篇综述论文:硅等离子体太赫兹超材料器件

2023/1/16 16:02:02  阅读:152 发布者:

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Chip发表长篇综述论文:硅等离子体太赫兹超材料器件

近日,南方科技大学余浩和东南大学崔铁军院士团队以「Terahertz metadevices for silicon plasmonics」为题在Chip上发表长篇综述论文,全面深入地回顾和总结了近年来用于硅等离子体的太赫兹超材料器件领域的发展。

文章首先介绍了一种用于未来高速服务器互联的等离子体I/O Plasmonic I/O)通信系统。该系统同时将表面等离子体基元(Spoof Surface Plasmon PolaritonsSSPP)和开环谐振器(Split-Ring ResonatorSRR)集成于片上,并在140 GHz(亚)太赫兹频段进行多信道等离子数据传输。该收发机是首次将多种超材料与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide SemiconductorCMOS)电路同时集成于硅片上,并进行串扰抑制的多通道通断键控(On-Off KeyingOOK)通信系统。系统架构如图1所示,该系统由多双信道并行组成,每个信道之间数据通信相对独立。发射机(TransmitterTX)由多个基于SRR幅度调制器和一个信号源组成。TX同时包括一个等离子体的辐射超表面。信号源由四个振荡器耦合并做功率合成,合成后的信号直接驱动多个幅度调制器。接收机(Receiver, RX)由变压器、下变频混频器和基带放大器构成。相比于传统的I/O,例如基带电传输系统,该系统拥有更小的功耗和延迟,以及低串扰的特点。相比于光通信系统,该系统全集成于片上且无需额外的光器件和封装,适用于更多场景并且造价更低。最近研究表明,当合理布局SSPP的设计尺寸时,多通道等离子体I/O能实现1 Gbps μm⁻¹的信道密度²。

此外,由于信道间串扰被表面波传输线显著抑制,单通道等离子体I/O的通信速率可达300 Gbps,展现出相比于任何传统通信方式在功耗、速率、面积、延迟和集成度上的优势。该等离子体I/O有潜力成为未来多信道高速太赫兹通信的主流架构之一。

鉴于超材料对于太赫兹I/O系统性能提升的帮助,本文接下来回顾了SSPPSRR两种超材料在硅基芯片上的发展史和它们在毫米波/太赫兹频段的最新应用。文章介绍了当今超高频段、高速数据通信的发展,并指出硅基全集成芯片在通信领域的瓶颈,例如功耗、信道串扰、发射功率、调制开关比等。

随后,文章指出上述难题有可能被集成超材料解决。集成超材料为目前最前沿的研究方向之一,其在毫米波/太赫兹波段独有的物理特性受到广泛关注。然而,目前的科研方向主要集中在独立超材料的设计问题,而鲜有文章讨论超材料与电路的集成以及这种集成对高速通信带来的优势。此文详细介绍了这两种超材料与电路集成的最新进展,并展示等离子体 I/O的性能优势。

文章介绍了SSPP的物理模型,并给出了相应的数学基础,对SSPP的色散曲线,场束缚的能力进行讨论。随后,文章介绍了近十年SSPP在毫米波/太赫兹频段的运用,还重点介绍了余浩团队近几年在SSPP片上传输线的研究成果²⁻⁴。其中,先介绍了一对紧密放置的并在片上集成的SSPP传输线²,金属间距仅为2.4 ���m。受益于SSPP传输线的场束缚特性,与传统片上传输线相比,当通信距离为2毫米时,所设计的SSPP传输线将信道串扰抑制了19 dB (接近100倍)。由此也导致损耗的降低。其次,文章讲述了从传统波导渐变为SSPP传输线的模式转换结构⁴。由图2所示,该结构由渐变的凹槽结构组成,旨在进行动量和阻抗转换。当没有该转换结构时,SSPP传输的反射系数在多个频段大于−5 dB。当使用该转换结构时,反射系数可以降低到−8 dB以下。由此,整体传输损耗也得以降低。

