01 說明

本示例描述了垂直鍺硅光電探測器完整的器件級多物理(光學(xué)、電學(xué))仿真，并生成集成模型用于INTERCONNECT進(jìn)行光電鏈路仿真。案例還提供了一個自動化的工作流，用于自動運(yùn)行器件級仿真并為CML Compiler收集數(shù)據(jù)以生成集成模型。在本例中計算得到了暗電流和光電流、響應(yīng)度、帶寬和眼圖等關(guān)鍵結(jié)果。

02 綜述

本示例參考自T.-Y Liow等人[1]的論文，波長1.55μm的光照射在硅上鍺垂直光電探測器上，通過錐形結(jié)構(gòu)從硅波導(dǎo)饋入鍺吸收層，該輸入光信號將在鍺層中產(chǎn)生電子-空穴對，隨后在光電探測器中的內(nèi)部電場下分離，并流向形成電荷電流的電觸點(diǎn)。針對上述過程的仿真模擬，本例將使用FDTD求解器用于模擬探測器的光學(xué)性能，用CHARGE求解器仿真器件的電學(xué)性能。在完成器件級仿真后，將所得的結(jié)果導(dǎo)入INTERCONNECT中生成集成模型，用于進(jìn)行光電子鏈路的模擬并獲得眼圖。

步驟1：

使用3D FDTD采用mode光源對1.55μm波長的光進(jìn)行的詳細(xì)電磁學(xué)仿真，計算通過錐形結(jié)構(gòu)并進(jìn)入探測器的傳播光場，得到鍺層內(nèi)的場分布，用于計算吸收分布和光發(fā)生率。然后，將光生成速率導(dǎo)入CHARGE中，以模擬電學(xué)仿真。因?yàn)槠淠Ｊ椒植荚诠ぷ鞑ㄩL范圍內(nèi)相對恒定，所以只使用了單一頻率點(diǎn)對窄帶器件進(jìn)行了仿真模擬。

在這種結(jié)構(gòu)中，由于鍺是吸收層，因此如左圖所示，案例中的計算分析組中的監(jiān)視器(黃色框)包圍著鍺層(如左圖所示)。如右圖所示，是沿傳播方向(x)的任意橫截面處的可視化電場分布。軟件通過計算分析組內(nèi)的腳本，對沿探測器長度對其數(shù)值進(jìn)行平均，這樣可將3D-FDTD計算所得的光場結(jié)果導(dǎo)入CHARGE中進(jìn)行2D仿真。

步驟2：

使用CHARGE模擬穩(wěn)態(tài)和交流小信號模式，以獲得電流、響應(yīng)度和帶寬。首先禁用光場導(dǎo)入(沒有光能量輸入)以獲得穩(wěn)態(tài)下的暗電流，然后啟用光場導(dǎo)入(輸入光能量)以獲得光電流和響應(yīng)度。由于光電探測器沿其長度相對均勻，因此3D-FDTD中，沿長度方向光的生成速率較為平均，這允許在CHRAGE只進(jìn)行2D截面仿真，以減少仿真所需的時間;最終仿真所得的暗電流和響應(yīng)度將在步驟3中用于光電鏈路的仿真。

此外，在CHARGE中模擬具有DC和AC分量的光源可求得光電探測器的3dB帶寬，所得的3dB帶寬將作為器件的一個參數(shù)，用于后續(xù)的系統(tǒng)級光電鏈路的仿真。

a.穩(wěn)態(tài)仿真

CHARGE 中模擬的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

將偏壓設(shè)置為-1V進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，獲得暗電流。然后啟用光場導(dǎo)入，運(yùn)行仿真得到光電流和響應(yīng)度，將結(jié)果歸一化后，如下圖所示。結(jié)果表明在 -1 V 反向偏壓下的響應(yīng)度0.95 A/W，這與參考論文中的結(jié)論非常吻合。

光電流

響應(yīng)度

b.交流小信號光帶寬

在該分析中，將小信號擾動施加到直流光發(fā)生率上，記錄并分析小信號頻率與光電探測器的響應(yīng)(光電流)之間的關(guān)系。修改導(dǎo)入光場的比例因子(強(qiáng)度)，使直流電流接近參考文獻(xiàn)中的峰值脈沖電流(約 0.1 mA)。經(jīng)過仿真計算后，如下圖所示，在-1V反向偏壓下，光電探測器的帶寬約為4GHz，該結(jié)果與參考文獻(xiàn)的結(jié)論相符。

步驟3

利用之前步驟的仿真結(jié)果，在INTERCONNECT中創(chuàng)建光電探測器的集成模型，并搭建相應(yīng)的測試環(huán)境進(jìn)行光電鏈路仿真。最終搭建的光電鏈路如下圖所示，主要包含：功率為0.12 mW、波長為1.55μm的CW激光光源;模擬光源振幅隨機(jī)變化的比特序列生成模塊;以及0.95 a/W響應(yīng)度、4 GHz帶寬和0.34 uA暗電流驅(qū)動的光電探測器;最后通過截止頻率等于探測器帶寬的RC低通濾波器來模擬探測器的有限帶寬。

光電探測器的集成模型及仿真測試鏈路

2.5Gb/s、10Gb/s和25Gb/s下的眼圖結(jié)果

審核編輯：湯梓紅