石墨等离子体激元通信链路

申请号 CN201410076481.4 申请日 2014-03-04 公开(公告)号 CN104038293A 公开(公告)日 2014-09-10
申请人 国际商业机器公司; 发明人 P·阿沃里斯; V·佩列贝诺斯; M·B·斯坦纳; A·瓦尔德斯伽西亚;
摘要 本 发明 涉及一种 石墨 烯 等离子体 激元通信链路。一种 信号 传输链路包括第一等离子体激元 耦合器 和第二等离子体激元耦合器,所述第二等离子体激元耦合器与所述第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙。在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成绝缘体层。在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成等离子体激元导电层以激发等离子体激元,以便在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间提供 信号传输 。
权利要求

1.一种信号传输链路,包括:
第一等离子体激元耦合器
第二等离子体激元耦合器,其与所述第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙;
绝缘体层,其在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成;以及
等离子体激元导电层,其在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成以激发等离子体激元,以便在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间提供信号传输
2.根据权利要求1中所述的链路,其中所述等离子体激元导电层包括石墨烯。
3.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路包括栅场,其中选择性地启用所述栅场以便调制所述链路中的信号。
4.根据权利要求1中所述的链路,其中所述第一和第二等离子体激元耦合器包括纳米天线。
5.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路包括集成电路芯片上的至少两个组件之间的通信链路。
6.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路包括至少两个集成电路芯片之间的通信链路。
7.根据权利要求1中所述的链路,还包括至少一个阻抗变换组件以便调整信号传输的阻抗。
8.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路是柔性的。
9.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路在视觉上是透明的。
10.根据权利要求1中所述的链路,其中所述链路以100GHz与10THz之间的速度提供数据传输。
11.根据权利要求1中所述的链路,其中所述等离子体激元导电层包括金属格栅。
12.一种信号传输链路,包括:
第一等离子体激元耦合器;
第二等离子体激元耦合器,其与所述第一等离子体激元耦合器布置在同一平面中并通过间隙与所述第一等离子体激元耦合器分隔开;
绝缘体层,其在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成,所述绝缘体的厚度被配置为防止在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间进行电连接;以及
等离子体激元导电层,其包括石墨烯,所述等离子体激元导电层在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成并与所述第一和第二等离子体激元耦合器的所述端部重叠,使得来自所述第一和第二等离子体激元耦合器中的一个的电信号在所述等离子体激元导电层中被转换为等离子体激元信号,所述等离子体激元信号然后在所述第一和第二等离子体激元耦合器中的另一个中被转换回电信号。
13.根据权利要求12中所述的链路,其中所述链路包括集成电路芯片上的至少两个组件之间的通信链路。
14.根据权利要求12中所述的链路,其中所述链路包括至少两个集成电路芯片之间的通信链路。
15.根据权利要求12中所述的链路,还包括至少一个阻抗变换组件以便调整信号传输的阻抗。
16.根据权利要求12中所述的链路,其中所述链路是柔性的并在视觉上是透明的。
17.根据权利要求12中所述的链路,其中所述链路包括栅场,其中选择性地启用所述栅场以便调制所述链路中的信号。
18.根据权利要求12中所述的链路,其中所述链路以100GHz和10THz之间的速度提供数据传输。
19.一种用于高频信号传输的方法,包括:
提供等离子体激元信号传输链路,所述等离子体激元信号传输链路包括:第一等离子体激元耦合器;第二等离子体激元耦合器,其与所述第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙;绝缘体层,其在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成;以及等离子体激元导电层,其在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成以激发等离子体激元,以便在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间提供信号传输;以及
以大约100GHz和10THz之间的频率,在耦合到所述第一等离子体激元耦合器的第一组件与耦合到所述第二等离子体激元耦合器的第二组件之间传递信号。
20.根据权利要求19中所述的方法,其中所述等离子体激元导电层包括石墨烯。

