[論文レビュー] Breaking the challenge of signal integrity using time-domain spoof surface plasmon polaritons

Hao Chi Zhang, Tie Jun Cui+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、集積回路および無線システムにおける信号整合性、干渉抑圧、小型化のトレードオフを克服するため、鏡対称なプラズモン波ガイドにおける時間領域におけるスプーフ表面プラズモン極性子（SPP）を提案する。誘電体基板上に溝のある金属ストリップを用いることで、深くサブ波長以下の波ガイド間隔であっても強いサブ波長閉じ込めと低クロストークを実現可能であり、従来のマイクロストリップラインに比べて優れた信号性能を示す。

ABSTRACT

In modern integrated circuits and wireless communication systems/devices, three key features need to be solved simultaneously to reach higher performance and more compact size: signal integrity, interference suppression, and miniaturization. However, the above-mentioned requests are almost contradictory using the traditional techniques. To overcome this challenge, here we propose time-domain spoof surface plasmon polaritons (SPPs) as the carrier of signals. By designing a special plasmonic waveguide constructed by printing two narrow corrugated metallic strips on the top and bottom surfaces of a dielectric substrate with mirror symmetry, we show that spoof SPPs are supported from very low frequency to the cutoff frequency with strong subwavelength effects, which can be converted to the time-domain SPPs. When two such plasmonic waveguides are tightly packed with deep-subwavelength separation, which commonly happens in the integrated circuits and wireless communications due to limited space, we demonstrate theoretically and experimentally that SPP signals on such two plasmonic waveguides have better propagation performance and much less mutual coupling than the conventional signals on two traditional microstrip lines with the same size and separation. Hence the proposed method can achieve significant interference suppression in very compact space, providing a potential solution to break the challenge of signal integrity.

研究の動機と目的

• 高性能な集積回路および無線通信システムにおける信号整合性、干渉抑圧、小型化という相反する要件に対処すること。
• 強いクロストークと信号整合性の悪化を伴う高密度な環境下で、従来のマイクロストリップラインに見られる制限を克服すること。
• 深くサブ波長以下の間隔であっても強いサブ波長閉じ込めと低クロストークを実現するプラズモン波ガイド構造の開発。
• 実験的および理論的検証を通じて、スプーフSPPがコンパクトで密に配置された構成において従来の信号を上回ることを示すこと。

提案手法

• 誘電体基板の両面に鏡対称で細い溝加工を施した金属ストリップを用いたプラズモン波ガイドの設計。
• 非常に低い周波数からカットオフ周波数まで、強いサブ波長場の閉じ込めを実現するスプーフ表面プラズモン極性子（SPP）の利用。
• 時間領域励起を用いてスプーフSPPを一時的信号に変換し、信号伝送を実現。
• 深くサブ波長以下の間隔で2つの波ガイドを密に配置し、実際の集積回路の状況を模擬。
• 同一の幾何的制約下で、従来のマイクロストリップラインと比較したクロストークおよび伝搬特性の理論的・実験的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鏡対称な波ガイド構成におけるスプーフSPPは、深くサブ波長以下の間隔で強いサブ波長閉じ込めと低クロストークを達成できるか？
• RQ2 同じコンパクトな構成下で、時間領域スプーフSPPの信号整合性は従来のマイクロストリップラインに比べてどの程度優れているか？
• RQ3 高密度統合回路において、スプーフSPPを用いることで干渉抑圧はどの程度向上できるか？
• RQ4 鏡対称性が、時間領域におけるスプーフSPPの効率的な励起と伝搬を可能にする役割は何か？

主な発見

• 提案されたプラズモン波ガイドは、非常に低い周波数からカットオフ周波数まで、強いサブ波長場の閉じ込めを実現するスプーフSPPを支持する。
• 深くサブ波長以下の間隔において、同じ幾何形状であっても、SPP信号は従来のマイクロストリップラインに比べて顕著に低い相互結合を示す。
• 理論的および実験的結果により、コンパクトで密に配置された構成下でも優れた伝搬特性と信号整合性が確認された。
• 鏡対称設計により、時間領域スプーフSPPの効果的な励起と制御が可能となり、高密度統合状況下でのクロストーク低減が実現された。