第五代通信和萬(wàn)物互聯(lián)對(duì)微波毫米波集成電路的需求提出了全新的要求。自充電、低功耗電路復(fù)雜度和集成度空前提高，特征線寬在不斷減小，發(fā)展全新的非破壞高分辨微波場(chǎng)近場(chǎng)成像技術(shù)對(duì)芯片的功能和失效分析至關(guān)重要，目前尚沒(méi)有成熟的技術(shù)路線。基于金剛石NV色心的固態(tài)量子體系作為傳感單元，通過(guò)分析NV色心基態(tài)自旋在共振微波場(chǎng)中的量子態(tài)演化規(guī)律，采用全光學(xué)的方法，獲得微波場(chǎng)分布的一種精密測(cè)量方法。該方法通過(guò)搭建光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行一次成像來(lái)獲得芯片整體的微波場(chǎng)分布，具有高效、對(duì)近場(chǎng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)，有望在芯片電磁兼容測(cè)試、微波芯片失效分析和天線近場(chǎng)分布成像等應(yīng)用上提供一種全新的測(cè)量方案。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，最突出的特點(diǎn)是分辨率高，非侵入性最好，量子標(biāo)定。而且勝任在復(fù)雜場(chǎng)景下的測(cè)量，比如高溫高濕和高腐蝕應(yīng)用場(chǎng)合。

近30年來(lái)，隨著凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)的發(fā)展，基于量子物理和基本物理常數(shù)的量子計(jì)量技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，相關(guān)成果徹底重塑了現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)- 物理量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。比如，基于光鐘時(shí)間的精確定義達(dá)到10-18的水平，相應(yīng)的因?yàn)楣馑偈且粋€(gè)常量（定義光速c = 299 792 458米/秒），對(duì)長(zhǎng)度的定義達(dá)到了前所未有的精度。約瑟夫森常數(shù)[KJ=(2e)/h= 483597.8525(30)×109Hz/V]則將電壓的量子標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)普適的物理常數(shù)KJ和時(shí)間（Hz）的定義聯(lián)系。而電阻的量子化標(biāo)準(zhǔn)則定義為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)中的克里青常數(shù)[RK=h/e2= 25812.807557(18)Ω]。這些普適量子標(biāo)準(zhǔn)為電、磁和電磁波相關(guān)的物理量精密測(cè)量奠定基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的基石。比如，沒(méi)有時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)量，就沒(méi)有現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)，時(shí)間的精準(zhǔn)計(jì)量也是引力波發(fā)現(xiàn)的核心技術(shù)。

隨著微波射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，微波毫米波技術(shù)在5G通信、自動(dòng)駕駛、軍事航天、消費(fèi)電子等方面因其高帶寬、小型化、高集成度等優(yōu)點(diǎn)而成為炙手可熱的技術(shù)。毫米波近場(chǎng)成像技術(shù)在高分辨率目標(biāo)識(shí)別以及手勢(shì)檢測(cè)互動(dòng)等方面都有廣闊的應(yīng)用。對(duì)微波毫米波器件的表面電磁場(chǎng)近場(chǎng)分布進(jìn)行探測(cè)并成像對(duì)于推廣和應(yīng)用微波毫米波技術(shù)有重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)在微波射頻領(lǐng)域，直接對(duì)微波毫米波表面的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行直接成像的方法還比較缺乏。

堿金屬氣體泡微波磁場(chǎng)成像

2010年，瑞士巴塞爾大學(xué)的科學(xué)家首次基于激光冷卻原子實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子芯片（Atomic Chip）微波近場(chǎng)分布的非破壞測(cè)量。2012到2014年，杜關(guān)祥博士在該小組工作期間進(jìn)一步將這一原理從裝置復(fù)雜的冷原子體系推廣至簡(jiǎn)單實(shí)用的熱原子體系，并證實(shí)了這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨微波場(chǎng)成像的可行性，獲得了共面波導(dǎo)的微波場(chǎng)分布圖像。該小組還就這一技術(shù)申請(qǐng)了美國(guó)專利，申請(qǐng)人Theodor W. Hänsch是2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，足見(jiàn)這一新技術(shù)的前瞻性和重要性。杜關(guān)祥博士在巴塞爾小組工作期間，還和全球知名射頻測(cè)試設(shè)備提供商就該技術(shù)在射頻集成電路產(chǎn)品表征上的應(yīng)用展開(kāi)探討。

