一種帶有表面波互聯(lián)和表面波調(diào)制器的節(jié)能低串?dāng)_cmos太赫茲i/o的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種帶有表面波互聯(lián)和表面波調(diào)制器的節(jié)能低串?dāng)_CMOS太赫茲I/O，包括太赫茲表面波無源器件即包含傳輸線，調(diào)制器以及耦合器和基于表面波無源器件的太赫茲片上表面波收發(fā)系統(tǒng)。傳輸線的傳輸基本模式為表面等離子體激元(SPP)，結(jié)構(gòu)上包括一條薄層金屬線條和一系列周期性的凸起陣列。因此，這種束縛于表面的電磁波將局域在傳輸線的周期性凸起結(jié)構(gòu)上并進(jìn)行傳播。由于具備場局域特性，當(dāng)把兩條表面波傳輸線背靠背擺放時(shí)，信道之間的串?dāng)_將會降低。所述調(diào)制器是由一個(gè)雙層split?ring?resonator(SRR)結(jié)構(gòu)變化而來。結(jié)構(gòu)中采用MOS晶體管作為開關(guān)，連接到SRR單元結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)上。該無源型表面波調(diào)制器不消耗靜態(tài)直流功耗。本方案具有高速率傳輸及低功耗的特點(diǎn)。
【專利說明】
一種帶有表面波互聯(lián)和表面波調(diào)制器的節(jié)能低串?dāng)_CMOS太赫茲丨/0
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有表面波互聯(lián)和表面波調(diào)制器的節(jié)能低串?dāng)_CMOS太赫茲I/O。
【背景技術(shù)】
[0002]未來的高性能計(jì)算機(jī)需要在微處理器和內(nèi)存之間做寬帶高速通信。為了實(shí)現(xiàn)帶有1000內(nèi)核的片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)，該片上I/O需要提供超寬帶以支持低功耗(〈lpj/bit/mm)的超高速率通信OlOGbps )。
[0003]RF-互聯(lián)(RF-1nterconnect)是一種實(shí)現(xiàn)上述片上通信的辦法。該方法擁有低延時(shí)和高帶寬的特點(diǎn)(M.C-.F.Chang.，et al，“CMP network-on-chip overlaid with mult1-band RF-1nterconnect”，IEEE 14th Int.Symp.0n High Performance ComputerArchitecture(HPCA)，pp.191-202,2008.)。與傳統(tǒng)在基帶上傳輸電壓信號(Y.Liu,P.Hsieh,S.Kim,J.Seo,R.Montoye,L.Chang,J.Tierno,and D.Friedman,uA 0.lpj/b 5-lOGb/s Charge-Recycling Stacked Low-Power 1/0 for On-Chip Signaling in 45-nmCMOS SOI /' IEEE Internat1nal Solid-State Circuits Conference(ISSCC),pp.400-401 ,February 2013.)的方式不同，RF-1本質(zhì)上是在傳輸線上傳輸電磁波?！?”和“I”信號可以通過簡單的ASK調(diào)制方式區(qū)別出來。與光波段的片上光互聯(lián)1/0通信相比，RF-1上的所有模塊可以全集成在CMOS芯片上，并且當(dāng)前的載波頻率可以支持到毫米波波段及太赫茲波段(Y.Shang,et.al.,127-140GHz Inject1n-locked Signal Source with 3.5mff PeakOutput Power by Zero-phase Coupled Oscillator Network in 65nm CM0S，〃IEEECICC，Sep2014.)。與片上基帶通信相比，最近提出的多通道RF-1擁有更寬的帶寬利用率(B.Kim,et al.，“A 1-Gb/s compact 1w-power serial 1/0 with DFE-1 IRequalizat1n in 65_nm CM0S，，，IEEE J.Solid-State Circuits,vol.44,n0.12,pp.3526-3538,Dec.2009.)。然而，在設(shè)計(jì)RF-1時(shí)用CMOS BEOL來設(shè)計(jì)的片上傳輸線通常具有微細(xì)間距并且是是較窄的薄層，從而導(dǎo)致在高頻下較高的信道插損以及信道間較強(qiáng)的電磁場串?dāng)_。同時(shí)，為了在實(shí)現(xiàn)高速率傳輸?shù)耐瑫r(shí)還能保證較低的誤碼率(BER)，片上太赫茲通信的傳輸速率會由于高頻段片上調(diào)制器的低消光率(或開/關(guān)比)而被進(jìn)一步限制。
