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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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, `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
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其中H为加热臂的热容量。1 I+ J) y5 N# Q
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, 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( ~
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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。
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' [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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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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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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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。
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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
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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
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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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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
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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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