文|云凡奕清

编辑| 云凡奕清

我们提出了一种用于片上光无线通信的双等离子体Vivaldi天线。所提出的天线是由硅波导馈电的双元件宽边阵列。详细介绍了功率分配器和用于天线激励的混合硅等离子体耦合器的设计。通过有限差分时域仿真优化阵列辐射特性，并评估点对点链路的性能。

介绍

利用并行计算潜力的芯片多处理器（CMP）是满足不断提高计算系统效率的持续需求的最先进的解决方案，CMP 由几个较小的处理内核组成，这些内核经过多次设计和复制。

它们通过使用跨内核的多个线程并行执行代码来实现性能提升。随着CMP中内核数量的不断扩大，这些内核的高效互连正在成为一项重大挑战，以避免通信瓶颈并满足高带宽，低功耗和低延迟要求，而实际上，传统的点对点连接无法通过专用线路进行。

片上网络（NoC）已经成为一种能够在多核片上系统高度集成的技术。引入NoC是为了通过设计常规拓扑来降低布线复杂性并提高通信效率。然而，传统NoC的一个重要性能限制，主要由交换元件、网络接口和交换机间链路构成，源于基于平面金属互连的多跳通信以及随之而来的高延迟和功耗。

事实上，在物理层面，金属互连负责压低片上数据带宽，同时消耗越来越多的功率。已经研究了不同的方法来克服这些限制，从集成光学到无线片上通信。

基于光片上网络（ONoC）的架构依赖于与电子层堆叠的光层，该光层允许光域中不同内核之间的通信。

光网络显著改进了电子技术，但代价是布局复杂、路由算法复杂，功率预算高。此外，随着网络规模的扩导交叉导致的信号损耗和串扰急剧增加；富塞拉和西拉多。

克服传统NoC性能限制的另一种新兴技术是片上无线网络（WiNoC），它利用片上无线传输来执行混合有线/无线通信。在这种方法中，硅集成天线取代了有线信道，因此可以同时解决传统有线NoC的传输性能，功耗和远距离通信问题;甘古利等人。

最近的研究已经确定了硅集成天线的特性，该天线的工作范围为几十到一百千兆赫的毫米波范围，用于芯片内和芯片间通信。片上无线通信链路不仅缓解了传统技术的延迟问题，还缓解了拓扑限制。

作为对应物，在几十到一百千兆赫的毫米波范围内工作的片上天线的可集成性较低，并且在CMP通信级别并不总是可行的解决方案;因此，至少在太赫兹范围内，应该需要更高的工作频率来减小辐射元件的尺寸。

一种全新的方法，可以结合ONoC和WiNoC的优点，是通过光学纳米天线进行片上无线连接。最近的研究提出了用于无线通信的不同等离子体天线，例如偶极子和喇叭天线，但提出的解决方案基于全等离子体结构，没有解决在基于SOI的片上光网络中集成此类设备的问题。

事实上，使用SOI集成天线，光信号可以通过波导或无线链路路由，从而避免集成电子设备进行光电转换，从而降低复杂性和能源成本。消除电光转换也有可能保证比特率透明度和光子链路的距离独立性。

光学天线和SOI波导之间的高效耦合并非易事，特别是当点对点连接需要高度指示辐射时。已被提议用于无线应用。但是为了保证与标准光学元件的完全兼容性，应考虑硅波导馈电。

为了便于在光纤有线和无线连接之间集成，应对由于信号传播引起的高传播损耗问题，在光波长下，引入的衰减约为，需要对天线性能进行一些改进，以使这种方法适用。的结果，在本文中，我们提出了双Vivaldi天线的设计，旨在提高发射和接收部分的增益，从而降低光无线链路的功率预算。

阿拉伯数字 双维瓦尔第天线耦合到硅波导

1A 和由两个 Vivaldi 辐射器的宽边阵列组成，通过硅波导馈电。两个天线的激励由三波导耦合器提供，该耦合器充当信号分配器。对于阵列的宽边激励，信号必须平均分配，并以相同的相位到达两个天线。这是通过正确设计三波导耦合器长度以及天线和耦合器端口之间连接的对称性来实现的。

我们将首先研究混合硅等离子体耦合器的设计，该耦合器给出了输入信号分裂区域和天线几何参数的约束。事实上，为了正确馈送两个Vivaldi天线，确保硅和开槽等离子体波导之间的有效功率传输至关重要。在定义了混合耦合器的最佳尺寸之后，我们将描述信号分割区域的设计和单个Vivaldi天线的优化。