[0004]目前，與本方案類似的技術(shù)有基于RF-1nterconnect(RF-1)的毫米波波段(60GHz)I/O收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)。相比于基帶1/0通信方案，該方案有以下特點(diǎn):I)通信效率更高，電路設(shè)計(jì)簡單;2)具有低延時(shí)，可重置，多向傳輸特性;3)相比于基帶傳輸，RF-1對互聯(lián)的帶寬有更高的利用率。
[0005]然而，傳統(tǒng)RF-1nterconnect方案的毫米波波段收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)也存在以下缺點(diǎn):I)片上傳統(tǒng)傳輸線在高頻段損耗大，傳輸距離小;3)所采用的調(diào)制器(Push Pull Driver)消耗直流功耗;3)傳統(tǒng)片上傳輸線串?dāng)_較高;4)該調(diào)制器在太赫茲波段損耗大，開關(guān)率低;5)基于傳輸線的λ/4耦合器在高頻段偶和效率低。
[0006]此外，RF-1I/O可以采用頻分多址的方式以多載波方式進(jìn)行通信，進(jìn)一步提高信道總帶寬。但由于在毫米波或更高頻段片上密集互連線之間存在強(qiáng)串?dāng)_現(xiàn)象，該通信方式對效率和速率的提升有所限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了實(shí)現(xiàn)超高速、全集成化化同時(shí)又具有高信息吞吐量、低誤碼率的用于微處理器到內(nèi)存之間有線通信，本發(fā)明提出了一種基于表面波傳輸機(jī)制的太赫茲(THz)片上表面波1收發(fā)系統(tǒng)。通過利用表面波傳輸模式的高電場束縛效果，可以抑制太赫茲波段常見的臨近效應(yīng)和輻射效應(yīng)從而降低電磁波傳輸損耗，而采用可大量生產(chǎn)的完全兼容的CMOS表面等離子體收發(fā)系統(tǒng)，增加通信距離，速度的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗。通過采用基于表面波傳輸?shù)奶掌澥瞻l(fā)器件(包括傳輸線，調(diào)制器以及耦合器)，可以降低電磁波傳播的損耗。同時(shí)，相對于現(xiàn)有的如背板通信或者RF-1nterconnect的收發(fā)系統(tǒng)，工作在太赫茲波段的表面波收發(fā)系統(tǒng)不需要鎖相環(huán)以及時(shí)鐘恢復(fù)電路，同時(shí)擁有更大的通信帶寬，因此降低了系統(tǒng)功耗及面積，并且可以提高數(shù)據(jù)的吞吐量和傳輸速度。
[0008]本發(fā)明的內(nèi)容可分為兩部分:(I)太赫茲表面波無源器件，包括傳輸線，調(diào)制器以及耦合器；(2)基于表面波無源器件的太赫茲片上表面波收發(fā)系統(tǒng)。
[0009]基于表面波傳輸?shù)奶掌澠蠠o源器件，包括:表面波傳輸線，基于split-ring-resonatoHSRR)的表面波調(diào)制器，以及表面波耦合器。表面波傳輸線作為信道與表面波耦合器的頂層銅金屬相連，而表面波耦合器的另一端與表面波調(diào)制器相連。其中表面波耦合器包含親合器本身以及表面波傳輸線，當(dāng)表面波在傳輸線上傳播時(shí)，親合器以表面波的形式將電磁波從某一層傳輸線耦合到另一層表面波傳輸線上。
[0010]該表面波傳輸線采用65納米CMOS工藝研制。采用最上層銅層金屬OI(金屬厚度為
3.3微米)作為金屬層，如圖2(a)所示，為周期性的梳妝結(jié)構(gòu)。基于該梳妝結(jié)構(gòu)的場局域特性，在該傳輸線上傳播的電磁波以表面波形式存在，并且電場會束縛在周期性的突起當(dāng)中，從而降低電磁波傳輸?shù)妮椛鋼p耗。該傳輸線的周期間距d選為15μπι，遠(yuǎn)小于工作波長(λ?2mm)，而主線寬w為5μπι。該尺寸選取適用于頻率大于10GHz的應(yīng)用。
