《电子技术应用》
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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。
中图分类号： TN407
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200480
中文引用格式： 王昊，顾邦兴，陈国彬，等. 基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量技术[J].电子技术应用，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

    近年来，随着军用航空航天、5G技术、卫星通信、医学检测、汽车电子等应用领域的蓬勃发展，微波毫米波技术因其频谱宽、可靠性高、方向性好、波长短等优点受到人们的青睐，微波毫米波器件的产生也推动了半导体市场快速增长。现如今，芯片等高集成度电路的工作频率越来越高，最小线宽不断缩小，制造工艺、加工精度也不断地提升，整个系统逐渐小型化、微型化。芯片测试作为芯片设计生产过程的最后一个环节，为保证芯片的功能正常性与性能指标的准确性，起着非常重要的作用，但是芯片测试与失效分析技术发展的速度远赶不上芯片设计与制造工艺发展的速度。传统的芯片微波近场测量一般利用金属开放式波导，由于金属探头会对待测微波磁场产生干扰，且探头本身尺寸相较于芯片的微米级布线来说较大，难以进入器件内部，故无法满足高分辨率、非破坏性的矢量微波近场测试要求，因此开发一种全新的芯片表面微波磁场矢量测量技术至关重要。

    氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心是金刚石中由替换碳原子的氮原子与其相邻空位构成的一种具有荧光特性的缺陷。NV色心在空间中具有矢量敏感特性，沿着NV轴方向的静磁场与垂直于NV轴平面的极化电磁场都会影响NV色心的荧光特性。根据金刚石的正四面体原子结构可知，具有多个NV色心的金刚石颗粒中共有4种不同固定方向的NV色心，因此可以进行静磁场以及微波场的矢量测量[1]。

    基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性[2]，利用末端粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，研究了一种微波器件表面的微波近场矢量测量技术。该技术采用全光学的方法，不会对待测器件表面的电磁场产生干扰，属于非破坏性测量，且金刚石颗粒尺寸可以达到亚微米甚至纳米级别，能够无障碍进入器件内部，物理接近待测近场，空间分辨率得到显著提高。除此之外，由于使用量子标定的手段，理论上可以做到完全的磁场或者电场敏感，工作频率在DC-100 GHz之间，可用于微带天线、微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。

    本文介绍了3 μm金刚石探头的制作流程和光学系统的搭建，详细阐述了器件表面微波磁场矢量测量的原理和过程，并在不同的微波频率作用下，分别对谐振频率为2.87 GHz的微带天线进行近场矢量成像，验证了该技术的有效性与可操作性。




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作者信息：

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)

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