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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]。" p! B. T5 G$ p8 ^ V6 C
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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。
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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:2 F; n% N1 r, H7 L- x3 S+ R
1 ^8 z4 C4 T8 _! S
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:0 R# K7 g2 `. X
7 t5 o% S) U$ f7 K% E3 s
τ = H/(G × A)* k4 Z$ V5 m8 h( I+ V6 c. i8 T
+ c5 d7 Z$ l+ M6 n9 ^
其中H为加热臂的热容量。* |$ @. j8 p1 e* E3 v
- Q+ K& ?9 P6 W- g7 S$ W& _) B9 z8 I% y
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0 o9 I* V, m$ o7 M2 b9 q2 G* D0 e) i优化策略9 D6 h& G7 U6 c5 f5 A
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。6 f4 F3 s( n( O# D* ?6 j: P: H' D
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。9 H0 `" T# U) y! o
, Y+ h5 W. f$ q, E9 Z' ^9 h. B) g39 s7 c) u4 k* `6 a! M" _) y7 C
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
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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。1 |1 P1 W# |; |. P. ^$ j& s
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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:8 J( j: p$ B5 H2 i2 i( ]
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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 ?5 D0 ~* S: I' J5 G) w4 I/ C4 b8 o
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:1 j- m) O5 S8 Y% _
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:2 t0 q; R) M: h9 b" T0 o( m2 x
10分钟内变化+ _; P( z& |5 h, H& `7 c1 o7 K9 L# p
[/ol]5
* d h/ H$ j$ H7 h3 s实际实施考虑因素5 h: O# ~9 ~0 o1 g9 C7 j) 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:( ]6 |( v- l n% ]( K
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:0 v0 V- V( B& ?: o* c
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8 {; o$ K/ y$ n
[/ol]
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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
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。
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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.- [1 m! }/ t8 n) T2 l
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' u' F7 @; ?1 R, X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。" U M& F6 Y+ E' r9 M
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