[0011]所述的表面波傳輸線以及表面波耦合器的地平面可以由底層銅金屬M(fèi)l構(gòu)成。受限于廠家設(shè)計(jì)規(guī)則，該地平面需要做成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并且滿足設(shè)計(jì)規(guī)則需要的金屬密度要求。
[0012]本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)用于太赫茲片上通信的無源型表面波調(diào)制器。為了在太赫茲波段設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)緊湊的調(diào)制器，本發(fā)明提出一個(gè)基于兩層split-ring-resonator(SRR)的諧振器結(jié)構(gòu)(Y.Shang，et al，“High-sensitivity CMOS Super-regenerative Receiverwith Quench—controlled High-Q Metamaterial Resonator for Mi11imeter-waveImaging at 96and 135GHz”，IEEE Trans.Microw.Theory Techn,vol.62,n0.12,pp.3095-3106,Dec 2014.)，如圖4所示。SRR的單元結(jié)構(gòu)使用兩層頂層銅金屬(01和EA)，而四個(gè)MOS開關(guān)連接到兩個(gè)SRR單元的內(nèi)環(huán)開口處。MOS開關(guān)的柵極由高速數(shù)字信號調(diào)制。通過配置MOS晶體管的開關(guān)狀態(tài)，SRR的磁諧振頻率將會隨著開關(guān)的狀態(tài)而進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這樣即可實(shí)現(xiàn)載波信號的調(diào)制。
[0013]圖4給出了在65納米CMOS工藝下表面波SRR調(diào)制器在開狀態(tài)下的插損仿真結(jié)果以及在關(guān)狀態(tài)下的隔離度。該調(diào)制器的面積為40μπιΧ67μπι。該調(diào)制器的設(shè)計(jì)使用了最頂層的銅金屬OI和EA，分別有3.3μπι和1.2μπι。采用厚金屬能顯著提高SRR調(diào)制器的品質(zhì)因數(shù)。仿真結(jié)果如圖4所示。可見，該表面波SRR調(diào)制器在開狀態(tài)下的插損為5dB，而在關(guān)狀態(tài)下最大的隔離度為28dB，位于149GHz。在該頻率下可得到23dB的消光率。在太赫茲波段該數(shù)值難以由基于MOS晶體管開關(guān)調(diào)制器得到。太赫茲調(diào)制器的帶寬可以定義為當(dāng)消光率幅值大于13dB所覆蓋的頻率范圍(S.Hu,Y.-Z.X1ng,B.Zhang,L.Wang,T.-G.Lim,M.Je,and M.Madihian,“A SiGe BiCMOS transmitter/receiver chipset with on-chip SIff antennas forTerahertz applicat1ns，，，IEEE J.Sol id-State Circuits , vol.47 ,n0.11 ,pp.2654-2664,2012.)0
[0014]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的太赫茲表面波耦合器采用最頂層的金屬01和LB設(shè)計(jì)，如圖3(b)所示。圖3(c)給出了在太赫茲波段該表面波耦合器以及傳統(tǒng)傳輸線耦合器(均為雙信道)的仿真耦合系數(shù)的比較?？梢缘玫疆?dāng)各個(gè)端口均滿足阻抗匹配時(shí)，表面波耦合器在140GHz獲得比傳統(tǒng)傳輸線耦合器3dB或更高的耦合系數(shù)。
