《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于金剛石NV色心的微波近場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
王 昊1，顧邦興1，陳國(guó)彬1，2，杜關(guān)祥1
1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷223800
摘要： 為了滿足微波器件進(jìn)行高分辨率、非破壞性微波矢量近場(chǎng)測(cè)量的需求，提出了一種基于金剛石氮空位(NV)色心的全光學(xué)微波近場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)利用NV色心對(duì)其軸向的圓形極化電磁場(chǎng)的敏感特性，將粘有金剛石NV色心的錐形光纖探頭作為傳感器，在外部靜磁場(chǎng)環(huán)境中測(cè)量得到具有8個(gè)峰的光探測(cè)磁共振(ODMR)譜，并在每個(gè)ODMR譜峰所對(duì)應(yīng)的微波頻率下測(cè)量微波器件表面不同NV軸方向的電磁場(chǎng)分量分布，從而得到微波近場(chǎng)矢量測(cè)量結(jié)果。最后，利用3 μm金剛石顆粒對(duì)諧振頻率2.87 GHz的微帶天線進(jìn)行近場(chǎng)矢量成像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性，可廣泛用于芯片電磁兼容測(cè)試、集成微波芯片失效分析、數(shù)字電路信號(hào)完整性分析等。
中圖分類號(hào)： TN407
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200480
中文引用格式： 王昊，顧邦興，陳國(guó)彬，等. 基于金剛石NV色心的微波近場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(12)：5-8，13.
英文引用格式： Wang Hao，Gu Bangxing，Chen Guobin，et al. Microwave near field vector measurement method based on nitrogen-vacancy center ensembles in diamond[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(12)：5-8，13.
Microwave near field vector measurement method based on nitrogen-vacancy center ensembles in diamond
Wang Hao1，Gu Bangxing1，Chen Guobin1，2，Du Guanxiang1
1.School of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Post and Telecommunications， Nanjing 210003，China； 2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China
Abstract： In order to meet the needs of microwave devices for high-resolution, non-destructive microwave vector near-field measurement, an all-optical microwave near-field vector measurement technique based on diamond nitrogen-vacancy(NV) centers is proposed. Using the sensitivity of NV centers to the circularly polarized electromagnetic field, the tapered optical fiber probe with diamond NV center is used as the sensor to measure the optical detection magnetic resonance(ODMR) spectrum with 8 peaks in the external static magnetic field environment, and the distribution of electromagnetic field components in different NV directions on the surface of microwave device is measured under the corresponding microwave frequency of each ODMR spectrum peak. The results of microwave near-field vector measurement are obtained. Finally, 3 μm diamond particles are used for near-field vector imaging of microstrip antenna with resonance frequency of 2.87 GHz. The experimental results show the effectiveness of the method, which can be widely used in chip electromagnetic compatibility(EMC) test, integrated microwave chip failure analysis, digital circuit signal integrity analysis, etc.
Key words : nitrogen-vacancy center；microwave field；vector field measurement；antenna characterization；all-optical；non-destructive

0 引言

    近年來(lái)，隨著軍用航空航天、5G技術(shù)、衛(wèi)星通信、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，微波毫米波技術(shù)因其頻譜寬、可靠性高、方向性好、波長(zhǎng)短等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，微波毫米波器件的產(chǎn)生也推動(dòng)了半導(dǎo)體市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。現(xiàn)如今，芯片等高集成度電路的工作頻率越來(lái)越高，最小線寬不斷縮小，制造工藝、加工精度也不斷地提升，整個(gè)系統(tǒng)逐漸小型化、微型化。芯片測(cè)試作為芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，為保證芯片的功能正常性與性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性，起著非常重要的作用，但是芯片測(cè)試與失效分析技術(shù)發(fā)展的速度遠(yuǎn)趕不上芯片設(shè)計(jì)與制造工藝發(fā)展的速度。傳統(tǒng)的芯片微波近場(chǎng)測(cè)量一般利用金屬開(kāi)放式波導(dǎo)，由于金屬探頭會(huì)對(duì)待測(cè)微波磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，且探頭本身尺寸相較于芯片的微米級(jí)布線來(lái)說(shuō)較大，難以進(jìn)入器件內(nèi)部，故無(wú)法滿足高分辨率、非破壞性的矢量微波近場(chǎng)測(cè)試要求，因此開(kāi)發(fā)一種全新的芯片表面微波磁場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。

    氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心是金剛石中由替換碳原子的氮原子與其相鄰空位構(gòu)成的一種具有熒光特性的缺陷。NV色心在空間中具有矢量敏感特性，沿著NV軸方向的靜磁場(chǎng)與垂直于NV軸平面的極化電磁場(chǎng)都會(huì)影響NV色心的熒光特性。根據(jù)金剛石的正四面體原子結(jié)構(gòu)可知，具有多個(gè)NV色心的金剛石顆粒中共有4種不同固定方向的NV色心，因此可以進(jìn)行靜磁場(chǎng)以及微波場(chǎng)的矢量測(cè)量[1]。

    基于金剛石NV色心的光學(xué)性質(zhì)和矢量敏感特性[2]，利用末端粘有金剛石NV色心的錐形光纖探頭作為傳感器，研究了一種微波器件表面的微波近場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)采用全光學(xué)的方法，不會(huì)對(duì)待測(cè)器件表面的電磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，屬于非破壞性測(cè)量，且金剛石顆粒尺寸可以達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)別，能夠無(wú)障礙進(jìn)入器件內(nèi)部，物理接近待測(cè)近場(chǎng)，空間分辨率得到顯著提高。除此之外，由于使用量子標(biāo)定的手段，理論上可以做到完全的磁場(chǎng)或者電場(chǎng)敏感，工作頻率在DC-100 GHz之間，可用于微帶天線、微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。

    本文介紹了3 μm金剛石探頭的制作流程和光學(xué)系統(tǒng)的搭建，詳細(xì)闡述了器件表面微波磁場(chǎng)矢量測(cè)量的原理和過(guò)程，并在不同的微波頻率作用下，分別對(duì)諧振頻率為2.87 GHz的微帶天線進(jìn)行近場(chǎng)矢量成像，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性與可操作性。




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作者信息：

王  昊1，顧邦興1，陳國(guó)彬1，2，杜關(guān)祥1

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷223800)

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