长鑫存储申请静电保护电路仿真专利，实现静电保护器件的仿真

金融界2024年1月5日消息，据国家知识产权局公告，长鑫存储技术有限公司申请一项名为“静电保护电路仿真方法、装置、电子设备及存储介质“，公开号CN117350241A，申请日期为2022年6月。

专利摘要显示，本公开提供一种静电保护电路仿真方法、装置、电子设备及存储介质。静电保护电路仿真方法包括：对待测静电保护器件输入多个测试脉冲，以获取待测静电保护器件与每个测试脉冲对应的一组测试数据，测试数据包括测试电压和测试电流，测试电流包括漏电流和导通电流；根据多组测试数据确定待测静电保护器件的触发点数据、维持点数据、失效点数据；根据触发点数据和失效点数据构建待测静电保护器件的第一特性曲线，根据维持点数据对应的测试电压和触发点数据对应的导通电流和失效点数据构建待测静电保护器件的第二特性曲线；将第一特性曲线或第二特性曲线设置为待测静电保护器件的等效模型进行仿真。本公开实施例可以实现静电保护器件的仿真。

本文源自金融界

光学相控阵及相关偏振控制器件的设计与仿真研究

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文|娱秘探

编辑|娱秘探

前言

光学相控阵（OPA）的概念来源于传统的微波相控阵，光学相控阵是以在光波段工作的激光为信息载体，因此不会受到传统无线电波的干扰。

同时激光拥有窄波束，难以被侦察，具有很好的保密性，但在目前的集成光学相控阵中，虽然阵列的尺寸和元件的数量不断增加，但波束质量和转向角度仍然受到限制目前为止。

由于硅基集成技术和偏振复用技术的发展，使得集成偏振复用器件的光学相控阵成为可能，本文介绍光学相控阵系统的整体设计方案，并对其中的器件进行了仿真分析并优化。

整体设计方案介绍

目前波长调谐的二维扫描光学相控阵（OPA）基本在单一模式在工作，仅考虑单一模式限制了OPA的可能。

基于SOI平台的复用技术不断成熟，复用技术的发展极大地提升了硅基集成器件的通信容量，硅基集成技术的发展也使得芯片上可以集成更多的器件。

设计的1×16光学相控阵可以分为偏振输入控制系统和输出系统两部分。

通过偏振输入控制系统来控制输出波导中的偏振模式， 其由马赫泽德干涉仪（MZI）开关，偏振分束器（PBS），偏振旋转器（PR）组成。

其中MZI开关由两个2×2多模干涉耦合器（MMI）级联构成，两个偏振模式的光在一条输出波导上任意切换。

而在输出系统中先由4级级联的1×2MMI将功率等分成16个通道，热光移相器被放置在每个通道中，用于各条分路的相位控制。

在移相器之后，每个波导被汇聚到以窄间隔排列的光栅天线阵列上，通过该方案构成完整的偏振控制光学相控阵。

由偏振控制系统控制在相控阵的输入模式在TEO模和Tm0模之间高效快速地切换，两个偏振模式协同作用于相控阵出射扫描，实现一个更大的扫描范围。

光栅发射器设计及仿真

无线发射通常是通过使用浅层蚀刻表面光栅来降低硅光栅固有的较大的折射率对比度，从而通过较大的发射孔径来实现较窄的纵向光束宽度。

入射光和出射光满足布拉格条件，可以用光波导传输理论理解， 入射光在经过光栅的时候，不同的光栅周期之间有等间隔的相位差，并且由于来源于同样的入射光。

满足相位匹配条件，所以产生相干叠加的效果并发射不同的衍射级次。

利用光场矢量叠加的方法来分析波导光栅的辐射效果， 其中Λ为光栅的周期，λ为工作波长，neff为有效折射率，n1和n2各自是上下包层的折射率。