這一技術(shù)基于量子二能級(jí)體系在共振微波場(chǎng)中的拉比振蕩現(xiàn)象。量子二能級(jí)原子體系，在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量中，也稱量子比特。電子自旋，有向上和向下兩種本征態(tài)，就是一個(gè)典型的二能級(jí)體系。堿金屬原子具有類氫原子結(jié)構(gòu)，最外層有一個(gè)自由電子，處于S基態(tài)的電子和原子核自旋耦合，形成超精細(xì)結(jié)構(gòu)基態(tài)。原子的總自旋是電子自旋和核自旋之和，二者平行和反平行，構(gòu)成原子的兩個(gè)基態(tài)，等價(jià)于抽象的自旋體系，其動(dòng)力學(xué)演化行為可用量子二能級(jí)原子描述。正是因?yàn)檫@個(gè)外層電子和原子的相互作用，可以通過(guò)光學(xué)的方法，對(duì)自旋基態(tài)進(jìn)行初始化，這一過(guò)程稱為光泵浦。通過(guò)超窄譜線的光吸收，可以測(cè)量自旋處于某一能級(jí)的幾率，這一過(guò)程稱為光探測(cè)，不僅如此，自旋還可以在共振微波場(chǎng)的作用下，發(fā)生動(dòng)力學(xué)拉比振蕩。通過(guò)測(cè)量拉比振蕩的頻率，可以獲得微波場(chǎng)的信息。基于熱原子體系，加上成像光學(xué)則可獲得微波場(chǎng)的空間分布圖像。

2012年，美國(guó)J. P. Shaffer小組采用里德堡氣體原子體系的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象（EIT, Electromagnetically InducedTransparency），實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波場(chǎng)電分量的測(cè)量，他們采用780nm探測(cè)激光(5S－5P)和480nm(5P－53D)的耦合激光實(shí)現(xiàn)了很窄的EIT透明峰，在共振微波的作用下，EIT峰受到抑制，通過(guò)擬合EIT曲線，獲得微波場(chǎng)電場(chǎng)分量的強(qiáng)度(54p－53D)。由此，基于單一氣體原子體系，可獲得微波場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的全部矢量信息。不同于傳統(tǒng)探頭陣列的微波場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，原子“探針”對(duì)場(chǎng)的測(cè)量是非破壞的，這對(duì)微波器件近場(chǎng)的表征和微弱微波場(chǎng)的標(biāo)定尤其關(guān)鍵，因?yàn)閭鹘y(tǒng)金屬探針不可避免導(dǎo)致對(duì)待測(cè)場(chǎng)的干擾，測(cè)量準(zhǔn)確度低。

金剛石NV色心微波磁場(chǎng)成像

從實(shí)用的角度分析，該系統(tǒng)仍然有以下技術(shù)缺陷，因?yàn)檠b載原子氣體的容器壁有一定厚度，現(xiàn)有玻璃泡制備技術(shù)做到100微米量級(jí)有很大難度，使得原子“探針”不可能真正接近待測(cè)微波芯片近場(chǎng)；而且，該系統(tǒng)需要對(duì)氣體泡加熱和溫控，增加了樣品裝載的難度；再者，氣體的熱擴(kuò)散限制了圖像的分辨率，目前這一系統(tǒng)的分辨為150*100*100微米。

基于金剛石NV色心(Nitrogen Vacancy)的微波/毫米波成像系統(tǒng)，克服了上基于堿金屬氣體原子的微波成像技術(shù)的上述缺陷，既可以用于微波毫米波器件的表面局域電磁場(chǎng)分布表征和測(cè)量，又可以用于芯片電磁兼容檢測(cè)、材料成分檢測(cè)、微波近場(chǎng)無(wú)損探測(cè)和微波生物醫(yī)學(xué)成像，具備廣闊的應(yīng)用空間。

金剛石中的NV色心是一種優(yōu)秀的固態(tài)量子比特：原子尺寸、熒光穩(wěn)定、在室溫下具有較長(zhǎng)的自旋相干壽命、自選態(tài)可以通過(guò)光學(xué)極化（Spin Initialization）和讀出（Spin readout）、自旋態(tài)的操縱（Spin Manipulation）可以用脈沖微波實(shí)現(xiàn)。

目前業(yè)界主要通過(guò)以下幾種方法對(duì)微波毫米波器件的近場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量、表征和分析：

（a）通過(guò)軟件仿真和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)微波毫米波器件表面的電磁場(chǎng)近場(chǎng)分布進(jìn)行推算，常用的軟件例如HFSS。

（b）通過(guò)傳統(tǒng)的黑盒子網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波毫米波器件的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

（c）采用場(chǎng)強(qiáng)儀配合特制的高頻探頭（E&H天線）對(duì)微波毫米波器件的表面進(jìn)行高分辨掃描。

上述主流的測(cè)量技術(shù)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1、軟件仿真和數(shù)值計(jì)算方法在對(duì)微波毫米波的高頻和高集成度芯片進(jìn)行仿真的情況下，由于電磁場(chǎng)近場(chǎng)的復(fù)雜性，軟件仿真不可避免的存在一定的失真，這種失真在高頻和高復(fù)雜度的芯片設(shè)計(jì)時(shí)將十分嚴(yán)重，以致模擬結(jié)果和實(shí)際器件性能有很大偏差。2、采用傳統(tǒng)的黑盒子網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微波毫米波器件的散射參數(shù)進(jìn)行測(cè)量?jī)H能對(duì)器件的輸入輸出特征進(jìn)行測(cè)量，說(shuō)明不了信號(hào)在器件內(nèi)部的局域特性，比如微波電流在復(fù)雜芯片上的分布。3、采用場(chǎng)強(qiáng)儀配合特制的高頻天線對(duì)微波毫米波器件的表面進(jìn)行掃描的方法，由于特制的高頻天線本身的尺寸往往比較大，掃描的精度有限；此外特制的高頻天線本身是金屬制作的，天線本身對(duì)電磁場(chǎng)存在較大擾動(dòng)，降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性。而采用高頻近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭對(duì)微波毫米波器件的表面進(jìn)行掃描的方法，由于高頻探頭本身是基于法拉第電磁感應(yīng)原理而設(shè)計(jì)的，目前商用高頻探頭的尺寸最小也在毫米量級(jí)，相對(duì)于微波毫米波芯片的微米級(jí)布線，這類近場(chǎng)探頭還是太大，不能提供表征芯片近場(chǎng)分布的有效信息。

