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
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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  X# o2 ?% D. L: B1
热光相移器的设计基础
9 d" v8 x2 S5 w* i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。
: o5 `3 F% n( h9 V

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6 a& ~9 m5 r! t: V; c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。

/ M$ s6 ~7 F. w8 }热光相移器的效率和速度由以下关键方程决定：
! C, h4 W* D1 [! O  s) D# s2 `
P = ΔT × G × A
6 D! d3 M  A4 K
2 O) {& D; R8 b7 H5 l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 a+ X! L5 o; m; w- P! D) D
' Q/ B6 h4 X3 y( r& S! wτ = H/(G × A)

其中H为加热臂的热容量。

  r5 G1 R+ z4 y% O9 X/ P5 C; c& m2 {2
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。
[/ol]

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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 V; O) ], w) [
) s- g, i: L2 s- }; `3
热串扰管理
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
- f5 f- D4 ]0 G/ w[/ol]

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' ]2 j+ Z/ {, F. d: V8 L" `8 W+ ^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。

* ?+ x" E- ~" S9 f, E7 z1 B4
. M, D% r2 ]5 n7 _/ p' G! S# d" M性能特征
优化后的热光相移器显示出明显的性能特征：

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5 A, ^, F1 @- C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。

8 t& H. _0 R7 t8 W主要性能指标包括：

开关功率（Pπ）：
TiN设计为21.4 mW，N++ Si设计为22.8 mW

时间常数：
5 y# r' `0 P! M/ y2 S7 jTiN为5.6 μs，N++ Si为2.2 μs

光损耗：
两种设计均

功率稳定性：
" n7 m  P* {, t6 u9 y* h3 j, ^  r7 h10分钟内变化
+ w* }" o2 J5 H& e' |1 t: ?[/ol]5
. m% k3 c1 T* u/ j' \! F* e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：
合适的金属化和接触设计确保可靠运行

布局考虑：
0 A4 j2 j8 W. G; @' I  B器件间距必须考虑热串扰

工艺兼容性：
设计应与标准CMOS制造工艺相适应
[/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。

6
结论
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.
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