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SOI平台上热光相移器设计优化与热串扰抑制技术

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发表于 2025-1-3 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言' F0 O5 `' `7 b7 B8 K, t
热光相移器(TOPS)已经发展成为硅基光电子技术的基础组件,在传感、开关、高级通信和神经网络等领域有广泛应用。在硅绝缘体(SOI)平台上,这类器件具有结构紧凑、晶圆尺寸大、成本低、良率高以及兼容CMOS工艺等优势。本文探讨热光相移器的设计优化以及在SOI平台上抑制热串扰的方法[1]。4 o) D0 ?$ L8 h) H

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$ y) o; g) U3 B5 Z. r! v5 {; g. S0 [; d0 R
1
, `8 l+ q2 Z3 k7 ^热光相移器的设计基础0 N" I' Z$ @  G# y2 f
热光相移器的核心原理是利用热效应改变硅波导的折射率。常用的设计方法主要有两种:位于波导上方的金属加热器(通常使用TiN)和放置在波导旁边的掺杂硅加热器。每种设计都具有独特的特点和权衡因素。! p  z& a$ @0 f" y+ I

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" N7 D* u3 L, }( m' k" Y2 k- U* @图1:TiN和N++ Si设计的热学和光学仿真结果,显示了温度分布、热特性、瞬态响应、光模式分布和相位变化。该图展示了不同加热器配置对器件性能的影响。% |3 }  H( e: [1 I" [1 w: x0 h+ C
+ g5 L7 g& |7 p8 h
热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定:8 X$ G) I  Y; `# ^' I( m. O

/ n9 e4 u' ]* ^* rP = ΔT × G × A5 H/ Z0 A9 k% {1 ~

1 W1 g- \, R- y$ q- |0 c其中P为功率,ΔT为温度变化,G为热导率,A为面积。时间常数τ由下式给出:& H, c/ \, U; N( {- F$ Q# W

  \# y) ~; m8 g4 X6 d2 _τ = H/(G × A)" E6 W/ u/ q4 x, q0 K
  w  u: g8 U* Z
其中H为加热臂的热容量。1 I+ J) y5 N# Q
0 m) }: v) J9 P) B
2
, b6 k: w2 g. X( I* u0 e# M优化策略  y1 [4 r7 G2 }
优化热光相移器设计需要考虑多个因素:
  • 加热器宽度:电阻元件的宽度对效率和开关速度有显著影响。
    * h9 X* T1 m, e# a9 R+ xTiN加热器的最佳宽度约为2.5μm,而N++ Si设计每个电阻的最佳宽度为1.0μm。
  • 缓冲距离:在掺杂硅设计中,加热器与波导之间的距离(缓冲宽度)对于平衡效率和光损耗十分重要。* e% }9 c% l( j* m( ~
    [/ol]4 I8 t0 s  j( q0 k& |; S1 i$ q

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    ! y% @8 x7 [: r0 |; Q1 @
    图2:电阻器宽度对热光相移器性能的影响,展示了不同设计的开关功率、时间常数和性能指标。
    7 P6 _# R4 x$ D' v* E; b2 f" U* Z# |
    3
    ' [9 u; A& q, g- f热串扰管理
    - ?( v/ V9 Z5 z+ d& L在高密度光电子集成芯片中,相邻器件之间的热串扰是一个关键考虑因素。研究了三种主要的热隔离方法:
  • 默认氧化物包覆
  • 刻蚀氧化物区域
  • 深沟槽6 W' B  _9 G. ?3 F$ Y+ Y
    [/ol]! K: a0 |$ i8 N# h  E3 ]

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    ) O7 U! V3 h) ^( U$ c" _
    图3:受害MZI中相位变化与加热器功率的关系测量结果,展示了各种隔离技术的有效性。
    2 l, h& q' ~4 n
    9 W( {. O' W7 g6 j, g* \* h$ e49 l. ~2 u7 o. J+ Y" Q
    性能特征
    $ ]: Y7 @9 h& W0 s  x7 |; U优化后的热光相移器显示出明显的性能特征:! n0 U( u* e0 w: n# S

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    $ }  ]+ j8 V9 s: |* q& E3 X
    图4:N++ Si和TiN加热器的交流测量结果,显示频率响应和时域开关行为。
    ) A& u. g6 P' ]; v9 V5 ]9 a0 w( v$ x5 E# d" ?5 P1 H/ Y- J1 N
    主要性能指标包括:
  • 开关功率(Pπ)4 t8 v$ q3 c* x: g3 @& s5 p- R- [
    TiN设计为21.4 mW,N++ Si设计为22.8 mW
  • 时间常数
    ! ]9 T  q- i2 `. cTiN为5.6 μs,N++ Si为2.2 μs
  • 光损耗- k4 \: X& E7 f) k2 P
    两种设计均
  • 功率稳定性6 L" ]- g. p: q: a, i4 p$ q. x
    10分钟内变化. \- t/ f7 W3 u5 Y! `9 Z
    [/ol]5" }  H$ r' y, v3 w. K0 R
    实际实施考虑因素9 Z4 I4 E7 n: C5 X# Q6 v$ R- ^
    在实际器件实施过程中,需要注意以下几个方面:
  • 温度分布( e! g! X9 M' l  a
    必须高效地将热量传递到波导,同时最小化横向扩散
  • 电接触% ]9 e- a) d4 R- e0 |; k7 L% \
    合适的金属化和接触设计确保可靠运行
  • 布局考虑; C2 a! N) U3 _: M' ]8 c
    器件间距必须考虑热串扰
  • 工艺兼容性" K4 B$ z, d  s
    设计应与标准CMOS制造工艺相适应8 W8 s' p' w- D: x
    [/ol]
    $ j* t, P2 c4 `& g

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    ( i4 o4 m# Z7 b" |9 \
    图5:最终的加热器布局,显示TiN和N++ Si热光相移器设计的横截面和俯视图,说明了实际实施细节。
    - M! b7 ~# B$ e0 r  a5 M2 P* P; j. u; ~# ?* ~
    6$ Q9 A9 ]) o& h0 P5 a5 }! z
    结论' }1 h4 R3 b! T% z2 p# U: j
    热光相移器设计的优化是硅基光电子技术发展中的重要进展。TiN和N++ Si方法都提供了可行的解决方案,但N++ Si设计在具有相似功率效率的同时表现出更优越的开关速度。在不使用特殊制造技术的情况下,深沟槽技术证明是最有效的热隔离方法。4 ^; E) W, V- `3 M" A: ?9 K
    3 `% _( m4 z* M5 z% v' ?' r& W( l
    参考文献
    + |4 f! G9 `$ S; H+ w2 F[1] M. Jacques, A. Samani, E. El-Fiky, D. Patel, Z. Xing, and D. V. Plant, "Optimization of thermo-optic phase-shifter design and mitigation of thermal crosstalk on the SOI platform," Optics Express, vol. 27, no. 8, pp. 10456-10471, Apr. 2019.
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    # y& D2 ^# @6 q' }: q. ]关于我们:: _9 H5 ~+ ?$ `+ e6 m  D
    深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。1 a! U3 z8 u  b0 c

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