说明书全文

石墨等离子体激元通信链路

技术领域

[0001] 本发明涉及通信链路,更具体地说,涉及使用石墨烯等离子体激元(plasmonic)通信链路的集成电路芯片间和集成电路芯片内通信。

背景技术

[0002] 在高频下系统组件之间的电磁通信是高性能计算和信息技术(IT)行业进步的基本要求。电信号的载波频率越高,可用的带宽越多,该带宽转变为可以传输的更大量的信息。
[0003] 当前商业通信系统在低于80GHz的频率下操作。对于高于几百GHz的信号频率,金属导线中的交流电流受到强烈的阻尼,并且与信号前进关联的损耗限制使用依赖电传输的通信方法。一种备选方法是使用连接到系统组件的天线系统,这些天线系统通过发射和检测电磁辐射进行无线通信。但是,对于多个密集的发送器-接收器系统,不同信号之间的干扰(串音)降低整体性能并限制实际应用。此外,尽管天线的尺寸与其最佳辐射频率成反比,但即使在200GHz,典型的天线尺寸也将是数十毫米的量级。如果考虑微处理器将适应相同的尺寸,则这是非常大的形状系数。

发明内容

[0004] 一种信号传输链路包括第一等离子体激元耦合器和第二等离子体激元耦合器,所述第二等离子体激元耦合器与所述第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙。在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成绝缘体层。在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成等离子体激元导电层以激发等离子体激元,以便在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间提供信号传输。
[0005] 一种信号传输链路,包括:第一等离子体激元耦合器;第二等离子体激元耦合器,其与所述第一等离子体激元耦合器布置在同一平面中并通过间隙与所述第一等离子体激元耦合器分隔开;绝缘体层,其在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成,所述绝缘体的厚度被配置为防止在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间进行电连接;以及等离子体激元导电层,其包括石墨烯,所述等离子体激元导电层在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成并与所述第一和第二等离子体激元耦合器的所述端部重叠,使得来自所述第一和第二等离子体激元耦合器中的一个的电信号在所述等离子体激元导电层中被转换为等离子体激元信号,所述等离子体激元信号然后在所述第一和第二等离子体激元耦合器中的另一个中被转换回电信号。
[0006] 一种用于高频信号传输的方法,包括:提供等离子体激元信号传输链路,所述等离子体激元信号传输链路包括:第一等离子体激元耦合器;第二等离子体激元耦合器,其与所述第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙;绝缘体层,其在所述第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在所述间隙之中和之上形成;以及等离子体激元导电层,其在所述绝缘体层上的所述间隙之上形成以激发等离子体激元,以便在所述第一和第二等离子体激元耦合器之间提供信号传输;以及以大约100GHz和10THz之间的频率,在耦合到所述第一等离子体激元耦合器的第一组件与耦合到所述第二等离子体激元耦合器的第二组件之间传递信号。
[0007] 从以下将结合附图阅读的对本发明的示例性实施例的详细说明,这些和其它特性和优点将变得显而易见。

附图说明

[0008] 本公开将参考以下附图,在以下对优选实施例的说明中提供详细信息,这些附图是:
[0009] 图1是根据本发明原理的等离子体激元链路的顶视图;
[0010] 图2是根据本发明原理的图1的等离子体激元链路的侧截面图;
[0011] 图3是根据一个实施例的在集成电路组件之间具有一个或多个等离子体激元链路的集成电路的顶视图;
[0012] 图4是根据另一个实施例的在芯片之间具有一个或多个等离子体激元链路的两个集成电路芯片的顶视图;
[0013] 图5是根据另一个实施例的集成电路芯片的两个叠层的侧视图,其示出在同一垂直叠层中的芯片之间以及在不同叠层中的芯片之间的等离子体激元链路;
[0014] 图6是示出根据另一个实施例的两个集成电路芯片的框图/流程图,其具有等离子体激元链路并且在数据源(发送器)和链路之间以及在数据宿(接收器)和链路之间具有阻抗变换;
[0015] 图7是示出根据另一个实施例的用于使用等离子体激元通道/链路和栅场(gate field)调制信号的系统的框图/流程图;以及
[0016] 图8是示出根据一个示例性实施例的用于高频信号传输的方法的框图/流程图。