作为另外一种重要的超材料结构,SRR的片内设计/集成也在文中被详细介绍。其在太赫兹波段展现的高品质因子很适合多种片上设计场景,例如振荡器、调制器、信号源等。文章首先回顾了近10SRR超材料在太赫兹领域的运用,及其实现的优异性能,随后对余浩团队近几年在该领域的成果进行概括。例如,基于SRR结构的幅度调制器⁵,该调制器灵活运用了SRR超材料的特性,具有超高的品质因子,较小的面积以及无静态功耗。与单层SRR相比,在CMOS上堆叠多层SRR可以提升整个SRR谐振器的品质因子。当SRR调制器上的开关断开时,信号被全部反射;当SRR调制器上的开关导通时,信号以低插损通过SRR谐振器,由此实现幅度调制。所测试得到的品质因子高达83,幅度调制开关比为40 dB。与其他在CMOS工艺上集成的无源调制器相比,此设计实现了最高的开关比并占用最小的面积。此外,该设计不消耗静态支流功耗,与传统有源幅度调制器相比能极大降低系统功耗。

出版信息

标题:

Terahertz metadevices for silicon plasmonics

出版信息:

Chip12 December 2022

DOI:

10.1016/j.chip.2022.100030

 

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Chip发表复旦大学熊诗圣、肖晓团队最新研究成果:用于侵入式神经信号记录的多层柔性流苏探针

近日,复旦大学熊诗圣团队和肖晓团队发表了新论文,本文被遴选为本期(2022年秋季刊)封面文章和本期Chip官网Featured in Chip专栏编辑特选文章。

研究团队制备了一种多层柔性流苏神经探针,该探针由低成本、可快速迭代的激光直写光刻工艺制备而成,显著提高了设计和制造的灵活性,而且多层的结构使得探针可以于纵深方向上排布更多的记录位点,在不增大植入体积的情况下记录到更广范围内的神经信号。结合封装工艺和模拟前端信号处理电路,研究团队成功将探针用于小鼠的内侧前额叶皮层的单神经元放电信号的记录之中,展示了探针的实用性。

柔性神经探针由于能够降低植入时的脑组织损伤,有效减小电极与组织界面的微运动而成为目前的研究热点²⁻³,而在众多柔性探针与对应的辅助植入方案之中,流苏型的探针结构设计搭配聚乙二醇(PEG)增强可以在保持尽可能小植入创面的同时,避免额外装置的引入,减少整体工作的复杂程度⁴⁻⁵。

研究团队提出了一种利用低成本无掩模激光直写光刻工艺制造多层柔性流苏型神经探针的方法,并结合简单的组装模式来制备整个植入系统。该探针有32个记录电极,分布在16个相互分立的电极细丝上,纵向上排列成两排,用于记录不同深度的神经元放电信号,单个电极记录位点的面积约为8 × 8平方微米。材料方面,使用聚酰亚胺作为探针的基底与绝缘层,金作为导电层,并且采用了简单的电镀金方式来进一步减小电极阻抗,电镀后记录位点在1000 Hz的测试频率下的平均阻抗约为0.27 MΩ。探针的主体结构制备完成后,使用PEG浸涂的方式增强机械性能,此时探针的16根分立电极细丝聚拢成一束,植入体的总直径小于50 μm,机械性能测试也证明其具有植入脑组织所需的刚度。探针通过wire-bonding的方式与定制的PCB/FPC相连,接入后端的信号处理模块。最终植入系统被用于小鼠的内侧前额叶皮层的单神经元放电信号的记录。

研究团队在多层柔性神经探针的基础上设计并制造了配套的无线闭环光遗传电路模块,该模块集信号预处理、数据无线传输、基于光纤的光遗传刺激控制等功能于一体,在未来将用于光遗传等领域的研究。

出版信息

标题:

A tassel-type multilayer flexible probe for invasive neural recording

出版信息:

Chip20 September 2022

DOI:

10.1016/j.chip.2022.100024

转自:“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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