[0015]140GHz表面波1/0發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu):在太赫茲波段，表面波轉(zhuǎn)TEM波(或者TEM波轉(zhuǎn)換表面波)的轉(zhuǎn)換器可在標(biāo)準(zhǔn)65納米CMOS工藝下設(shè)計(jì)并擁有更加小的尺寸。注意到所設(shè)計(jì)的太赫茲互聯(lián)或者太赫茲調(diào)制器均可方便地與轉(zhuǎn)換器連接然后與其他的片上模塊，例如太赫茲源相連接。因此，該表面波雙向通信1/0收發(fā)機(jī)采用65納米CMOS工藝研制，工作頻率為140GHz。在該設(shè)計(jì)中，多信道由表面波互連線構(gòu)成，線長為20mm，信道間距為2.4μπι。該間距是65nm CMOS工藝所能提供的最小的頂層金屬間距。在140GHz，給定15 %的相對帶寬(將近20GHz)，若解調(diào)器(下變頻器)的輸入噪聲指數(shù)為10dB，而接收器輸入端的巴倫(單端轉(zhuǎn)雙端)有3dB插損，由鏈路分析可得收發(fā)機(jī)端所能檢測到的最低輸入信號功率為-30dBm。則對于實(shí)現(xiàn)小于的誤碼率該太赫茲1/0有超過17dB的噪聲裕度。圖5具體給出了在65nm CMOS工藝下的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。其中發(fā)射機(jī)包括一個(gè)70GHz本地基頻振蕩器，一個(gè)push-push頻率倍乘器，一個(gè)振蕩器緩沖級以及太赫茲調(diào)制器。
[0016]基于太赫茲表面波的收發(fā)系統(tǒng)的信號傳輸工作可分為三個(gè)步驟:首先需要在片上生成140GHz的信號源。該信號源作為提供發(fā)射機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的載波，并與表面波調(diào)制器相連。該載波不間斷地給調(diào)制器輸出信號，而調(diào)制器根據(jù)輸入數(shù)據(jù)是O或I來判斷輸出幅值。例如，若數(shù)據(jù)為I則調(diào)制器輸出為原載波信號，若數(shù)據(jù)為O則輸出為0V。為了使得信號源的輸出頻率與調(diào)制器最優(yōu)工作點(diǎn)匹配，信號源的頻率必須連續(xù)可調(diào)。表面波1/0工作的第二階段是將數(shù)據(jù)送給信道。該階段需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器將信號源產(chǎn)生的TEM波轉(zhuǎn)換成表面波，而該轉(zhuǎn)換器可以通過逐漸地增加周期性梳妝凸起的深度來獲得。隨后TEM波將轉(zhuǎn)成表面波并送給調(diào)制器發(fā)射信號。表面波1/0的第三個(gè)工作階段是信號的接收。表面波通過表面波傳輸線信道傳送到接收端之后，亦需要通過轉(zhuǎn)換器將表面波轉(zhuǎn)換成TEM波供后續(xù)模塊進(jìn)行信號處理，轉(zhuǎn)換的方法可以是逐漸降低周期性梳妝突起深度來獲得。轉(zhuǎn)換完畢之后，TEM模式仍然保留著輸出端信號幅值的信息，因此可以通過下混頻動作將載波信號濾除并隨后通過基帶放大器轉(zhuǎn)換成全擺幅的二進(jìn)制信號輸出。
[0017]表面波傳輸線的設(shè)計(jì)如下:
[0018]I)確定載波頻率后，由色散關(guān)系計(jì)算周期性梳妝凸起結(jié)構(gòu)深度。
[0019]2)主線寬的寬度選取為當(dāng)突起深度為O的時(shí)候在載波頻率下傳輸線能匹配到50歐姆阻抗時(shí)所需要的線寬。
[0020]3)通常梳妝結(jié)構(gòu)的間距為工藝所允許的最小金屬間距。
[0021]4)如果最頂層鋁層金屬較薄(例如遠(yuǎn)小于銅金屬的厚度)，則采用最上層的銅金屬布線。
[0022]5)當(dāng)需要將多根表面波傳輸線并排放置時(shí)，金屬面對面的部分不需要設(shè)計(jì)梳妝結(jié)構(gòu)，因此是單邊的梳妝結(jié)構(gòu)。
[0023]6)考慮TEM波向表面波轉(zhuǎn)換(反之亦然)，周期性的梳妝結(jié)構(gòu)的深度只需要緩慢增加(減小)。
[0024]7)表面波傳輸線的仿真可以在電磁仿真軟件例如HFSS中實(shí)現(xiàn)，隨后其整體Layout由gds文件導(dǎo)出并與其他片上器件集成。
[0025]基于太赫茲表面波收發(fā)機(jī)的信號處理過程如下:
[0026]I)上電初始化發(fā)射機(jī)使得振蕩器工作并觀測輸出頻率；
[0027]2)通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容上的電壓調(diào)整振蕩器輸出頻率使其落入表面波調(diào)制器的工作范圍。
[0028]3)將數(shù)據(jù)(25Gb/s)送入芯片中發(fā)送。
[0029]4)將表面波數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)換成TEM模式。