具体实施方式

[0017] 根据本发明原理,提供一种基于等离子体激元的通信链路,该链路克服了现有技术的局限性。基于等离子体激元的通信链路包括无辐射、等离子体激元调解的信号传输机制,该机制既不依赖电传输,也不依赖远场辐射电磁波。等离子体激元调解的通信通道允许在太赫兹频率下进行信号传输。尽管本发明原理适用于任何通信链路或系统,但在此描述的基于等离子体激元的通信链路在芯片内和芯片间通信中尤其有用。
[0018] 在一个实例中,一层(或几层)石墨烯形成单原子层,以实现等离子体激元调解的系统间通信。等离子体激元是石墨烯中的电荷载体的集体激发,并且通过连接到第一系统组件的等离子体激元发射器(例如,等离子体激元耦合器或等离子体激元天线)在基于石墨烯的等离子体激元链路的一端激发。发射的等离子体激元沿着石墨烯片传播,并且由连接到第二系统组件的第二等离子体激元耦合器转换回常规的交流电信号。因此,第一和第二系统组件通过基于等离子体激元的通信链接。不同于常规的波导,基于石墨烯的等离子体激元链路允许在远小于自由空间中的电磁辐射波长的长度规模上限制电磁信号。这实现快速、高带宽通信和低损耗。
[0019] 所属技术领域的技术人员知道,本发明的各个方面可以实现为芯片之间、同一芯片上的组件之间或者其它组件和/或芯片之间的通信链路。应该理解,将根据示例性体系架构或结构描述本发明,但是,其它体系架构、结构、衬底材料以及工艺特性和步骤可以在本发明的范围内有所变化。
[0020] 还应该理解,当诸如层、区域或衬底之类的元素被称为在另一个元素“之上”或“上面”时,它可以直接在其它元素之上,或者还可以存在中间元素。相比之下,当元素被称为“直接在另一个元素之上”或“直接在另一个元素上面”时,不存在中间元素。还应该理解,当元素被称为“连接到”或“耦合到”另一个元素时,它可以直接连接到或耦合到其它元素,或者可以存在中间元素。相比之下,当元素被称为“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元素时,不存在中间元素。
[0021] 本发明原理可以实现为集成电路芯片。集成电路芯片设计可以使用图形计算机编程语言创建,并且存储在计算机存储介质(例如磁盘、磁带、物理硬盘驱动器,或者诸如存储存取网络中的虚拟硬盘驱动器)中。如果设计者未制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模,则设计者可以通过物理手段(例如,提供存储设计的存储介质的副本)或电子方法(例如,通过互联网)直接或间接地将结果设计传输到此类实体。然后将存储的设计转换为适当的格式(例如,GDSII)以便制造光刻掩模,它通常包括要在晶片上形成的所述芯片设计的多个副本。光刻掩模用于限定要蚀刻或要以其它方式处理的晶片(和/或其上的层)的区域。
[0022] 在此描述的方法可以用于制造集成电路芯片或类似的器件。制造者可以以原始晶片形式(即,作为具有多个未封装芯片的单晶片)、作为裸管芯或以封装的形式分发所得到的集成电路芯片。在后者的情况中,以单芯片封装(例如,引线固定到母板的塑料载体或其它更高层级的载体)或多芯片封装(例如,具有一个或两个表面互连或掩埋互连的陶瓷载体)来安装芯片。在任何情况下,芯片然后都可以作为(a)中间产品(如母板)或(b)最终产品的一部分与其它芯片、分离电路元件和/或其它信号处理器件集成。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品,范围从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备及中央处理器的高级通信设备或计算机产品。
[0023] 本说明书中对本发明原理的“一个实施例”或“一实施例”及其变型的引用指结合该实施例描述的特定特性、结构、特征等被包括在本发明原理的至少一个实施例中。因此,在本说明书的各位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”以及任何其它变型不一定都指同一实施例。
