无衬底全硅介质波导互连用于混合毫米波与太赫兹系统集成

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：Dielectric waveguide interconnects for hybrid mm-Waves and terahertz system integration

　　

在该工作中，研究人员针对无衬底全硅介电波导这一太赫兹（THz）混合集成平台提出了互连结构，该平台目前依赖传统锥形接口。研究人员展示了两种介质波导到波导的互连方案：截断端接（truncated termination）与四分之一波长匹配（QWM）槽端接。两种设计均维持受限耦合点，从而实现一致耦合。实验结果表明，在220–330 GHz频段内，截断端与QWM槽端接的最大互连耦合损耗分别为5 dB与2.5 dB。QWM槽传输系数保持在?3 dB以上，失准容差达100 μm，较截断设计提升2.5倍。沿三轴的偏移表征揭示在1 mm范围内呈现平滑退耦行为，验证了介质波导接口间宽带、非接触互连的潜力。这些结果确立了一种紧凑太赫兹互连概念，其平移对准容差大幅放宽，非常适用于可扩展6G多芯片阵列与太赫兹传感模块部署。

研究背景与动机

实用毫米波（mm-Wave）与太赫兹（THz）系统需要兼具低损耗传输、紧凑性与稳健封装的集成平台。传统空心金属波导在太赫兹频段受限于Drude损耗、严苛加工公差与机械脆性问题；无衬底高阻本征硅全硅介质波导因近无损传播、强场约束及与微加工工艺兼容而成为新兴平台。已有全硅波导（光子晶体波导、有效介质（EM）波导、无包层介质线波导）虽传播损耗可低于0.1 dB/cm，但现有高性能互连多依赖较长锥形或复杂耦合器，对加工公差与机械失准敏感。针对模块间“最后一厘米互连”在6G前端与相控阵瓦片中对拾放级装配精度与抗振动热漂移的需求，研究人员开展了无衬底全硅平台上紧凑波导—波导互连方案研究，论文发表于《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》。

主要关键技术方法

研究人员采用CST Microwave Studio全波仿真，对截断端与四分之一波长匹配（QWM）槽端接两种无包层硅介质矩形波导在220–330 GHz进行中心对齐与X轴偏移（1 μm步进至100 μm）建模；通过深反应离子刻蚀（DRIE）制备硅样品，一端为待测端接、另一端为4 mm线性锥度接入金属WR-3.4波导，借助环烯烃共聚物（COC）法兰支架定位；使用Anritsu VectorStar矢量网络分析仪配Virginia Diodes WR-3.4扩展模块（220–330 GHz）测量S参数，以SOLT校准将参考面移至金属波导口，并以电机平移台引入可控偏移、光学显微镜监测对齐，仿真另设50 μm残留横向偏移以贴合实际加工过刻与定位分辨率。

研究结果

Concept（概念）

截断端接即两相同介质波导平头对接留微小空气隙，理想对齐时靠基模场重叠耦合，隙宽与横向偏移引发反射与辐射。QWM槽端接在波导末端引入电长度约λ/4的导波槽腔，作为高折射率导模与“气隙+接收波导”负载间紧凑阻抗变换段，缓冲几何扰动。仿真显示完美对齐时截断端|S₂₁|更优（220 GHz约1.5 dB、330 GHz约0.4 dB附加损），但X轴偏至100 μm时截断归一化附加损超4 dB，QWM槽多数情况低于2 dB。

Truncated interconnect（截断互连）

以模式重叠积分近似理想耦合效率，有限气隙用传输线模型表述为特性阻抗377 Ω短自由空间段，输入阻抗随k₀g周期涟漪；横向偏移用横向场互相关η_offset(Δx)描述，CST证实100 μm偏移给截断端带来数dB附加损。

QWM-slot interconnect（QWM槽互连）

槽电长度?_slot≈λ_g,slot/4时满足Z_wg≈Z_slot²/Z_load，输入阻抗Z_in,slot≈Z_slot²/Z_load，反射Γ_QWM降低。全波场图显示槽区局域驻波重布电场，隙口场更约束；面对有限横向偏移时，槽作中间匹配区“缓冲”隙宽与对齐误差，使有效阻抗稳定，|S₂₁|在偏移下退化远缓于截断端。

Measurement（测量）

220–330 GHz实测QWM槽平均插损约?2.5 dB、近275 GHz达?2 dB，截断端平均约?4 dB、280 GHz处深至?5 dB（仿真截断端?2.5~?3 dB，实测劣化源于加工与装配失准）。回损|S₁₁|：截断端测值?13~?16 dB，QWM槽低于?9 dB、260 GHz近?10 dB，仿真可达?20 dB。三轴（X纵向隙、Y垂直、Z横向）偏移至±0.5 mm耦合平滑退化，QWM槽在100 μm内保?3 dB阈值，容差较截断提升2.5×。

讨论与结论翻译

讨论指出，截断端在完美对齐具最高传输系数，但QWM槽在现实装配公差、热漂与振动引起的三轴偏移下显著稳健；QWM槽以紧凑槽几何利用四分之一波长阻抗变换，在220–330 GHz维持低反射与高传输系数，实现可靠介质波导互连。结论为：研究人员提出并验证无衬底全硅介质波导两种紧凑端接，QWM槽端接以约2.5 dB最大耦合损耗、100 μm失准容差（?3 dB以上）与截断端相比容差2.5倍提升，确立适于可扩展6G多芯片阵列与太赫兹传感模块的宽带非接触互连概念。