假定β为传输波导中传输光的波矢， 光栅反向的耦合波矢为kr，光栅衍射向波导上方和下方的波矢分别为ku和kd，θ为衍射角度。

通过矢量守恒原理，可以得到波矢间存在的关系：

光栅对光场的反射以一级的反向耦合波矢kr=2π/Λ来表示，当Λ＞λ/neff时，光栅朝上的一级衍射角0相对较小，并且同时限制了传输光在光栅波导中的反射。

此时，波矢间的关系式可以写成：

表明可以通过调节光栅的周期、占空比、刻蚀深度等参数，来使光栅耦合器的辐射光场在一定角度下。

两个偏振模式的扫描范围刚好能够衔接， 这样就能实现一个连续的更大的扫描范围，不同高度的SOI的极化灵敏度不同。

光栅发射器具有偏振敏感性，同一波长不同的偏振模式拥有不同的有效折射率，出射角也会不同。

利用光栅发射器的偏振敏感性，使得复用两个偏振模式，可以得到两个不同的视场范围。

为了保证工作波长在1550nm左右，同时保证制作的可行性， 设置了光栅宽度为400nm，光栅周期为800nm，占空比为0.5，刻蚀深度为70nm。

在相同的光栅参数下，不同高度的光栅发射器在1550nm工作波长的的TE0模和Tm0模式，都具有相对合适的发射角度，出射角不会过大。

对于光栅发射器，出射角过大会降低效率，能量会分到不同的衍射级次上，所以要控制在合适的发射角，保证光场的能量集中在0级衍射光。

用FDTD仿真模拟了这些不同高度的光栅发射器的TE0模和Tm0模的光束扫描范围，随着SOI高度的增加，两种偏振模式的光束转向范围逐渐接近。

在20nm容差范围内，两个偏振模式的扫描范围基本可以实现一个连续的扫描范围。

可以通过光波导模式理论分析，之所以会有这样的仿真结果是因为在相同的波导宽度下，随着SOI高度的增加，波导的高度和宽度更接近。

对于TE0模和Tm0模的有效折射率也逐渐接近，故通过公式可以计算出同样工作波长下的两个偏振模式发射角的差也逐渐减小。

可以发现，通过减小宽度也可以让更小高度SOI的波导两种偏振模式的有效折射率差减小，但是波导宽度和高度都很小的话，波导会难以束缚导模，带来较大的损耗。

或者增加可调谐波长的范围也可以使更小高度的光栅天线获得更大的扫描角度，实现两种偏振模式波束引导范围的衔接。

但是目前可调谐激光器能调节的波长范围仍然有限，偏振相关器件的工作带宽也有限，1500nm到1600nm的可调谐激光器仍然是比较常见的选择。

所以选择用顶层硅340nm高度的SOI，在1500-1600nm波段实现偏振复用的OPa。

偏振控制器件与功分器的设计与仿真

偏振控制系统是使用MZI开关、PR和PBS的组合来实现的， 其MZI开关由2个2×2的3dBMMI级联。

通过电极控制2个2×23dB MMI中间的，连接波导上的相位延迟， 来控制输出光在第二个2×2mmI的输出通道。

该MZI开关工作原理在于当从2×23dB MMI的一个端口输入，在两个输出端口的光波刚好有π/2的相位差，然后通过电极引入π的相位延迟可以来改变光在第二个MMI的输出端口。

利用此结构可以实现低损耗，大带宽的MZI开关，从而控制偏振模式的高效切换， 2×2的3dB MMI是构成MZI的关键，从其中一个端口输入TE0，两个输出端口功率等分输出。

其在四个边角做了切角，这会使光场传输更平滑，可以些许提高传播效率，基于MMI的自成像原理可以很方便地设计出高性能的2×2MMI，设计的关键就是确定MMI的拍长心。

