[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出在镜像对称等离子体波导中实现时域伪装表面等离子体极化激元（SPPs），以克服集成电路与无线系统中信号完整性、串扰抑制与小型化之间的权衡。通过在介电基底上使用刻槽金属条，该设计即使在深亚波长间距下也能实现强亚波长场约束并减少串扰，展现出优于传统微带线的优异信号性能。

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.

研究动机与目标

• 解决高性能集成电路与无线通信系统中信号完整性、串扰抑制与小型化之间的相互冲突需求。
• 克服传统微带线在高密度布线环境中串扰强烈且信号完整性差的局限性。
• 开发一种支持深亚波长间距下强亚波长场约束与低串扰的等离子体波导结构。
• 通过实验与理论方法证明，在紧凑且紧密排列的配置中，伪装SPPs优于传统信号。

提出的方法

• 在介电基底相对两侧表面设计两个镜像对称的窄刻槽金属条，构成等离子体波导。
• 利用伪装表面等离子体极化激元（SPPs），其可在从极低频至截止频率的范围内实现强亚波长场约束。
• 采用时域激励方式，将伪装SPPs转换为瞬态信号以实现信号传输。
• 将两个此类波导以深亚波长间距紧密排列，以模拟实际集成电路中的工作条件。
• 在相同几何约束条件下，对串扰与传输性能进行理论与实验分析，并与传统微带线进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在镜像对称波导结构中，伪装SPPs是否可在深亚波长密集环境中实现强亚波长场约束与低串扰？
• RQ2 在相同紧凑配置下，时域伪装SPPs的信号完整性与传统微带线相比如何？
• RQ3 在高度集成的电路中，使用伪装SPPs可将串扰抑制增强到何种程度？
• RQ4 镜像对称性在实现时域伪装SPPs高效激励与传播中起到何种作用？

主要发现

• 所提出的等离子体波导可在从极低频至截止频率的范围内支持伪装SPPs，并实现强亚波长场约束。
• 在深亚波长间距下，SPP信号的互耦合显著低于具有相同几何结构的传统微带线。
• 理论与实验结果证实，在紧凑且紧密排列的配置中，SPPs具有更优的传输性能与增强的信号完整性。
• 镜像对称设计可有效激励与调控时域伪装SPPs，从而在高密度集成场景中最小化串扰。