混合硅等离子体耦合器的设计

为了设计馈送每个Vivaldi天线的Si等离子体耦合器，已经利用了耦合模式理论（CMT）和正常模式分析的结果。

虽然在考虑强耦合波导时，CMT并不严格，但只要通过全波仿真进行验证，它就可以用于实现几何设计，计算工作量可以忽略不计。

可以看作是两个单波导的叠加，即等离子体槽波导和Si波导。要实现同步条件（δ=β2?β1=0跟β1和β2两个波导基本模态的传播常数，当被认为是非耦合的时），两个单一结构的有效折射率必须相等。

为此，我们选择改变两个波导的宽度，其他几何参数被视为常数，等于：h=220?=220,t=50和g=80，与标准SOI波导和制造技术兼容。

显示了等离子体波导的宽度p，它保证了同步条件，作为相应Si波导宽度w的函数。在这种情况下，开槽等离子体波导的间隙为s=30纳米。

该设计曲线的每个点（p，w）对应于波导宽度值的可能对，这些值保证了Si和等离子体波导之间的总功率传输。为了在不同的可能解决方案中进行选择，我们计算了耦合长度Lc，对于不同的宽度值耦合，通过有限元法（FEM）评估超模态。

根据正态模式分析，一旦验证了同步条件，耦合长度Lc可以计算为：

Lc=λ2(nC1?nC2)

哪里nC1和nC2是整个混合耦合器前两种正常模式的有效折射率。某些计算点的耦合长度Lc和有效折射率n的值eff同步的单波导。w值越高，p值越低，耦合长度越长。

我们选择了w=380纳米p=270纳米，因此，Lc=1.63 μ米。

这种配置是一个很好的折衷方案，可确保较短的耦合长度，而不会使等离子体波导的宽度扩大太多。通过这种方式，预计金属损耗更低，天线效率更高。此外，由于所选配置接近图中设计曲线的垂直部分。允许在选择P时有较大的公差（通过改变p，对于几乎相同的W值仍能达到同步条件）。这种情况无疑简化了制造过程，因为几何形状的控制可能很困难。

双维瓦尔第天线辐射特性

双 Vivaldi 天线表现为双元件宽边阵列，其中两个天线被相同幅度和相位的信号激励。正如预期的那样，三波导耦合器的设计和馈电部分的对称性保证了这种情况。双维瓦尔第天线由FDTD像以前一样设计和优化。a显示了双Vivaldi阵列的方向性（蓝色曲线）和增益（红色曲线），天线之间的中心到中心距离d2V=2.0 μ米。

天线之间的距离值是通过参数分析选择的，目的是最大化天线阵列的增益。与单个 Vivaldi 天线相比，这种配置可实现3dB 的增益提升。

E平面上的孔径角为θE=13°在 H 平面上是θH=37°。与单天线相比，θE减少Δθ=16°而θH保持不变，正如天线沿 xz 平面上的 x 轴定位的线性天线阵列所预期的那样。

通过模拟整体结构（即输入波导、信号分配器、混合耦合器和天线），然后应用近场到远场投影来计算增益和辐射方向图，计算出4个。因此，增益的计算考虑了波导到天线连接引起的失配损耗、金属损耗以及信号分裂区域引起的最终损耗。

两个双维瓦尔第天线之间的无线链路性能，通过FDTD模拟进行评估。发射天线和接收天线位于一定距离dlink=50，验证了远场传播的假设。

均匀的周围介质，即折射率高的二氧化硅nS我O2=1.44已在模拟中考虑。链路的输入和输出端口在图中突出显示。

这些端口分别在硅波导上定义，分别位于发射器（TX）和接收器（RX）;它们允许通过评估功率通量直接计算功率Pt提供给发射天线和电源Pr由接收器收集，因此得到链路功率预算。

我们提出了一种用于片上光纤无线网络应用的双Vivaldi宽边天线阵列。天线配置是由硅波导馈电的双元件阵列。信号馈送部分由三波导耦合器组成，用作信号分配器。

此外，两个混合硅等离子体耦合器保证了Vivaldi天线的有效激励。这种设计将单个Vivaldi天线的增益提高了3dB。

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