SOI平台上热光相移器设计优化与热串扰抑制技术

逍遥设计自动化

引言
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]。

nykminjxda364046318231.png

. `6 @: n1 F8 |8 t0 e  r& o
  ~- R+ K0 q! [8 h/ b2 A# F$ J1
热光相移器的设计基础
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。
& W: Q- v7 Q  E/ S: p

rhsmgaczkt064046318331.png

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。

热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定：

7 t8 x: `  e: m; o" HP = ΔT × G × A

1 o9 {2 t/ h/ u( V8 `4 Y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：

τ = H/(G × A)
: N' s3 E3 r. ?$ M2 U% l- S
其中H为加热臂的热容量。

2
优化策略
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。
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。
[/ol]

c52yreacstb64046318431.png

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。

% A( o  Q! a' L( K* d/ \3 x+ h/ ?3
- E# o* Z& H- o热串扰管理
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
9 f5 x8 }+ i! `5 k, @2 R: x* G8 ?[/ol]

0xpi53ujrgm64046318532.png

% q/ t/ T7 e; w! G1 O1 }6 P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。
+ R1 L! O/ E" d
4
性能特征
$ G4 p3 h8 b( v, N; r; d3 @  X优化后的热光相移器显示出明显的性能特征：
4 C/ x1 P- b+ h4 Q. O

gk2ykrbyvgm64046318632.png

# a  H+ T' ?  I4 k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。
1 `. M+ j" h7 g' G% Z' [8 ^
+ `( h$ t$ j8 I! W2 P  G主要性能指标包括：

开关功率（Pπ）：
TiN设计为21.4 mW，N++ Si设计为22.8 mW

时间常数：
TiN为5.6 μs，N++ Si为2.2 μs

光损耗：
两种设计均

功率稳定性：
4 w& ]9 }# Y7 _: F* U% j' f0 F2 m* G10分钟内变化
- C- r4 L0 X4 K2 n/ O[/ol]5
实际实施考虑因素
# }6 B- k# Y9 u4 J在实际器件实施过程中，需要注意以下几个方面：

温度分布：
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：
合适的金属化和接触设计确保可靠运行

布局考虑：
' q* a3 v, {  \. K( t器件间距必须考虑热串扰

工艺兼容性：
  |5 h8 o/ P( e7 ^设计应与标准CMOS制造工艺相适应
[/ol]
# G9 v) h5 Q9 s8 R

pjsvitcull164046318732.png

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。

- r6 d/ Z9 c2 t# L% `3 p6
结论
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。

参考文献
4 H4 C+ T$ b( F- \9 N" w& k* u[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.
, x9 j/ j% o) e% s5 x# i* EEND

$ h: J# g3 x. h软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
: s5 O4 I- v) {' }! n8 G: V
( p- q: Q5 r5 W欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
1 M0 N5 E" G. U, U
1 O2 Q: _$ ]" w6 F# H
2 w0 J0 ?1 z; ~" e6 @: x& ]
: r. R' k6 V& p. }& B

5odpddpisuy64046318832.gif

关注我们
5 d6 N" p  x1 N/ [

br5krv33dzf64046318932.png

/ A* M+ Z0 _8 M$ C8 X$ w og4ysm0qkgp64046319032.png

sw4oktbb3ep64046319132.png

                     

2 X5 m. ~2 b  u- B1 z, F' ^
8 [/ ?, Z  S' ?/ I" K
关于我们：
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。
+ Z; P0 A* T+ G6 {
http://www.latitudeda.com/
. V. C+ e2 M! W3 i9 i+ D（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）