[0024] 应该知道,使用以下“/”、“和/或”以及“至少一个”(例如,在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B中的至少一个”的情况下)中的任何一个旨在包含仅选择第一列出的选项(A),或者仅选择第二列出的选项(B),或者选择两个选项(A和B)。作为进一步实例,在“A、B和/或C”以及“A、B和C中的至少一个”的情况下,此类短语旨在包含仅选择第一列出的选项(A),或者仅选择第二列出的选项(B),或者仅选择第三列出的选项(C),或者仅选择第一和第二列出的选项(A和B),或者仅选择第一和第三列出的选项(A和C),或者仅选择第二和第三列出的选项(B和C),或者选择所有三个选项(A和B和C)。如所属和相关技术领域的普通技术人员很容易地显而易见的,这可以针对多个列出的项目扩展。
[0025] 现在参考附图,其中相同的标号表示相同或相似的元素,首先参考图1,示出根据一个实施例的示例性的基于等离子体激元的通信链路10的顶视图。等离子体激元导电层12可以包括石墨烯(例如一层或多层石墨烯)或金属格栅。层12在薄绝缘体14(例如,热化物、高k介电质,或者诸如PMMA的塑料)之上沉积、形成或放置。绝缘体14在芯片或系统组件16、18和基于等离子体激元的通信链路10之间充当间隔物,以便防止组件16、18之间的直接电接触。层12在空间上与两个(或更多)等离子体激元耦合器或纳米天线20、22重叠。等离子体激元耦合器或纳米天线20、22的每一个连接到不同的芯片或系统组件16、
18。
[0026] 参考图2,并且继续参考图1,层12和等离子体激元耦合器20、22之间的距离D包括绝缘体14的厚度。图1和2中所示的结构可以在一个或多个芯片上形成,或者在它自己的载体或衬底上形成。第一绝缘体24(例如,氧化物、氮化物、塑料等)可以选择性地在衬底或其它载体26上形成。一个或多个金属层(或其它导电材料)在绝缘体24或14上沉积,并被构图以形成等离子体激元耦合器20、22或纳米天线。等离子体激元耦合器20、22以及组件16、18之间的连接28优选地包括在单个层中,然而可以采用多个层,并且这些层可以针对相应的等离子体激元耦合器共面也可以不共面(尽管等离子体激元耦合器20、22被示为共面)。接下来,在等离子体激元耦合器20、22上形成绝缘体14。绝缘体14具有厚度D,该厚度为数十纳米的量级(例如,远小于交流信号的波长),以便促进等离子体激元耦合器20、22和石墨烯层12之间的高效近场能量传递。在一个实施例中,厚度D在大约5nm和40nm之间。
[0027] 采用系统组件16和等离子体激元耦合器20中的电荷载体振荡来激发层12(例如,石墨烯层)中的等离子体激元,这些等离子体激元沿着层12传播。由于与等离子体激元耦合器22的空间重叠,信号将从等离子体激元信号转换回交流电信号,并且通过等离子体激元耦合器22传播到系统组件18。同样,如果厚度、机械灵活性和可见范围内的光透明性对于特定应用而言并不至关重要,则可以采用薄金属层(而不是石墨烯层)。
[0028] 由于辐射(例如,光)和表面等离子体激元的波长之间的不匹配,照明金属表面的光无法直接耦合到表面等离子体激元电磁激子(polariton)。为了克服这一点,可以提供金属格栅或构图以便打破平移不变性。格栅的典型长度规模通过波长确定,并且在可见范围内,它属于数十纳米的长度规模。但是,在THz频率范围内,对应的长度规模增加到微米,这是石墨烯样本中单畴的相当大小。因此,在高频率下(通过更大的长度/格栅)缓解动量守恒瓶颈。此外,由于THz源和石墨烯之间的小距离(与波长相比),等离子体激元发射来自近场辐射。与远场照明应用相比,这也有利于耦合效率。由于具有许多参数,给定应用的等离子体激元发射效率需要仔细建模以便优化。
[0029] 为了成为有用的通信链路,层12需要在与特定系统技术相关的长度规模上实现等离子体激元传播。等离子体激元在石墨烯中的传播长度通过与集体电荷载体振荡关联的损耗确定。基于标准的德鲁德(Drude)模型,可以确定对等离子体激元衰变长度的估计。在长度L为等离子体激元衰变长度4.6倍的石墨烯等离子体激元链路中,发生例如20dB