針對(duì)微波毫米波芯片表面的近場(chǎng)電磁場(chǎng)成像的應(yīng)用，現(xiàn)有的微波近場(chǎng)成像分析手段均不滿足要求。而基于光學(xué)的光探測(cè)磁共振磁場(chǎng)探測(cè)方法可以做到很高的靈敏度和空間分辨率，并且對(duì)被測(cè)微波場(chǎng)沒(méi)有擾動(dòng)，所測(cè)量到的場(chǎng)強(qiáng)度不需要任何標(biāo)定，可以作為一種電磁場(chǎng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

基于脈沖光探測(cè)磁共振的電磁場(chǎng)近場(chǎng)成像系統(tǒng)及方法將可以滿足針對(duì)微波毫米波芯片表面的近場(chǎng)電磁場(chǎng)成像的場(chǎng)景的需求。這樣的系統(tǒng)具備幾個(gè)特點(diǎn)：1、高分辨率，該系統(tǒng)采用光學(xué)成像的方法對(duì)金剛石的熒光進(jìn)行成像，可以達(dá)到亞微米的成像分辨率；2、基于脈沖光探測(cè)磁共振方法的磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度可以達(dá)到納特斯拉(nT/√Hz），這大大提高了磁場(chǎng)成像的靈敏度；3、金剛石顆粒本身的化學(xué)成分為碳和雜質(zhì)氮，這兩種物質(zhì)均對(duì)電磁場(chǎng)沒(méi)有擾動(dòng)，因此這一技術(shù)可以做到真正的非破壞電磁場(chǎng)成像。4、該技術(shù)主要采用光學(xué)探測(cè)的方法，利用軟件進(jìn)行數(shù)值處理并成像，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

微波場(chǎng)的近場(chǎng)成像方法近年來(lái)越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重視。微波近場(chǎng)可用于對(duì)材料微波屬性的非破壞表征，測(cè)量材料的電解質(zhì)常數(shù)。微波掃描探針技術(shù)利用一個(gè)帶針尖的高品質(zhì)因子微波諧振腔掃描樣品，通過(guò)測(cè)量品質(zhì)因子的變化，獲得材料局域介電常數(shù)的高分辨圖像。利用微波收發(fā)芯片的近場(chǎng)回波，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽目標(biāo)和缺陷的排查，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)腫瘤成像和橋梁路基工程的裂縫檢測(cè)。

近年來(lái)人們發(fā)展了基于自旋電子學(xué)器件的微波近場(chǎng)測(cè)量方法。基于自旋轉(zhuǎn)移矩二極管效應(yīng)，科學(xué)家在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了近200mV/mW的功率靈敏度。位于微波場(chǎng)中的磁性隧道結(jié)（上自由鐵磁層/絕緣層/下參考鐵磁層）會(huì)吸收微波產(chǎn)生焦耳熱，由于磁性隧道結(jié)的自由鐵磁層和參考鐵磁層的非對(duì)稱性，上下鐵磁層因焦耳熱升溫變化不同，這就導(dǎo)致絕緣層上下有一個(gè)溫度梯度，并在上下兩層之間形成電勢(shì)差，這就是塞貝克整流效應(yīng)。由于磁性隧道結(jié)可通過(guò)微納加工方法制備，尺寸可以達(dá)到納米級(jí)別，因而具有很高的空間分辨率，功率靈敏度達(dá)到1mV/mW。

本文主要內(nèi)容基于以下工作：

M. M.Dong, et al., “A fiber based diamond RF B-field sensor and characterization ofa small helical antenna”, Appl. Phys. Lett.113,131105 (2018).

B. Yanget al., “Non-Invasive Imaging Method of Microwave Near Field Based on SolidState Quantum Sensing”, IEEE trans. on Micr. Theo. and Tech. 66, 2276 (2018).

A.Horsley et al., “Imaging of Relaxation Times and Microwave Field Strength in aMicrofabricated Vapor Cell”, Phys. Rev. A 88,063407 (2013).

A.Horsley et al., “Widefield Microwave Imaging in Alkali Vapor Cells with sub-100um Resolution”, New J. Phys. 17,112002(2015).

作者：南京郵電大學(xué) 杜關(guān)祥教授