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
6 ]" p; P1 J! h6 _& b, }! K" ]; K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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1
热光相移器的设计基础
1 I4 ~- d- B3 T. h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 X% _/ {5 ]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。
& i+ e( s4 t. D& H; Y
8 `# e0 C! y7 P; a热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定：

P = ΔT × G × A
' g3 h- W) e, q( q; m3 w" j
- |% g1 \' r$ F/ ]  P' |9 W* K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)

其中H为加热臂的热容量。

2
0 o9 I* V, m$ o7 M2 b9 q2 G* D0 e) i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。
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) F' @9 k: L& e/ B+ `5 ]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。

, Y+ h5 W. f$ q, E9 Z' ^9 h. B) g3
热串扰管理
# `7 D5 s5 G4 [; B2 Z! T, A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
" \; S1 C! P4 k[/ol]
2 f8 Y, y/ ^" H! g

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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。

4
性能特征
/ S! {: w. R: A/ e  d( K9 F% ?优化后的热光相移器显示出明显的性能特征：

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, t9 }9 V) f& M. x- P- ]  o$ y9 \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。
/ j; T; o) p% `4 ?
主要性能指标包括：

开关功率（Pπ）：
$ L' @5 A7 x( i( v, l7 E, nTiN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：
, r, i! ?5 ^' y) R  T0 C两种设计均

功率稳定性：
10分钟内变化
[/ol]5
* d  h/ H$ j$ H7 h3 s实际实施考虑因素
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：
: B0 d  L! L# S% r1 }$ {+ J合适的金属化和接触设计确保可靠运行

布局考虑：
器件间距必须考虑热串扰

工艺兼容性：
: Z! W; K6 T" {. I# j设计应与标准CMOS制造工艺相适应
[/ol]
+ r9 c; @; E" W0 \

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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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- m$ i  E$ {, q/ ~7 o) Q$ e6
结论
9 ^' s2 J6 P3 s) B& L4 j. k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。
" t: o, P( }9 J; E2 \. r% A
参考文献
8 s$ v& x7 n7 r* z' z( Y[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.
END

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