[0030]5)將TEM模式的高頻波下變頻成基帶信號。
[0031 ] 6)將基帶信號通過幾級緩沖放大器放大到全擺幅(例如:0到1.2V)。
[0032]其中，振蕩器的調(diào)節(jié)過程如下:
[0033]I)將電源電壓從OV緩慢增加至1.2V，用頻譜儀觀察振蕩器的輸出頻率。
[0034]2)用頻譜儀獲得開和關(guān)狀態(tài)下表面波調(diào)制器的S參數(shù)。
[0035]3)計(jì)算表面波調(diào)制器開和關(guān)狀態(tài)下S21的差值。確定或取最大值時(shí)候的頻率。
[0036]4)通過調(diào)整振蕩器的壓控電壓將其工作頻率調(diào)到上述的差值最大處(粗調(diào))。
[0037]5)將高速數(shù)據(jù)送入芯片，用示波器或JBERT觀察發(fā)射端眼圖，細(xì)調(diào)振蕩器的壓控電壓直到眼圖最好。
[0038]由于工作在高頻段，各個(gè)模塊之間需要做合適的阻抗匹配。通常表面波傳輸線的經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后輸入輸出阻抗為50歐姆，因此發(fā)射機(jī)的發(fā)射端和接收機(jī)的輸入端也需要匹配到50歐姆而防止阻抗適配。
[0039]有益效果
[0040]使用非相干調(diào)制的主要優(yōu)勢在于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單因?yàn)椴恍枰l率綜合器，因此可以顯著降低系統(tǒng)的功耗。圖5(a)給出了不同調(diào)制方式的誤碼率(BER)與信噪比(SNR)的關(guān)系。相比之下，盡管其他的相干調(diào)制方式，如BPSK僅僅需要14dB的信噪比來實(shí)現(xiàn)同樣的誤碼率，其需要復(fù)雜的并且高功耗的太赫茲波段低相噪頻率綜合器。
[0041]與文獻(xiàn)(B.Kim，etal.，“A 1-Gb/s compact I ow-power serial I/O with DFE-1IR equalizat1n in 65-nm CMOS IEEE J.Solid-State Circuits,vol.44 ,n0.12 ,pp.3526-3538,Dec.2009.)相比，所提出的表面波1/0有1dB或更低的信道間串?dāng)_，因而導(dǎo)致超過196%的效率提升。此外，在沒有時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的情況下，僅通過DFE方式進(jìn)行均衡的方法很難支持超過20Gbps的數(shù)據(jù)率(M.H.Nazari and A.Emam1-Neyestanak, uA 15-Gb/s0.5-mff/Gbps two-tap DFE receiver with far-end crosstalk cancellat1n,”IEEE J.Solid-State Circuits，vol.47，n0.10，pp.2420-2432，0ct.2012)。注意到，所提出的收發(fā)機(jī)總功耗僅為8mW，比其他的RF-1功耗要低(G.Byun，Y.Kim，J.Kim，S.W.Tam，and M.-C F.Chang,uAn energy efficient and high-speed mobile memory I/O interfaceusing simultaneous b1-direct1nal dual(base+RF)-band signaling,，，IEEE J.Solid-State Circuits ,vol.47,n0.1 ,pp.1-14, Jan.2012)。同時(shí)還注意到該表面波I/O的效率仍高于光互耳關(guān)(I.A.Young et al.，“Optical I/O technology for tera-scalecomputing,，，IEEE J.Solid-State Circuits,vol.45,n0.1,pp.235-248,Jan.2010)。
【附圖說明】
[0042]圖1本專利提出的雙向多通道片上太赫茲1/0收發(fā)機(jī)，包括:140GHz信號源，基于雙層SRR結(jié)構(gòu)的表面波調(diào)制器，表面波互聯(lián)(包括表面波傳輸線以及表面波耦合器)，自混頻下變頻器，以及多級基帶放大器。
