本案例仿真了基于鍺硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測器 (APD)，雪崩倍增發(fā)生在硅層中，分別使用FDTD和CHARGE進行光學(xué)和電學(xué)仿真。仿真可以獲得的探測器性能品質(zhì)因數(shù)，包括暗電流、光電流、響應(yīng)度和增益，這些參數(shù)被納入到APD緊湊模型，然后用于INTERCONNECT的光電鏈路仿真。
02 綜述
本案例涵蓋了參考文獻[1]中報道的具有Si倍增層的Ge-on-Si雪崩光電探測器的仿真。FDTD將被用于獲取探測器內(nèi)部光生載流子產(chǎn)生速率分布圖，然后將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入CHARGE中，可以得到表征雪崩光電探測器的各種品質(zhì)因數(shù) (FOM)，包括暗電流、光電流、響應(yīng)度和增益。基于這些參數(shù)在INTERCONNECT中創(chuàng)建緊湊模型，并對調(diào)制信號的響應(yīng)進行評估。
步驟1：FDTD仿真光生載流子產(chǎn)生速率
在三維FDTD采用1.55μm波長mode光源進行電磁學(xué)仿真，計算探測器Ge層中的光吸收（假設(shè)單模TE光到達波導(dǎo)內(nèi)進行檢測），采用軟件內(nèi)置分析組“generation rate”計算光生載流子產(chǎn)生速率分布圖，相關(guān)結(jié)果保存到下一步電學(xué)仿真中。光生載流子產(chǎn)生速率在器件的長度上取平均值用于簡化電學(xué)仿真，以便在器件二維平面的橫截面上進行仿真。
光生載流子產(chǎn)生速率分布圖
步驟2：CHARGE仿真暗電流、光電流、響應(yīng)度和增益
采用CHARGE進行穩(wěn)態(tài)電學(xué)仿真，禁用“Optical Generation”源并施加反向偏壓-12V到0V，通過腳本計算可以得到探測器暗電流；切換到Layout模式然后啟用“Optical Generation”源，導(dǎo)入步驟1保存的光生載流子產(chǎn)生速率分布數(shù)據(jù)（代表器件內(nèi)光生載流子的濃度），施加同樣的反向偏壓仿真后通過腳本計算可以得到探測器光電流，從下圖可以看到仿真的結(jié)果與文獻的結(jié)果相符。
在上述暗電流和光電流的基礎(chǔ)根據(jù)相關(guān)響應(yīng)度和倍增增益的計算公式，可以通過腳本的方式計算得到探測器的響應(yīng)度和倍增增益。參照如下附圖可見，在反向偏置下，器件的擊穿電壓約為 10V，由于雪崩效應(yīng)電流會突然跳躍，APD 響應(yīng)度（定義為光電流與光輸入功率之比）的趨勢與光電流相同，隨著偏置接近擊穿電壓而增加。APD的單位增益電壓（增益等于1時的電壓）約為2V，當(dāng)接近于雪崩時，探測器可以獲得數(shù)百數(shù)量級的增益。
步驟3：緊湊模型生成和電路仿真
從步驟2獲得的性能品質(zhì)因數(shù)被用來定義INTERCONNECT中的雪崩光電探測器(APD)的緊湊模型，并搭建相應(yīng)的測試環(huán)境進行光電鏈路仿真。鏈路結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包含：功率為-18dBm、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；以及前述仿真得到的雪崩光電探測器，用以仿真器件檢測低功率的調(diào)制信號。通過眼圖可以評估被檢測信號的質(zhì)量及其隨探測器增益(倍增因子)的變化。
雪崩光電探測器的緊湊模型及仿真測試鏈路
[1] Z. Huang, et. al. '25 Gbps low-voltage waveguide Si-Ge avalanche photodiode,' Optica, vol. 3, no. 8, pp. 793-798, Aug. 2016.
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