针对耗尽型硅基微环调制器的大信号SPICE模型显著降低其瞬态行为的计算时间

作者：Kim Minkyu, Yonsei University；编译：PR编辑部

硅基光电子技术可以将许多基于Si平台的光子和光电子组件集成在一起，从而实现大规模光电集成，并且大大降低功耗、尺寸和成本，因此，硅基光电子技术引起了科研工作者的兴趣。已有将硅光用于集成电路的成功案例。例如，使用硅基光电子技术可以实现强大的互连功能，这对于将来的计算、通信及网络应用至关重要。用于无人驾驶车辆或生物医学应用的光电传感系统是硅光集成的重要应用领域。

耗尽型硅环形调制器（Si RM）可以提供非常大的调制带宽和较小的功耗，且与传统的Si Mach–Zehnder调制器相比，占用面积很小。尺寸对于集成而言非常重要，因此Si RM作为硅光集成所需的几个关键结构之一受到了研究者的关注。

Si RM利用其谐振特性将电信号转换为光学信号。它具有横向PN结，其耗尽宽度随偏置电压而变化，从而导致折射率的变化和随后对输入光强度的调制。准确地对此非线性过程进行建模非常复杂[1]，因此在设计包含Si RMs的优化硅光集成时可能会遇到问题。此外，由于几乎所有的光电系统都包含大量的电子组件，因此在设计阶段预测Si RM与电子组件特性非常具有挑战性。

韩国延世大学和德国IHP的研究人员已证明可以使用Si RM的大信号电路模型来进行Si RM与驱动电子设备的协同仿真。该研究团队已发表了Si RM的线性小信号电路模型[2]。但是，其模型参数值非线性地取决于偏置电压，因此，模拟同时包含Si RM和驱动器电子器件的硅光发射器的性能非常困难。

近日，该研究团队成功利用了SPICE模拟器中可用的电压相关电路元件，将其小信号模型扩展为完整的大信号模型（SPICE模拟器是电子IC设计的标准设计工具）。与先前的报道相比，利用其大信号SPICE模型，模拟Si RM瞬态行为的计算时间加快了约220倍。计算时间的减少为包含多个Si RM以及各种电子电路模块的高性能电子系统的光学互连解决方案的设计优化提供了有效的手段。相关研究成果发表于Photonics Research2019年第7卷第9期上，并被主编选为Editors’ Pick。

硅环调制器的工作原理及其SPICE模型和结果

研究人员使用新技术设计了25 Gb/s 硅光非归零（NRZ）调制器并将测量结果与仿真结果进行比较，验证了模型的准确性。图片显示了针对各种输入波长测得的眼图以及使用图中给出的电路模型模拟的结果。此外，文章展示了如何将其模型用于基于IHP技术的NRZ和包含Si RM和SiGe BiCMOS电路的四电平脉冲幅度调制（PAM - 4）发射机的性能优化。利用此模型，在标准IC设计环境中可以针对NRZ和PAM - 4发射机的带宽和功耗以及针对PAM - 4发射机的比率电平失配（RLM）进行直接优化。

References

[1] Ban Y , Lee J M , Yu B M , et al. Small-signal frequency responses for Si micro-ring modulators[C]. 2014 IEEE Optical Interconnects Conference (OI). IEEE, 2014,7(1):47-48.

[2] Shin M , Ban Y , Yu B M , et al. A Linear Equivalent Circuit Model for Depletion-Type Silicon Microring Modulators[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2017, 64(3):1140-1145.

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