[0043]圖2.(a)所提出的表面波傳輸線以及表面波耦合器，以及傳統(tǒng)傳輸線在CMOS高損襯底環(huán)境下的版圖示意圖以及電場分布圖。參數(shù)d，h，a，w分別代表表面波傳輸線的周期間距，凸起深度，凸起寬度和主線寬。表面波傳輸線的磁場方向指向X方向而電場位于yz平面并由周期性凸起導(dǎo)向于磁場垂直的方向。(b)仿真得到的表面波傳輸線在xy平面上的電場強(qiáng)度分布，參數(shù)設(shè)置如下:d = 12ym，a = 2.4ym，h = 12ym以及w = 5ym，(c)周期性凸起結(jié)構(gòu)剖面上的電場強(qiáng)度分布。
[0044]圖3.(a)65納米CMOS工藝下雙信道表面波傳輸線以及雙信道傳統(tǒng)傳輸線(信道間距均為2.4μπι)的仿真S參數(shù):其中S41為信道間串?dāng)_而S21為信道插損，(b)表面波傳輸線在xy平面的仿真電場分布，參數(shù)如下:d= 12ym，a = 2.4ym，h = 12μηι以及w = 5ym, (c)周期性凸起結(jié)構(gòu)剖面的電場強(qiáng)度分布(d和e)表面波傳輸線在不同尺寸下的傳播長度:(d)不同的凸起深度h = 6ym，9ym和12μηι，，以及(e)不同的主線寬w = 2ym和5μηι。
[0045]圖4.所提出的從無源SRR結(jié)構(gòu)演變而來的表面波調(diào)制器:四個(gè)MOS開關(guān)同時(shí)連接到兩個(gè)內(nèi)環(huán)的開口處并實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能，MOS管的輸入柵極由高速數(shù)字信號調(diào)制;表面波調(diào)制器等效的開/關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的3D圖，以及開狀態(tài)下的插損和關(guān)狀態(tài)下的隔離度及所導(dǎo)致的消光率。
[0046]圖5.(a)各調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)小于10-12誤碼率所需要的信噪比，(b)采用ASK調(diào)制的發(fā)射機(jī)各組件的視域仿真波形，以及(C)接收機(jī)結(jié)構(gòu)以及仿真的時(shí)域波形圖。
[0047]圖6仿真的眼圖(a)采用表面波組件(單信道)1/0在25Gbps通信速率下的眼圖，(b)采用傳統(tǒng)傳輸線組件(單信道)1/0在25Gbps通信速率下的眼圖，(c)采用表面波組件(雙信道)1/0在20Gbps通信速率下的眼圖，(d)采用傳統(tǒng)傳輸線組件(雙信道)1/0在20Gbps通信速率下的眼圖，(e)采用表面波組件(雙信道)1/0在25Gbps通信速率下的眼圖，(f)采用傳統(tǒng)傳輸線組件(雙信道)1/0在25Gbps通信速率下的眼圖，(g)采用表面波組件(雙信道)1/0在25Gbps通信速率下解調(diào)數(shù)據(jù)的波形，(h)采用傳統(tǒng)傳輸線組件(雙信道)1/0在25Gbps通信速率下解調(diào)數(shù)據(jù)的波形。垂直精度:20mV/div;水平精度:2ps/div0
【具體實(shí)施方式】
[0048]基于表面等離子體的單片太赫茲有線通信集成電路，包括表面波傳輸線，表面波耦合器，表面波調(diào)制器，太赫茲震蕩源，以及收發(fā)機(jī)，如圖1所示。由于太赫茲表面波調(diào)制器的工作區(qū)域存在最優(yōu)值，也即是消光率最高的區(qū)域，表面波震蕩源的工作頻率需要連續(xù)可調(diào)從而保證輸出的載波頻率可以落在表面波調(diào)制器的最優(yōu)工作區(qū)域內(nèi)。這可以通過在太赫茲震蕩源內(nèi)增加電容陣列，陣列內(nèi)的電容數(shù)量依次遞增，從而可以人工控制振蕩器輸出的頻帶，并且設(shè)計(jì)一個(gè)變?nèi)荻O管并聯(lián)在震蕩器的輸出端，通過調(diào)節(jié)變?nèi)莨軆啥说碾妷簛韺?shí)現(xiàn)輸出頻率的連續(xù)可調(diào)。
[0049]本發(fā)明基于表面等離子體的太赫茲有線通信全集成收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，分為以下三個(gè)工作步驟:振蕩器上電，數(shù)據(jù)發(fā)射以及數(shù)據(jù)接收。振蕩器上電工作過程如前所述。載波頻率確定后，數(shù)據(jù)經(jīng)過3-4級緩沖器后形成全擺幅的數(shù)字信號驅(qū)動太赫茲調(diào)制器，使其根據(jù)數(shù)據(jù)的值從而輸出不同的波形。此過程近似于上變頻，因此輸出信號包含太赫茲分量。隨后太赫茲波通過太赫茲傳輸線傳輸?shù)捷斎攵?，?jīng)過親合器之后將電磁波親合到輸入段的表面波傳輸線上，在經(jīng)過自混頻的混頻器把太赫茲分量濾除掉，從而留下數(shù)字信息。該數(shù)字信息通過幾級基帶放大器后形成全擺幅的數(shù)字信號。
