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
% 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]。

nykminjxda364046318231.png

4 H; _) J; B! P  V' N& S
1
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。
+ z: P' v: d" K/ a1 L- T- o6 T

rhsmgaczkt064046318331.png

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。
* B# h' C9 B; T* H8 Y- L7 _
& 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 × A

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：

7 R4 n# ]3 ^# v& r+ Eτ = H/(G × A)

其中H为加热臂的热容量。
9 Q: B! P4 w4 ?% C
2
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。
+ y! L9 k9 s, N% i8 t$ M[/ol]

c52yreacstb64046318431.png

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。

7 n1 T+ a$ t( m/ q3
+ 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
[/ol]

0xpi53ujrgm64046318532.png

& 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。

4
性能特征
优化后的热光相移器显示出明显的性能特征：
# B- B# g& N3 o0 {5 G" c! t- F5 V

gk2ykrbyvgm64046318632.png

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。
) @% |: I. B/ O8 G" _9 G
* ]+ {: 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
3 J" n, q7 V; }4 N1 \8 z[/ol]5
0 q: O6 Q0 }0 {1 ]8 w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：
% 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
[/ol]

pjsvitcull164046318732.png

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。
2 a1 Y: }6 e+ q+ V# S0 w
2 k+ k1 t" g& W; I; J- Y* e6 i6
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。

参考文献
[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.
" h" [2 P+ R! h+ P: p) v0 o2 V* h7 @( OEND
* N4 V; D1 s8 L1 S; ^# K
# n" t  D( H0 f. `. o5 `软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
; X7 x& A$ K( m/ D) Y
欢迎转载

. a* u: I. \! w' s0 ]  E9 R1 w转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
, e: G3 e$ H: m( {3 [8 P1 J

5odpddpisuy64046318832.gif

$ U# x) L! d! ^
( @( ~" x, L& `关注我们
; ?# H4 |; a: `; }3 `# V6 j1 ^( F

br5krv33dzf64046318932.png " W) ]: r3 h2 K! d( D0 F

og4ysm0qkgp64046319032.png ! o/ u: }! n/ O1 Y

2 v3 w9 Y  a8 B! T0 {( t% D sw4oktbb3ep64046319132.png 1 S4 l$ P& M! ?, T

                     
+ E/ e" ?/ o! X- U: [


关于我们：
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。
# ]7 k+ W5 o' E
http://www.latitudeda.com/
. y" i6 a" j( f( e（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）