2 2 12 -2
的损耗。对于例如为1,000cm/Vs到10,000cm/Vs的实际载体迁移率和例如为10 cm 到
13 -2
10 cm 的载体密度,在频率v=1THz下,单层石墨烯中的等离子体激元衰变长度λ2(定义为 其中q2是等离子体激元波矢量的虚部)在0.24微米与24微米之间变化,
而在v=100GHz下,等离子体激元衰变长度介于2.4微米与240微米之间。在由多个石墨烯层组成的结构中,等离子体激元衰变长度随层数而成比例地增加。
[0030] 因此,在太赫兹频率下,基于石墨烯的等离子体激元通信链路10在间隔数微米至数毫米的系统组件之间实现通信。石墨烯通信链路10中的等离子体激元激发和转换的效率依赖于等离子体激元耦合器20、22的频率、几何布局以及所采用材料的电子性质。针对每个特定应用设计石墨烯通信链路10。
[0031] 参考图3,示例性地示出其上包括一个或多个基于石墨烯的通信链路10的集成电路芯片102。应该理解,可以在芯片102的处理和制造期间形成链路10。石墨烯层12可以通过一种或多种工艺形成。例如,石墨烯材料可以使用化学气相沉积(CVD)工艺、外延生长工艺、基于溶液的沉积工艺(浸渍)、机械剥离工艺(转移层)等形成。用于形成石墨烯的工艺可以随以下各项而变化:在其上形成石墨烯的材料、成本约束和/或其它因素。例如,机械剥离或CVD生长的石墨烯可以在氧化物层(14)上沉积。备选地,外延生长的石墨烯可以在碳化衬底上提供,然后形成绝缘体层14、等离子体激元耦合器以及另一个绝缘体层。
[0032] 集成电路芯片102可以采用链路10以便在芯片组件104之间实现高速度、高带宽通信。所述组件可以包括处理器件、逻辑、存储阵列等。在一个实施例中,可以层叠链路以便增加连接数。
[0033] 对于依赖芯片或层级的三维层叠的应用,可以采用在芯片层级之间部署合适的屏蔽层,以便减少由在等离子体激元发射器/耦合器(例如,图1的耦合器20、22)处发出的远场辐射导致的信号干扰和串音。垂直层叠高度H(图5中所示)(在不同层级中的等离子体激元发射器/耦合器之间)必须大于等离子体激元限制长度λ1,以便避免屏蔽层产生的等离子体激元损耗。等离子体激元限制长度λ1(定义为 其中q1是等离子体激元波矢量的实部)仅依赖于载体密度,这不同于依赖于载体密度和迁移率两者的等离子体
12 -2 13 -2
激元衰变长度。对于10 cm 到10 cm 的载体密度,在频率v=1THz下,λ1在6.6微米和
20.7微米之间变化,而在v=100GHz下,其范围从660微米到2mm。
[0034] 参考图4,另一个实施例示出在集成电路芯片202和204之间具有一个或多个基于石墨烯的通信链路10的系统200。应该理解,也可以在芯片202和204上的组件之间采用链路(参见芯片202和图3)。系统200在芯片202和204之间包括多个并行的通信链路10。芯片202和204可以包括片上系统(SOC)器件,然而可以采用任意集成电路。链路10可以包括柔性介质(例如,塑料)并且可以包括单链路,或者可以在带状或公共材料208上对链路进行分组。
[0035] 在一个实施例中,将芯片202和204固定到衬底或印刷线路板。链路的端部包括导电材料以形成等离子体激元耦合器(或纳米天线)。耦合器的导电材料连接石墨烯层(如图1中所示)以便形成链路。与其它实施例一样,等离子体激元链路10基于通过链路10的单个导体。单个导体的串音可能性例如低于常规的传输线路,常规的传输线路始终采用至少两个导体,一个用于信号,一个用于接地以便返回电流。等离子体激元链路10还在小尺寸内限制能量;与传输线路的天线相反,这些天线沿着多个方向辐射,并且尤其是如果它们极为靠近地放置,则无法完全彼此隔离。
[0036] 在尤其有用的实施例中,等离子体激元链路10可以很薄(例如,小于50nm),可以具有柔性(使用薄材料和塑料或其它柔性衬底),并且可以在可见光谱内透明(由于材料选择和小的厚度)。可以采用灵活的形状系数并行放置多个等离子体激元链路10(例如,如图4中所示)。在常规的传输线路和通信链路中未提供这些特性。
