通过流程建模分析最坏的硅光子设备性能和光学仿真

硅光子学是一个新兴和国门面向设计平台,承诺支持更高的通信和其他应用程序。硅光子学的最好的品质之一是利用现有的能力互补金属氧化物半导体制造设备和流程流。然而,这意味着它是相同的过程缺陷和变化。(参考以前的博客文章1,2)详细的力量,利用流程模拟研究制造缺陷对光子集成电路的影响(PIC)组件的性能。

可制造性设计(DFM)模型对硅光子学不是CMOS同行一样成熟。然而,可以使用虚拟制造和光学仿真实验来捕捉最糟糕的情况对于一个给定的设备和工艺缺陷。这可以帮助回答这个问题,“鉴于制造变化的窗口,什么是最坏的情况对设备性能的硅光子设备?“我们将探索是一个很普遍的制造缺陷的影响,发生在光刻和蚀刻处理,称为线边缘粗糙度(l),在光子(PIC)设备性能。在这项研究中,我们将分析l Y-branch分配器上的影响(参考3)使用半导体过程建模(虚拟制造)和光学仿真。结果被呈现的一个子集,结果在Coventor之间的联合协作和杜安去骨的小组在麻省理工学院教授。更多细节关于这个研究中可以找到参考[4]。

l和光学传输
绝缘体(SOI)波导尺寸是精心设计的指导模式(最常见的基本TE模式)与最小泄漏到周围包覆材料(通常SiO₂)。这些模式通常支持的空间波长1550 nm,一个常见的通信波长。当l存在波导侧壁,它充当一个小扰动的宽度,导致传播损耗(见参考1)。扰动振幅很小(最坏的情况下往往是大约15海里,这是通常的总数的3%波导宽度500海里),但是这些扰动与旅游行为模式和事业理想设备。

在我们的工作中,研究设备Y-branch分配器,如图1所示:

图1:Y-branch结构(SiO₂上部和下部包复没有显示)

光注入到单个输入端口顶部的图,在连接区域分割成两个流(每个包含50%的输入强度在理想的情况下),并测量的两个输出端口(“上”和“低”端口)。Y-branch分割是最常见的一种图片元素。例如,两个Y-branch分割用于形式(MZI)两端的马赫-泽德干涉[3]引用。分裂一个马赫-泽德干涉一端输入光束分成两部分,传播的光在两臂(可能是开发一个相对相移之间的两个流),和重组的另一端通过Y-branch用作合路器。由于需要准确的MZI测量结果,l不能显著影响光的传播特性通过波导传播使用的设备。

仿真和实验的细节
分析l在Y-branch传输的影响,我们跑结合虚拟制造Y-branch结构和光学仿真模型。由于l是一个随机过程,随机胎侧宽度波动在设备上,我们执行许多含有独特的随机噪声仿真事件配置文件获取预期的输出传动功率差异。Y-branches几乎都是捏造的SEMulator3D。使用高斯随机噪声生成自相关函数所描述的两个变量:均方根振幅(RMSA)和相关长度(CL)。RMSA描述平均振幅偏离名义(平)侧壁表面,和CL描述了噪声的空间长度尺度是相关的。小CL保留更多high-spatial-frequency组件,导致更多的单位长度振荡,对于大型CL的,反过来也是正确的。几种不同RMSA / CL组合选择在我们的研究中,跨越一个窗口的观测值在文献中报道。

结构实际上是在SEMulator3D制造的之后,他们然后通过SEMulator3D表面网格生成步骤导出并导入到Lumerical FDTD(参考5]光学仿真软件。在Lumerical,在每个输出功率测量每一个独一无二的结合RMSA和CL。

结果
Y-branch的定义特征是它分裂光强度同样两个输出端口之间。然而,l导致传输变得不平衡。

图2:传播理想(l)的情况下,与l应用案例。l引起小输出端口之间的不平衡

在图2中,传播失衡(定义为相对的不同输出功率之间的上部和下部端口)只有几个百分点在所有波长和依赖于RMSA CL侧壁的噪音。图3块的最大不平衡观测50多个模拟运行时,使用几个RMSA和CL的组合值波长1550纳米。

图3:最大不平衡观测50多个运行各种RMSA和CL组合。气泡的大小显示的大小不平衡

图3显示增加RMSA和CL增加最大不平衡观测在每种情况下,导致最坏的不平衡~ 15%当RMSA = 15 nm和CL = 60 nm。平均不平衡来自50个模拟运行(在所有波长)只有几个百分点或更少,但在最坏的情况给定Y-branch可以显著影响l。

l的另一个负面影响是超额损失,定义为上层的权力的总和除以输入功率和较低的端口。再次,最坏的情况发生在我们的研究中当RMSA = 15 nm和CL = 60 nm(波长1550 nm),如图4所示。

图4:超额损失50独特Y-branches l。红色线表示名义(l)

所有50个模拟运行了超额损失大于名义案例(损失辐射交界处区域[6]参考),接近-0.8 dB(~ 17%)在最糟糕的情况下。

图片组件设计师可以利用虚拟制造的力量和光学设备仿真场景分析最坏的角落。从这些研究,紧凑的模型可以创建和插入一个电路模型来更好地理解图片过程变化对电路整体性能的影响。

如果你想了解更多关于这项研究中,请点击在这里下载原始论文发表。

引用:
[1]桑迪温博士”硅光子学:解决过程变化和制造挑战温”,桑迪,Coventor博客,8月8日,2017年

[2]迈克尔Hargrove博士”硅光子学的审查:使用过程模拟设计硅光子学器件”,Coventor博客,2018年8月16日

业务[3]Chrostowski、l和M。,[Silicon photonics design: from devices to systems], Cambridge University Press, 2015.

[4]s i El-Henawy r·米勒和d s去骨。”随机过程变化对传输特性的影响的一个基本光子集成电路组件”,有10743卷,页。107430 1,2018。

[5]https://www.lumerical.com/tcad-products/fdtd/

[6],Y。杨,S。,Lim, A. E. J., Lo, G. Q., Galland, C., Baehr-Jones, T. and Hochberg, M., “A compact and low loss Y-junction for submicron silicon waveguide,” Optics Express 21(1), 1310-1316 (2013).