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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
% U, `' e& k( \" {, g! T. G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]。3 X# _8 d0 A1 [, x

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4 H; _) J; B! P  V' N& S& `# _' C% y7 w
1
4 J  p9 b1 l5 R- g$ G. i热光相移器的设计基础
/ J: ^- ?5 U( b0 Z+ ?  W; f; R: k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。
+ z: P' v: d" K/ a1 L- T- o6 T

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7 |* v# I' y3 o0 H5 u5 N4 R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。
* B# h' C9 B; T* H8 Y- L7 _
& O, D/ w8 R6 d- [( \& ]4 V1 n热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定:
8 D4 E! }. |8 B# g1 n$ `
0 [0 H) T: N( l9 \3 `P = ΔT × G × A0 v0 g" I8 l) j+ h
# ]4 c" i6 V2 _+ V# [
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:- S. V8 C9 K0 @. V( f' ~

7 R4 n# ]3 ^# v& r+ Eτ = H/(G × A)' s# l2 z# H9 X3 \. k9 T" e- r
1 A3 h/ ~  y' ^2 M: M! p
其中H为加热臂的热容量。
9 Q: B! P4 w4 ?% C1 }: A/ H9 v; {; T
2; _5 S4 l3 J- ]# q; {9 V3 [
优化策略
& P+ k& I# s' E2 K" m+ Y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。
    ) u7 l" Q8 F( ]' k% y7 Z3 @TiN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。
    + y! L9 k9 s, N% i8 t$ M[/ol]) p' H4 a- i# [0 i$ i, ~' z

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    " o- \7 e$ t5 ~$ N
    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。2 l8 k1 i& y5 t  b% K

    7 n1 T+ a$ t( m/ q3
    + d) u; J- B! u, _" x热串扰管理
    % e. v1 T+ ^& T1 x; m; d& R; S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0 b" l) e" R" {7 ?9 Q1 |
    [/ol]1 p$ b6 X5 l4 K9 X

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    & d3 `1 p; u, b/ _% n" h5 U  ~, j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。; o0 M( o: y- \' e+ u
    3 p9 q" K# o5 h; ]0 j: W: ]7 D7 R
    43 `& U& i' a  L; g: F* J/ }/ ^4 v# x& c
    性能特征; j0 F1 H8 x$ Y) T- G4 j
    优化后的热光相移器显示出明显的性能特征:
    # B- B# g& N3 o0 {5 G" c! t- F5 V

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    1 |: q# K! o& ^; n/ T
    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。
    ) @% |: I. B/ O8 G" _9 G
    * ]+ {: R& O" ?: l' }主要性能指标包括:
  • 开关功率(Pπ)
    , ~9 @  `( F+ b$ VTiN设计为21.4 mW,N++ Si设计为22.8 mW
  • 时间常数
    . C1 s. N! }) W7 |8 J2 J2 eTiN为5.6 μs,N++ Si为2.2 μs
  • 光损耗
    ' O" [- j1 o- g7 G) @1 h4 N两种设计均
  • 功率稳定性
    ! R/ f9 J! m% s: t10分钟内变化
    3 J" n, q7 V; }4 N1 \8 z[/ol]5
    0 q: O6 Q0 }0 {1 ]8 w实际实施考虑因素0 L5 W% s' W' S! L2 `
    在实际器件实施过程中,需要注意以下几个方面:
  • 温度分布
    % v) x8 ~$ e. A' 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
    / L" w3 `9 ^+ I' Q合适的金属化和接触设计确保可靠运行
  • 布局考虑
    ) D- U/ c1 B8 a器件间距必须考虑热串扰
  • 工艺兼容性
    3 H+ h5 G- a" C设计应与标准CMOS制造工艺相适应( W8 E- g9 d) m9 k, L, @
    [/ol]/ r& T  `! }/ c! N: q* x

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    5 {# }& Z  X" r
    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。
    2 a1 Y: }6 e+ q+ V# S0 w
    2 k+ k1 t" g& W; I; J- Y* e6 i6
    4 M, L3 q$ @6 k4 u! u结论
    ) x+ i5 ]& {' H5 r) r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。0 \6 j2 q/ D) {7 z
    , D  V9 w0 V: t! B( q' K) G" j6 B
    参考文献9 m* \4 N3 B9 K2 d
    [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.
    " h" [2 P+ R! h+ P: p) v0 o2 V* h7 @( OEND
    * N4 V; D1 s8 L1 S; ^# K
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    . a* u: I. \! w' s0 ]  E9 R1 w转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
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    关于我们:5 m+ ~8 t, l; G: N1 l* e
    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。
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