[0037] 参考图5,除了在平布置的芯片之间提供链路(图4)之外,还可以在垂直布置的芯片302、304、306、308和/或芯片叠层310之间提供链路10。可以采用链路10以便连接同一叠层310中的芯片306、308,或者连接分别在不同叠层310中的芯片302、306和304、308,或者它们的任意组合。
[0038] 对于依赖芯片层级的三维层叠的应用,可以采用在芯片层级之间部署合适的屏蔽层312,以便减少由在等离子体激元发射器/耦合器320(它们与图1的耦合器20、22相同或相似)处发出的远场辐射导致的信号干扰和串音。垂直层叠高度H(在不同层级中的等离子体激元发射器/耦合器320之间)必须大于等离子体激元限制长度λ1,以便避免屏蔽层312产生的等离子体激元损耗。等离子体激元限制长度λ1(定义为 其中q1是等离子体激元波矢量的实部)仅依赖于载体密度,这不同于依赖于载体密度和迁移率
12 -2 13 -2
两者的等离子体激元衰变长度。对于10 cm 到10 cm 的载体密度,在频率v=1THz下,λ1在6.6微米和20.7微米之间变化,而在v=100GHz下,其范围从660微米到2mm。
[0039] 参考图6,框图示出两个芯片404和406之间的等离子体激元通信链路412的示例性实现。芯片404包括发送器408,其接收数据(数据输入),数据通过阻抗Z1加载。优化阻抗Z1以实现THz传输。但是,对于跨等离子体激元介质/链路412的等离子体激元通信而言,Z1阻抗可能不是最佳的。阻抗网络或变换模414将电阻抗Z1变换为阻抗Z2,以便跨链路412通信。所述链路包括等离子体激元耦合器416和一个或多个石墨烯层418,石墨烯层418被配置为允许与芯片406上的等离子体激元耦合器420进行等离子体激元通信。配置阻抗Z3以实现最佳耦合。芯片406包括接收器422,其可能需要不同的阻抗(Z4)以便高效地输出数据(数据输出)。这还可以使用阻抗变换网络424进行处理,阻抗变换网络424被配置为将阻抗Z3变换为Z4,以便确保针对芯片404和406之间的信息传输实现最佳性能。
[0040] 应该理解,通信链路412和传输源(408)及接收器(422)的传输速度可以在GHz范围或THz范围内,例如10GHz–10THz,然而可构想其它速度。此外,阻抗变换网络或电路可以是有源的或无源的,并且可以包括已知的变换电路。与在此描述的所有实施例一样,等离子体激元链路412基于耦合器和石墨烯(或金属)之间的单个导电路径。单个导电路径优选地不包括任何类型的半导体结(p-n结)并且在非常小的链路尺寸内限制传输的能量。等离子体激元链路412很薄、具有柔性并且透明(如果采用石墨烯)。与以前一样,可以跨芯片404和406并行放置多个等离子体激元链路。
[0041] 参考图7,根据本发明原理的通信链路可以包括多个变型和应用。在一个实施例中,可以在等离子体激元耦合器454、458之间的等离子体激元导电层456上形成栅结构462、464、466。栅结构462、464、466可以包括不同的宽度W,改变这些宽度的大小以便将等离子体激元导电层456承载的信号的调制从数据源452调整到调制后的信号460。构想多个调制方案,包括振幅调制、相位调制、频率调制等。在该实例中,通过使用栅场,示例性地示出相位(或振幅)调制方案。
[0042] 在一个实施例中,等离子体激元导电层456包括石墨烯通道,并且通信链路450中的相位和/或振幅调制可以包括以下各项。在石墨烯通道(456)上限定宽度为W的栅462或栅控区域。设计栅介电质(在栅材料456和石墨烯通道456之间(未示出))和栅电压(VG1),以便当VG1更改其值(例如,从0到2V)时,沿着石墨烯通道456的等离子体激元信号经历180度的相移。如果将相同的相位调制操作应用于宽度为W/2、栅电压为VG2的栅控区域464,则相移将为90度,同样,对于宽度为W/4、使用栅电压VG3的栅控区域466,相移为45度。尽管本实例包括三个栅,但为了对更多位进行编码或者根据需要,可以限定随后更窄(或更宽)宽度的多个栅区域。通信链路450的结构例如可以用作8-PSK调制器,其具有3位和2^3=8个可能的相位,如在具有8个同相(I)/正交(Q)星区点472的星区470中示例性地示出的那样。同时,栅462(W)可以用于调制所传输的信号的振幅。