[0050]表面波由于其波矢量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)TEM波的關(guān)系，需要在收發(fā)機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)換過程。如圖1所示，太赫茲源產(chǎn)生的TEM載波無法直接與表面波調(diào)制器直接相連接。因此，需要在太赫茲源與表面波調(diào)制器之間設(shè)計(jì)一條表面波傳輸線，而該傳輸線的鋸齒深度是漸變的，越靠近太赫茲源鋸齒深度越淺，而越靠近表面波調(diào)制器鋸齒越深，從而實(shí)現(xiàn)TEM波向表面波的轉(zhuǎn)換。同理，在發(fā)射機(jī)部分，表面波電磁波無法直接被混頻器下變頻，因?yàn)榛祛l器的負(fù)載部分是傳統(tǒng)的RLC結(jié)構(gòu)，處理的是TEM波。因此，表面波耦合器首先把太赫茲表面波信號耦合到表面波傳輸線上，而該傳輸線的鋸齒也是漸變的，越靠近混頻器舉出深度越淺，而越靠近表面波耦合器鋸齒深度越深，從而實(shí)現(xiàn)表面波向傳統(tǒng)TEM波的轉(zhuǎn)換。
[0051]根據(jù)前述
【發(fā)明內(nèi)容】
，設(shè)計(jì)了一款基于表面波集束的太赫茲片上全集成有線通信收發(fā)系統(tǒng)。其中太赫茲振蕩器的交叉耦合對MOS管寬度為15微米，電感大小為150pH，電容分為三個(gè)波段，并且可變電容寬度為10微米，振蕩器的增益為1.2GHz/V。表面波傳輸線的通信長度為20mm，鋸齒深度為12微米，周期為15微米，鋸齒間距為2.4微米。注意到鋸齒間距通常選取最小值，由工藝和設(shè)計(jì)規(guī)則決定。表面波耦合器采用頂層銅金屬和最頂層鋁金屬設(shè)計(jì)，兩金屬層之間相互耦合。鋸齒深度，間距和周期同表面波傳輸線。表面波調(diào)制器的尺寸為40μπιΧ67μπι，在140GHz處實(shí)現(xiàn)高達(dá)23dB的消光率，此最優(yōu)工作區(qū)域與振蕩器的輸出頻率吻合。該調(diào)制器的設(shè)計(jì)使用了最頂層的銅金屬OI和EA，厚度分別有3.3μπι和1.2μπι，寬度均為4微米。上述的模式轉(zhuǎn)換器的漸變梯度為I微米。接收端的混頻器為傳統(tǒng)的吉爾伯特單元。基帶放大器為2-3級CML緩沖器，其中采用電感電阻并聯(lián)作為負(fù)載來提升帶寬。此設(shè)計(jì)中包含2組收發(fā)機(jī)，并且使得作為信道的表面波傳輸線間距為廠家所允許的最小值(2.4微米)，從而觀察表面波對場的束縛能力和對串?dāng)_的一直能力。
[0052]仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的基于表面波的140GHz片上全集成收發(fā)機(jī)可以傳輸25Gb/s的信號，并且能有效抑制太赫茲波段信道間的電磁串?dāng)_。作為對比，基于傳統(tǒng)TEM波的收發(fā)機(jī)由于受到信道間的嚴(yán)重串?dāng)_，不能傳輸大于20Gb/s的數(shù)據(jù)。該結(jié)果如圖6所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶有表面波互聯(lián)和表面波調(diào)制器的節(jié)能低串?dāng)_CMOS太赫茲1/0，包括:太赫茲表面波無源器件和基于表面波無源器件的太赫茲片上表面波收發(fā)系統(tǒng)，所述太赫茲表面波無源器件包括表面波傳輸線、SRR的表面波調(diào)制器以及表面波耦合器； 表面波傳輸線作為信道與表面波耦合器的頂層銅金屬相連，而表面波耦合器的另一端與表面波調(diào)制器相連;其中表面波耦合器包含耦合器本身以及表面波傳輸線，當(dāng)表面波在傳輸線上傳播時(shí)，耦合器以表面波的形式將電磁波從某一層傳輸線耦合到另一層表面波傳輸線上； 所述基于太赫茲表面波的收發(fā)系統(tǒng)的信號傳輸分為三個(gè)步驟: 