垂直锗硅光电探测器完整的器件级多物理仿真

01 说明

本示例描述了垂直锗硅光电探测器完整的器件级多物理(光学、电学)仿真，并生成集成模型用于INTERCONNECT进行光电链路仿真。案例还提供了一个自动化的工作流，用于自动运行器件级仿真并为CML Compiler收集数据以生成集成模型。在本例中计算得到了暗电流和光电流、响应度、带宽和眼图等关键结果。

02 综述

本示例参考自T.-Y Liow等人[1]的论文，波长1.55μm的光照射在硅上锗垂直光电探测器上，通过锥形结构从硅波导馈入锗吸收层，该输入光信号将在锗层中产生电子-空穴对，随后在光电探测器中的内部电场下分离，并流向形成电荷电流的电触点。针对上述过程的仿真模拟，本例将使用FDTD求解器用于模拟探测器的光学性能，用CHARGE求解器仿真器件的电学性能。在完成器件级仿真后，将所得的结果导入INTERCONNECT中生成集成模型，用于进行光电子链路的模拟并获得眼图。

步骤1：

使用3D FDTD采用mode光源对1.55μm波长的光进行的详细电磁学仿真，计算通过锥形结构并进入探测器的传播光场，得到锗层内的场分布，用于计算吸收分布和光发生率。然后，将光生成速率导入CHARGE中，以模拟电学仿真。因为其模式分布在工作波长范围内相对恒定，所以只使用了单一频率点对窄带器件进行了仿真模拟。

在这种结构中，由于锗是吸收层，因此如左图所示，案例中的计算分析组中的监视器(黄色框)包围着锗层(如左图所示)。如右图所示，是沿传播方向(x)的任意横截面处的可视化电场分布。软件通过计算分析组内的脚本，对沿探测器长度对其数值进行平均，这样可将3D-FDTD计算所得的光场结果导入CHARGE中进行2D仿真。

步骤2：

使用CHARGE模拟稳态和交流小信号模式，以获得电流、响应度和带宽。首先禁用光场导入(没有光能量输入)以获得稳态下的暗电流，然后启用光场导入(输入光能量)以获得光电流和响应度。由于光电探测器沿其长度相对均匀，因此3D-FDTD中，沿长度方向光的生成速率较为平均，这允许在CHRAGE只进行2D截面仿真，以减少仿真所需的时间;最终仿真所得的暗电流和响应度将在步骤3中用于光电链路的仿真。

此外，在CHARGE中模拟具有DC和AC分量的光源可求得光电探测器的3dB带宽，所得的3dB带宽将作为器件的一个参数，用于后续的系统级光电链路的仿真。

a.稳态仿真

CHARGE 中模拟的结构侧视图

将偏压设置为-1V进行稳态分析，获得暗电流。然后启用光场导入，运行仿真得到光电流和响应度，将结果归一化后，如下图所示。结果表明在 -1 V 反向偏压下的响应度0.95 A/W，这与参考论文中的结论非常吻合。

光电流

响应度

b.交流小信号光带宽

在该分析中，将小信号扰动施加到直流光发生率上，记录并分析小信号频率与光电探测器的响应(光电流)之间的关系。修改导入光场的比例因子(强度)，使直流电流接近参考文献中的峰值脉冲电流(约 0.1 mA)。经过仿真计算后，如下图所示，在-1V反向偏压下，光电探测器的带宽约为4GHz，该结果与参考文献的结论相符。

步骤3

利用之前步骤的仿真结果，在INTERCONNECT中创建光电探测器的集成模型，并搭建相应的测试环境进行光电链路仿真。最终搭建的光电链路如下图所示，主要包含：功率为0.12 mW、波长为1.55μm的CW激光光源;模拟光源振幅随机变化的比特序列生成模块;以及0.95 a/W响应度、4 GHz带宽和0.34 uA暗电流驱动的光电探测器;最后通过截止频率等于探测器带宽的RC低通滤波器来模拟探测器的有限带宽。

光电探测器的集成模型及仿真测试链路

2.5Gb/s、10Gb/s和25Gb/s下的眼图结果

审核编辑：汤梓红