[0043] 在该实例中,可以估计使相位更改π的宽度(W)。当信号沿着链路456传播距离2 1/2
W时,其相位更改q1W,其中q1是等离子体激元波矢量,q1∝v/n1 ,如上所述。当将VG1更改2伏特时,载体密度(n)将更改dn=Cg dVg,其中dn是载体密度的更改,Cg是栅电容,dVg-3
是栅电压的更改。如果使用氧化物厚度为5nm的SiO2作为栅介电质,则栅电容Cg=7x10 F/
2 12 -2
m。这将提供dn=8.8x10 cm 。
[0044] 如果原始载体密度为n1=4.4x1012cm-2,则在施加电压之后,新的波矢量变为q’1=0.57q1。为了将相位调制π,需要选择W=π/(q1-q’1)=7.4/q1。对于感兴趣的频率-1ν=1THz,发现q1=73mm ,因此W=100μm。注意,在此给出的数值用于示例性目的,并且不应该被解释为限制。
[0045] 对于高达5000cm2/Vs的载体迁移率,在传播距离W之后的损耗可以使得相位调制更具挑战性。但是,如果具有足够的载体迁移率和层质量,则可以实现相位调制。
[0046] 为使相位调制变得实用,还需要高迁移率,以便在距离W内振幅不会更改太多。对2
于上面的实例,为了获得q2W~1,其中q2定义如上,需要量级为50,000cm/Vs的迁移率。
[0047] 对于振幅调制,改变栅以更改q2,以便振幅将更改exp(-(q2-q’2)W),其中q2∝1/n并且q’2∝1/(n+dn)。还可构想其它结构和方案。
[0048] 参考图8,示例性地示出用于高频信号传递/通信的方法。也应该注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能可以以不同于图8中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0049] 在方框502,提供等离子体激元信号传输链路。这包括第一等离子体激元耦合器和第二等离子体激元耦合器,第二等离子体激元耦合器与第一等离子体激元耦合器具有间隔以形成间隙。通过金属或其它导电材料的沉积和构图,在绝缘体上形成耦合器。可以使用已知的光刻技术对金属进行构图,以便为耦合器提供所需的尺寸。可以在第一和第二等离子体激元耦合器的端部之上以及在间隙之上形成绝缘体层。在一个备选实施例中,首先形成绝缘体层,并且通过沉积和构图在绝缘体层上形成耦合器。
[0050] 在绝缘体层上的间隙之上形成等离子体激元导电层(与耦合器相对)。对等离子体激元导电层进行配置和尺寸调整以激发等离子体激元,以便在第一和第二等离子体激元耦合器之间提供信号传输。等离子体激元导电层优选地包括一个或多个单层石墨烯。链路可以被配置为柔性和/或透明链路。等离子体激元导电层还可以包括金属格栅。
[0051] 在方框503,通过设计栅并且改变其大小,设计和实现可选的调制方案以便根据需要调制信号,例如相位或振幅调制。
[0052] 在方框504,在耦合到第一等离子体激元耦合器的第一组件与耦合到第二等离子体激元耦合器的第二组件之间执行信号传递。信号传递优选地以大约100GHz和10THz之间的频率进行。可以在同一芯片上的组件之间、芯片之间、垂直层叠的芯片之间、芯片叠层之间、其它组件之间或它们的任意组合进行信号传递。在方框506,在链路之前或之后执行至少一个阻抗变换,以便调整信号传输阻抗以优化操作。在方框508,可以执行调制以便在操作期间传输和/或接收信号。
[0053] 描述用于石墨烯等离子体激元通信链路的优选实施例(它们旨在是示例性的,而不是限制性的)之后,要指出的是,所属技术领域的技术人员可以根据上述教导做出修改和变型。因此,应该理解,可以在公开的特定实施例中进行更改,所述更改在所附权利要求概述的本发明的范围内。因此,描述本发明的各个方面以及专利法需要的细节和特殊性之后,在所附权利要求中给出由证书专利保护的要求保护和期望的事物。
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