本案例仿真了基于鍺硅異質結構的雪崩光電探測器 (APD)，雪崩倍增發(fā)生在硅層中，分別使用FDTD和CHARGE進行光學和電學仿真。仿真可以獲得的探測器性能品質因數，包括暗電流、光電流、響應度和增益，這些參數被納入到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部光生載流子產生速率分布圖，然后將該數據導入CHARGE中，可以得到表征雪崩光電探測器的各種品質因數 (FOM)，包括暗電流、光電流、響應度和增益?；谶@些參數在INTERCONNECT中創(chuàng)建緊湊模型，并對調制信號的響應進行評估。
步驟1：FDTD仿真光生載流子產生速率
在三維FDTD采用1.55μm波長mode光源進行電磁學仿真，計算探測器Ge層中的光吸收（假設單模TE光到達波導內進行檢測），采用軟件內置分析組“generation rate”計算光生載流子產生速率分布圖，相關結果保存到下一步電學仿真中。光生載流子產生速率在器件的長度上取平均值用于簡化電學仿真，以便在器件二維平面的橫截面上進行仿真。
光生載流子產生速率分布圖
步驟2：CHARGE仿真暗電流、光電流、響應度和增益
采用CHARGE進行穩(wěn)態(tài)電學仿真，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，導入步驟1保存的光生載流子產生速率分布數據（代表器件內光生載流子的濃度），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果與文獻的結果相符。
在上述暗電流和光電流的基礎根據相關響應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，由于雪崩效應電流會突然跳躍，APD 響應度（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，當接近于雪崩時，探測器可以獲得數百數量級的增益。
步驟3：緊湊模型生成和電路仿真
從步驟2獲得的性能品質因數被用來定義INTERCONNECT中的雪崩光電探測器(APD)的緊湊模型，并搭建相應的測試環(huán)境進行光電鏈路仿真。鏈路結構如圖所示，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制信號。通過眼圖可以評估被檢測信號的質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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