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
$ j/ A. b# T2 `9 z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]。

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热光相移器的设计基础
9 n6 U3 z( q/ e9 y- S# @5 q9 G$ R% f2 e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。
5 ?" t1 l2 h5 t" p1 c. e- y

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4 P8 P1 F* {- s8 X% w% K$ i% T7 h3 d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。

" r& x" x5 g9 F% F" c( N热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定：
3 g8 [% Q. Y' t& M& I
; v: w" N/ |2 @P = ΔT × G × A

. ~) Z* W6 z) R, Y7 i4 {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：

9 h7 _' U$ B$ z3 w+ O3 n( _τ = H/(G × A)
# R9 h* _' W: H% @0 K) A! a" G
! |) B5 |, `! U( ]0 J8 s5 V) F其中H为加热臂的热容量。
5 p1 V; E$ U+ `2 h  P5 p+ N
2
) u1 P6 g! m, J. Z& I4 r( o" Z优化策略
; T) P. S0 Q1 B+ e& p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。
& a( o. k& Y2 j4 Y1 pTiN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]

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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。

- ~( u% T$ o5 z/ [7 @' O- E3
热串扰管理
. `. C/ k$ m$ ]% h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
[/ol]

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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。

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性能特征
2 z* M- s! S% [, }优化后的热光相移器显示出明显的性能特征：
' w; r; u3 B. D5 e; D

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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。

主要性能指标包括：

开关功率（Pπ）：
/ s2 S6 a6 A% Y9 {; a. RTiN设计为21.4 mW，N++ Si设计为22.8 mW

时间常数：
9 K9 j2 V* |; j2 _! Y# FTiN为5.6 μs，N++ Si为2.2 μs

光损耗：
两种设计均

功率稳定性：
* w! O* t& H4 t1 e" d10分钟内变化
/ f" d+ e1 m5 f; e% ?[/ol]5
3 E8 J% P( E8 W. [2 U0 _实际实施考虑因素
3 q" s7 G1 V" j% M% W, h, U+ E7 E% C$ ?6 k在实际器件实施过程中，需要注意以下几个方面：

温度分布：
+ n. v/ c, O0 V7 F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：
/ A- E6 f- L" j4 i% ]% y# W! O器件间距必须考虑热串扰

工艺兼容性：
设计应与标准CMOS制造工艺相适应
. \7 f6 t" B6 C1 P[/ol]
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( T9 F  R. x! x6 a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。
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: i  i7 F7 p% Z* E8 t5 E结论
' H' M8 g% F% G# I) H  n) g% R% o1 H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。
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参考文献
: ?! b. M! ]' g+ p& ~. [' ?[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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