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基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

发布日期:
2022-11-08

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01 说明

本案例仿真了基于锗硅异质结构的雪崩光电探测器 (APD),雪崩倍增发生在硅层中,分别使用FDTD和CHARGE进行光学和电学仿真。仿真可以获得的探测器性能品质因数,包括暗电流、光电流、响应度和增益,这些参数被纳入到APD紧凑模型,然后用于INTERCONNECT的光电链路仿真。


基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真


02 综述


基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真


本案例涵盖了参考文献[1]中报道的具有Si倍增层的Ge-on-Si雪崩光电探测器的仿真。FDTD将被用于获取探测器内部光生载流子产生速率分布图,然后将该数据导入CHARGE中,可以得到表征雪崩光电探测器的各种品质因数 (FOM),包括暗电流、光电流、响应度和增益。基于这些参数在INTERCONNECT中创建紧凑模型,并对调制信号的响应进行评估。


步骤1:FDTD仿真光生载流子产生速率

在三维FDTD采用1.55μm波长mode光源进行电磁学仿真,计算探测器Ge层中的光吸收(假设单模TE光到达波导内进行检测),采用软件内置分析组“generation rate”计算光生载流子产生速率分布图,相关结果保存到下一步电学仿真中。光生载流子产生速率在器件的长度上取平均值用于简化电学仿真,以便在器件二维平面的横截面上进行仿真。


基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

光生载流子产生速率分布图



步骤2:CHARGE仿真暗电流、光电流、响应度和增益

采用CHARGE进行稳态电学仿真,禁用“Optical Generation”源并施加反向偏压-12V到0V,通过脚本计算可以得到探测器暗电流;切换到Layout模式然后启用“Optical Generation”源,导入步骤1保存的光生载流子产生速率分布数据(代表器件内光生载流子的浓度),施加同样的反向偏压仿真后通过脚本计算可以得到探测器光电流,从下图可以看到仿真的结果与文献的结果相符。



基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

在上述暗电流和光电流的基础根据相关响应度和倍增增益的计算公式,可以通过脚本的方式计算得到探测器的响应度和倍增增益。参照如下附图可见,在反向偏置下,器件的击穿电压约为 10V,由于雪崩效应电流会突然跳跃,APD 响应度(定义为光电流与光输入功率之比)的趋势与光电流相同,随着偏置接近击穿电压而增加。APD的单位增益电压(增益等于1时的电压)约为2V,当接近于雪崩时,探测器可以获得数百数量级的增益。

基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真


步骤3:紧凑模型生成和电路仿真

从步骤2获得的性能品质因数被用来定义INTERCONNECT中的雪崩光电探测器(APD)的紧凑模型,并搭建相应的测试环境进行光电链路仿真。链路结构如图所示,主要包含:功率为-18dBm、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;以及前述仿真得到的雪崩光电探测器,用以仿真器件检测低功率的调制信号。通过眼图可以评估被检测信号的质量及其随探测器增益(倍增因子)的变化。


基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

雪崩光电探测器的紧凑模型及仿真测试链路



基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

基于Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

不同倍增因子下的眼图结果

[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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