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、電學)仿真，并生成集成模型用于INTERCONNECT進行光電鏈路仿真。案例還提供了一個自動化的工作流，用于自動運行器件級仿真并為CML Compiler收集數據以生成集成模型。在本例中計算得到了暗電流和光電流、響應度、帶寬和眼圖等關鍵結果。

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，通過錐形結構從硅波導饋入鍺吸收層，該輸入光信號將在鍺層中產生電子-空穴對，隨后在光電探測器中的內部電場下分離，并流向形成電荷電流的電觸點。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性能，用CHARGE求解器仿真器件的電學性能。在完成器件級仿真后，將所得的結果導入INTERCONNECT中生成集成模型，用于進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波長的光進行的詳細電磁學仿真，計算通過錐形結構并進入探測器的傳播光場，得到鍺層內的場分布，用于計算吸收分布和光發生率。然后，將光生成速率導入CHARGE中，以模擬電學仿真。因為其模式分布在工作波長范圍內相對恒定，所以只使用了單一頻率點對窄帶器件進行了仿真模擬。

在這種結構中，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的腳本，對沿探測器長度對其數值進行平均，這樣可將3D-FDTD計算所得的光場結果導入CHARGE中進行2D仿真。

步驟2：

使用CHARGE模擬穩態和交流小信號模式，以獲得電流、響應度和帶寬。首先禁用光場導入(沒有光能量輸入)以獲得穩態下的暗電流，然后啟用光場導入(輸入光能量)以獲得光電流和響應度。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，用于后續的系統級光電鏈路的仿真。

a.穩態仿真

CHARGE 中模擬的結構側視圖

將偏壓設置為-1V進行穩態分析，獲得暗電流。然后啟用光場導入，運行仿真得到光電流和響應度，將結果歸一化后，如下圖所示。結果表明在 -1 V 反向偏壓下的響應度0.95 A/W，這與參考論文中的結論非常吻合。

光電流

響應度

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生率上，記錄并分析小信號頻率與光電探測器的響應(光電流)之間的關系。修改導入光場的比例因子(強度)，使直流電流接近參考文獻中的峰值脈沖電流(約 0.1 mA)。經過仿真計算后，如下圖所示，在-1V反向偏壓下，光電探測器的帶寬約為4GHz，該結果與參考文獻的結論相符。

步驟3

利用之前步驟的仿真結果，在INTERCONNECT中創建光電探測器的集成模型，并搭建相應的測試環境進行光電鏈路仿真。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;模擬光源振幅隨機變化的比特序列生成模塊;以及0.95 a/W響應度、4 GHz帶寬和0.34 uA暗電流驅動的光電探測器;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下的眼圖結果

審核編輯：湯梓紅