1)需要在片上生成140GHz的信號源，該信號源作為提供發(fā)射機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的載波，并與表面波調(diào)制器相連;該載波不間斷地給調(diào)制器輸出信號，而調(diào)制器根據(jù)輸入數(shù)據(jù)是O或I來判斷輸出幅值； 2)將數(shù)據(jù)送給信道，該階段需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器將信號源產(chǎn)生的TEM波轉(zhuǎn)換成表面波，而該轉(zhuǎn)換器可以通過逐漸地增加周期性梳妝凸起的深度來獲得;隨后TEM波將轉(zhuǎn)成表面波并送給調(diào)制器發(fā)射信號； 3)信號的接收，表面波通過表面波傳輸線信道傳送到接收端之后，亦需要通過轉(zhuǎn)換器將表面波轉(zhuǎn)換成TEM波供后續(xù)模塊進(jìn)行信號處理，轉(zhuǎn)換的方法是逐漸降低周期性梳妝突起深度來獲得;轉(zhuǎn)換完畢之后，TEM模式仍然保留著輸出端信號幅值的信息，通過下混頻動作將載波信號濾除并隨后通過基帶放大器轉(zhuǎn)換成全擺幅的二進(jìn)制信號輸出。2.如權(quán)利要求1所述的CMOS太赫茲1/0，其特征在于，所述表面波傳輸線采用65納米CMOS工藝，最上層銅層金屬OI作為金屬層，為周期性的梳妝結(jié)構(gòu)，該傳輸線的周期間距d選為15μηι，遠(yuǎn)小于工作波長，而主線寬w為5μηι，該尺寸選取適用于頻率大于10GHz的應(yīng)用，表面波傳輸線的設(shè)計(jì)如下: 2-1)確定載波頻率后，由色散關(guān)系計(jì)算周期性梳妝凸起結(jié)構(gòu)深度； 2-2)主線寬的寬度選取為當(dāng)突起深度為O的時(shí)候在載波頻率下傳輸線能匹配到50歐姆阻抗時(shí)所需要的線寬； 2-3)通常梳妝結(jié)構(gòu)的間距為工藝所允許的最小金屬間距； 2-4)如果最頂層鋁層金屬較薄(例如遠(yuǎn)小于銅金屬的厚度)，則采用最上層的銅金屬布線； 2-5)當(dāng)需要將多根表面波傳輸線并排放置時(shí)，金屬面對面的部分不需要設(shè)計(jì)梳妝結(jié)構(gòu)，因此是單邊的梳妝結(jié)構(gòu)； 2-6)考慮TEM波向表面波轉(zhuǎn)換，周期性的梳妝結(jié)構(gòu)的深度只需要緩慢增加；反之，則減少； 2-7)表面波傳輸線的仿真可以在電磁仿真軟件例如HFSS中實(shí)現(xiàn)，隨后其整體Layout由gds文件導(dǎo)出并與其他片上器件集成。3.如權(quán)利要求1所述的CMOS太赫茲1/0，其特征在于，所述的表面波傳輸線以及表面波耦合器的地平面由底層銅金屬M(fèi)l構(gòu)成;所述表面波耦合器采用最頂層的金屬01和LB設(shè)計(jì)。4.如權(quán)利要求1所述的CMOS太赫茲1/0，其特征在于，基于太赫茲表面波收發(fā)系統(tǒng)的信號處理過程如下: 4-1)上電初始化發(fā)射機(jī)使得振蕩器工作并觀測輸出頻率； 4-2)通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容上的電壓調(diào)整振蕩器輸出頻率使其落入表面波調(diào)制器的工作范圍； 4-3)將數(shù)據(jù)(25Gb/s)送入芯片中發(fā)送； 4-4)將表面波數(shù)據(jù)接收并轉(zhuǎn)換成TEM模式； 4-5)將TEM模式的高頻波下變頻成基帶信號； 4-6)將基帶信號通過幾級緩沖放大器放大到全擺幅； 其中，振蕩器的調(diào)節(jié)過程如下: A)將電源電壓從OV緩慢增加至1.2V，用頻譜儀觀察振蕩器的輸出頻率； B)用頻譜儀獲得開和關(guān)狀態(tài)下表面波調(diào)制器的S參數(shù)； C)計(jì)算表面波調(diào)制器開和關(guān)狀態(tài)下S21的差值，確定或取最大值時(shí)候的頻率； D)通過調(diào)整振蕩器的壓控電壓將其工作頻率調(diào)到上述的差值最大處； E)將高速數(shù)據(jù)送入芯片，用示波器或JBERT觀察發(fā)射端眼圖，細(xì)調(diào)振蕩器的壓控電壓直到眼圖最好。
【文檔編號】G06F15/78GK106055517SQ201610365540
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】梁元, 余浩, 嚴(yán)媚
【申請人】嚴(yán)媚