美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員在使用現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝研發(fā)不含磁體的單向器件方面取得新進(jìn)展。他們?cè)诠栊酒鲜褂矛F(xiàn)代半導(dǎo)體工藝制造出首個(gè)能工作在毫米波頻率、不含磁鐵的單向環(huán)形器，實(shí)現(xiàn)環(huán)形器在傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片中的單片集成，及對(duì)全雙工或兩種無(wú)線通信方式的支持。

圖為25GHz全集成單向無(wú)源不含磁鐵45nm SOI CMOS環(huán)形器的芯片照片

研究背景

大多數(shù)器件都是雙向的，信號(hào)以相同的方式進(jìn)行前向和后向傳輸。而環(huán)形器等單向器件的前向和后向信號(hào)能夠以不同的路徑穿越，以此實(shí)現(xiàn)隔離。傳統(tǒng)上，單向器件一直以不同的特定磁材料制造，使得其體積龐大、價(jià)格高昂，并因此不適用于消費(fèi)類無(wú)線電子。

研究團(tuán)隊(duì)

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)電子工程副教授Harish Krishnaswamy領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的Andrea Alu教授研究團(tuán)隊(duì)共同開展該研究。Krishnaswamy的哥倫比亞高速和毫米波集成電路（CoSMIC）實(shí)驗(yàn)室已有數(shù)年從事基于硅射頻芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信的研究。他的方法支持無(wú)損、集成和超寬帶單向行為，理論上可從直流到日光，可用于制造一系列單向器件，如隔離器、回旋器和環(huán)形器。

前期工作

在今年2月召開的IEEE國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上，Krishnaswamy團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)了該首個(gè)基于硅芯片、可工作在毫米波（頻率接近和大于30GHz）的不含磁鐵、單向環(huán)路器。該研究工作的后續(xù)進(jìn)展近期發(fā)表在《自然通信》上，揭示了新器件背后的物理原理。

核心突破

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一個(gè)新的方式來(lái)支持微波的單向傳輸，使用細(xì)致定時(shí)的高速晶體管開關(guān)來(lái)規(guī)劃前向和后向微波信號(hào)的不同傳輸。這類似以超高速靠近的兩趟列車，在最終時(shí)刻調(diào)轉(zhuǎn)了方向以避免了碰撞。

該環(huán)形器基于時(shí)空電導(dǎo)調(diào)制。它使用了單向結(jié)構(gòu)，物理特性根據(jù)流動(dòng)方向而不同。在這種情況下，如下圖所示的雙環(huán)環(huán)形器的連接部分。該一對(duì)傳輸線，或者是直接連通，或者是交叉連通，由末端的開關(guān)決定。如果這部分的長(zhǎng)度正好合適，一端的開關(guān)則與另一端呈90度異相，然后信號(hào)能夠以一個(gè)方向傳輸，而互相抵消另一個(gè)方向。

意義

該新方法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，可使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片制造該環(huán)形器，并工作在毫米波頻率，支持全雙工或兩種無(wú)線通信。事實(shí)上，現(xiàn)在所有電子器件都工作在半雙工模式的較低頻率（低于6GHz），因此很快就無(wú)頻帶可用。全雙工通信（接收機(jī)和發(fā)射機(jī)同時(shí)工作在相同頻率）可使現(xiàn)有頻段數(shù)據(jù)容量翻倍。而進(jìn)入到更高毫米波頻率，如30GHz及以上，開啟了現(xiàn)在未曾使用的新帶寬。

應(yīng)用

Krishnaswamy表示：“該毫米波環(huán)形器支持毫米波無(wú)線全雙工通信，這將為新興5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)的無(wú)線鏈路和自動(dòng)雷達(dá)等領(lǐng)域帶來(lái)變革。”

例如，自動(dòng)駕駛汽車需要低成本、全集成毫米波雷達(dá)。這些雷達(dá)在本質(zhì)上需要全雙工，能夠與超聲和基于攝像頭的傳感器一同用于自動(dòng)駕駛汽車，因?yàn)樗麄兡軌蚬ぷ髟谒刑鞖猸h(huán)境，以及白天和夜間。

該環(huán)形器還可用于為VR頭盔實(shí)現(xiàn)毫米波全雙工無(wú)線鏈路，而現(xiàn)在是基于有線連接或連接至計(jì)算器件。Krishnaswamy說(shuō)：“對(duì)于一個(gè)平滑的無(wú)線VR體驗(yàn)，大量數(shù)據(jù)需要在計(jì)算機(jī)和頭盔間進(jìn)行往復(fù)傳輸，要求低延時(shí)和雙向通信。由我們CMOS環(huán)路器所支持的毫米波全雙工接收機(jī)是一個(gè)有前景的解決方案，具有潛力實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸、更低延遲、更小尺寸和更低成本。”

資金支持

該團(tuán)隊(duì)的資金源包括美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）研究和創(chuàng)新的新興前沿（EFRI）項(xiàng)目、美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）的射頻信號(hào)處理（SPAR）項(xiàng)目，以及德州儀器公司。

下一步工作

目前的工作是進(jìn)一步改進(jìn)其環(huán)路器的線性和隔離性。

參考文獻(xiàn)

Tolga Dinc, Mykhailo Tymchenko, Aravind Nagulu, Dimitrios Sounas, Andrea Alu, Harish Krishnaswamy. Synchronized conductivity modulation to realize broadband lossless magnetic-free non-reciprocity. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI:10.1038/s41467-017-00798-9

延伸閱讀

2016年4月，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在DARPA“商業(yè)時(shí)標(biāo)陣列”項(xiàng)目的支持下，使用硅集成電路最常用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝，首次實(shí)現(xiàn)了環(huán)形器的微型化，以及與標(biāo)準(zhǔn)硅集成電路的單片集成。此次進(jìn)展的詳細(xì)情況請(qǐng)移步于此。