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基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量技术

2020年电子技术应用第12期

王昊1，顾邦兴1，陈国彬1，2，杜关祥1

1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003；2.宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁223800

摘要： 为了满足微波器件进行高分辨率、非破坏性微波矢量近场测量的需求，提出了一种基于金刚石氮空位(NV)色心的全光学微波近场矢量测量技术。该技术利用NV色心对其轴向的圆形极化电磁场的敏感特性，将粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，在外部静磁场环境中测量得到具有8个峰的光探测磁共振(ODMR)谱，并在每个ODMR谱峰所对应的微波频率下测量微波器件表面不同NV轴方向的电磁场分量分布，从而得到微波近场矢量测量结果。最后，利用3 μm金刚石颗粒对谐振频率2.87 GHz的微带天线进行近场矢量成像，实验结果证明了该方法的有效性，可广泛用于芯片电磁兼容测试、集成微波芯片失效分析、数字电路信号完整性分析等。

關鍵詞： NV色心微波磁场矢量测量天线表征全光学

中圖分類號： TN407
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200480
中文引用格式： 王昊，顧邦興，陳國彬，等. 基于金剛石NV色心的微波近場矢量測量技術[J].電子技術應用，2020，46(12)：5-8，13.
英文引用格式： Wang Hao，Gu Bangxing，Chen Guobin，et al. Microwave near field vector measurement method based on nitrogen-vacancy center ensembles in diamond[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(12)：5-8，13.

Microwave near field vector measurement method based on nitrogen-vacancy center ensembles in diamond

Wang Hao1，Gu Bangxing1，Chen Guobin1，2，Du Guanxiang1

1.School of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Post and Telecommunications， Nanjing 210003，China； 2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China

Abstract： In order to meet the needs of microwave devices for high-resolution, non-destructive microwave vector near-field measurement, an all-optical microwave near-field vector measurement technique based on diamond nitrogen-vacancy(NV) centers is proposed. Using the sensitivity of NV centers to the circularly polarized electromagnetic field, the tapered optical fiber probe with diamond NV center is used as the sensor to measure the optical detection magnetic resonance(ODMR) spectrum with 8 peaks in the external static magnetic field environment, and the distribution of electromagnetic field components in different NV directions on the surface of microwave device is measured under the corresponding microwave frequency of each ODMR spectrum peak. The results of microwave near-field vector measurement are obtained. Finally, 3 μm diamond particles are used for near-field vector imaging of microstrip antenna with resonance frequency of 2.87 GHz. The experimental results show the effectiveness of the method, which can be widely used in chip electromagnetic compatibility(EMC) test, integrated microwave chip failure analysis, digital circuit signal integrity analysis, etc.

Key words : nitrogen-vacancy center；microwave field；vector field measurement；antenna characterization；all-optical；non-destructive

0 引言

近年來，隨著軍用航空航天、5G技術、衛星通信、醫學檢測、汽車電子等應用領域的蓬勃發展，微波毫米波技術因其頻譜寬、可靠性高、方向性好、波長短等優點受到人們的青睞，微波毫米波器件的產生也推動了半導體市場快速增長。現如今，芯片等高集成度電路的工作頻率越來越高，最小線寬不斷縮小，制造工藝、加工精度也不斷地提升，整個系統逐漸小型化、微型化。芯片測試作為芯片設計生產過程的最后一個環節，為保證芯片的功能正常性與性能指標的準確性，起著非常重要的作用，但是芯片測試與失效分析技術發展的速度遠趕不上芯片設計與制造工藝發展的速度。傳統的芯片微波近場測量一般利用金屬開放式波導，由于金屬探頭會對待測微波磁場產生干擾，且探頭本身尺寸相較于芯片的微米級布線來說較大，難以進入器件內部，故無法滿足高分辨率、非破壞性的矢量微波近場測試要求，因此開發一種全新的芯片表面微波磁場矢量測量技術至關重要。

氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心是金剛石中由替換碳原子的氮原子與其相鄰空位構成的一種具有熒光特性的缺陷。NV色心在空間中具有矢量敏感特性，沿著NV軸方向的靜磁場與垂直于NV軸平面的極化電磁場都會影響NV色心的熒光特性。根據金剛石的正四面體原子結構可知，具有多個NV色心的金剛石顆粒中共有4種不同固定方向的NV色心，因此可以進行靜磁場以及微波場的矢量測量^[1]。

基于金剛石NV色心的光學性質和矢量敏感特性^[2]，利用末端粘有金剛石NV色心的錐形光纖探頭作為傳感器，研究了一種微波器件表面的微波近場矢量測量技術。該技術采用全光學的方法，不會對待測器件表面的電磁場產生干擾，屬于非破壞性測量，且金剛石顆粒尺寸可以達到亞微米甚至納米級別，能夠無障礙進入器件內部，物理接近待測近場，空間分辨率得到顯著提高。除此之外，由于使用量子標定的手段，理論上可以做到完全的磁場或者電場敏感，工作頻率在DC-100 GHz之間，可用于微帶天線、微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。

本文介紹了3 μm金剛石探頭的制作流程和光學系統的搭建，詳細闡述了器件表面微波磁場矢量測量的原理和過程，并在不同的微波頻率作用下，分別對諧振頻率為2.87 GHz的微帶天線進行近場矢量成像，驗證了該技術的有效性與可操作性。

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作者信息：

王昊1，顧邦興1，陳國彬1，2，杜關祥1

(1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003；2.宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷223800)

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