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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 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。
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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。
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& 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
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其中H为加热臂的热容量。
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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。
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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。2 l8 k1 i& y5 t b% K
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+ 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 |
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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
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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:
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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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* ]+ {: 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
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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, @
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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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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
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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.
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