硅基超宽带波导的色散工程与制造稳健性设计

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子技术为数据中心和高性能计算系统不断增长的带宽需求提供了创新解决方案。硅绝缘体(SOI)波导是这项技术的基础构建模块，需要仔细设计以达到最佳性能。本文探讨了SOI波导设计方法，该方法平衡了色散特性和制造稳健性，这对实现超宽带密集波分复用(DWDM)应用具有重要意义[1]。

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( I% I! a1 J+ c; t7 C# I图1：SOI波导特性的综合分析：(a) 300mm晶圆上测量的版图布局和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)器件，(b) MZI的传输谱测量结果，(c) 群折射率模型与测量数据和仿真结果的验证，(d) 展示不同波导宽度下色散特性的群速度色散(GVD)热图。

% L6 K' u5 X/ e波导工程的重要性
硅基光电子集成线路的发展依赖于对相位敏感的器件，如环形谐振器和马赫-曾德尔干涉仪。这些器件是光通信中波长分割和信号调制的核心组件。虽然硅波导的厚度通常由代工厂规格预先确定，但宽度仍是工程师可以优化的关键设计参数。这种宽度调节的灵活性为提高制造稳健性和色散特性提供了机会。

更宽波导中的基本光学模式更加集中，使其在制造过程中对侧壁变化的敏感度降低。这个特性对于保持器件制造的一致性性能极为有用。此外，波导的群速度色散(GVD)对其物理尺寸表现出强烈依赖性，这对利用光频梳源的超宽带DWDM应用变得日益重要。
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( o9 P( r' B( f通过先进测量的实验验证
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图2：波导性能的综合分析：(a) 不同宽度下测量的群折射率提取结果，(b) 1550nm处群折射率的标准偏差，(c) 制造稳健性和色散之间的权衡分析，(d) 波长和波导宽度范围内的自由光谱范围(FSR)变化热图。

为开发可靠的设计方法，研究团队使用定制的300mm晶圆进行了广泛的实验验证，该晶圆包含多个测试结构。团队制造并测量了7个光刻版，每个版包含135个MZI，波导宽度从400nm到2500nm不等。这些器件采用了从100nm到500nm的不同臂长延迟，实现了波导特性的全面表征。

测量设置采用了可调谐激光器，在1450-1610nm波长范围内以10pm分辨率扫描，实现了传输谱的精确表征。这种详细的方法为理解波导尺寸与光学性能特性之间的关系提供了宝贵见解。
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理解群折射率建模
8 [* w% O! s0 H% ^" E研究的重要成果之一是开发了描述群折射率随波长和波导宽度变化的解析模型。该模型以既有的有效折射率框架为基础，引入了新元素以考虑制造变化。

2 U' r  N. v) F. Z1 _' [数学公式包含了多项式的比值函数，确保群折射率在大波导宽度下趋近于适当的极限值。这种复杂的建模方法考虑了制造晶圆上波导宽度的系统性收缩，这是硅基光电子制造中的常见挑战。
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优化制造稳健性和色散
研究揭示了制造稳健性和色散特性之间权衡的关键见解。实验结果表明，更宽的波导展现出更好的制造稳健性，这通过测量群折射率值的较小变化得到证实。
* Y- P/ Z7 `6 I7 F* C8 f  Q0 v, }
4 O4 `( C0 q4 r2 M; H* X+ Z  x研究发现，630nm是实现1550nm近零色散的最佳波导宽度。与代工厂工艺设计套件中常用的480nm波导相比，这种配置在制造稳健性方面提高了53%。
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) }5 j$ Y" \6 ^/ J. a对于需要更宽波长覆盖的应用，研究表明800nm波导可以在整个C波段(1525nm至1575nm)内将FSR变化控制在0.1%以内，同时实现制造稳健性提升78%。在色散管理要求较低的场景中，使用宽度超过1200nm的波导可以实现更高的制造稳健性改进。
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* i7 w. D( o! e& g结论
; I* B# ^, V  U0 T- |* J本文介绍适用于超宽带应用的SOI波导工程。该方法得到了广泛的实验验证支持，为在色散控制和制造稳健性之间实现最佳平衡提供了实用指南。这些见解将促进下一代光通信系统更可靠、更高效的硅基光电子器件的开发。

参考文献
- P4 U$ H; ~% u6 u[1] Y. Wang, S. Wang, A. Novick, A. James, R. Parsons, A. Rizzo, and K. Bergman, "Dispersion-Engineered and Fabrication-Robust SOI Waveguides for Ultra-Broadband DWDM," in OFC 2023 - Optical Fiber Communications Conference and Exhibition, 2023, paper Th3A.4.
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