对于PR，由于模式杂化只能在非对称结构中产生，而设计的相控阵结构需要SiO2包层，在这种情况下，一般选择通过二次刻蚀打破波导水平或垂直方向的对称性。

采用非对称截面的形式，并用五边形挖槽的结构，这有助于提升PR的带宽，凹槽的蚀刻深度为150nm，长范围内，Tm0转换成TE0的效率 。

关于PBS，相比更低高度的SOI，由于340nm高度下的单模波导双折射更少，更难以实现紧凑的PBS， 但研究人员也提出了一些新型的结构可以实现高效的偏振分束。

考虑到实际制作工艺上的难度，采用了一个三波导非对称耦合结构来实现PBS并对此进行了优化。

本设计的PBS是反向使用的，目的是将二条通道上不同偏振模式的光波引导至同一条波导上作为相控阵的输入，从而实现偏振复用。

其实现偏振分束效果的原理在于输入窄波导的Tm0模与中间宽波导的TM1模有效折射率满足相位匹配条件，而TE0模与中间波导的TE1模有效折射率不满足相位匹配条件。

由此根据光波导模式耦合理论可以得到，TE0模几乎不耦合直接从输入窄波导输出，而Tm0模绝大部分能量耦合进入中间宽波导转变成TM-模。

然后宽波导中的TM1模再耦合进入另一条窄波导转变回Tm0模输出，由此巧妙地借助宽波导中的Tm1模实现了偏振分束。

通过仿真得到340nm高度SOI在1550nm波长的有效折射率随波导宽度变化曲线，把窄波导的宽度设为340mn。

对应色散曲线宽波导的宽度为830nm时，窄波导Tm0模与宽波导的Tm1模刚好有效折射率满足相位匹配条件，同时窄波导的TE0模与宽波导的TE1模存在明显的有效折射率失配。

所以将宽波导宽度设置在830nm，对于窄波导与宽波导的间隙，更窄的间隙可以获得更小的耦合长度，从而用更小的尺寸来实现PBS。

但同时需要考虑容差的问题，太小的间隙对工艺的要求更高，以及设计的结构需要添加二氧化硅上包层，不宜用过小的间隙，否则会难以填充二氧化硅， 最终把间隙设置在200nm。

通过FDTD仿真Tm0模从窄波导耦合到宽波导的耦合效率与耦合长度的关系，得到最佳耦合长度。

通过对340nm SOI有效折射率曲线的分析和仿真，最终确定PBS的参数设置， 并在这个参数下用FDTD仿真得到结果。

在PBS将两个传播不同偏振模式的通道引导至同一条波导上后，需要将光束的能量等分到相控阵的每一条通道。

由于要实现偏振复用，所以设计的1×2MMI必须是偏振不敏感的，对于高度确定的SOI，实现偏振不敏感的MMI关键在于找到MMI截面的最佳宽度。

通过自成像效应理论可以确定MMI截面的长度，对于1×2mmI，第一个2倍成像形成的长度 可由下式计算：

对于偏振不敏感的MMI，两个偏振的拍长之差应该为零， 计算在得到工作波长为1550nm时的宽度的关系，确定最佳宽度在2.4μm左右，再通过公式计算MMI的长度为5.4Pm。

然后仿真计算这个尺寸的mmI的效果，结果显示其在1500nm至1600nm都能够实现很高效的功率等分， 损耗在0.1dB以内。

相控阵二维扫描仿真

为获得更大的OPA转向范围，一般都希望OPA阵元的间距尽可能小，因为间距越小，栅瓣就偏离的越远， 当间隔小于λ/2时，就可以完全消除栅瓣。

而大于λ/2时，生成的栅瓣就会限制相控阵能够实现的最大波束转向，但是较小的间隔也会随之带来波导间较大的串扰。

通过两条宽度不等的光栅，两条宽度不同的波导光栅在1550nm具有相同的发射角，占空比的改变会大大影响光栅出射效率，不同的发射效率使得两条光栅的发射无法汇聚。

而不同的光栅周期会带来相位差，使远场偏离中心点， 要在二维扫描的光学相控阵中应用半波长间距还很困难。

由于宽度的改变对大幅改变波导光栅的性能，要使其均匀发射带来了不少新的问题。

还有一种方式是采用非均匀周期排布，这也可以扩展OPA在相位控制方向的转向范围，但这种方式需要平衡主瓣的旁瓣的能量，需要复杂的计算优化得到理想的阵列排布方式。

采用均匀的波导光栅阵列，简化设计的难度， 考虑到设计的光栅发射器的出射孔径，加上传输博导的距离，通过仿真不同间距的相邻波导在60μm长度下的串扰情况。

大概在波导间距小于1Pm时，波导之间串扰会显著地增强，以至于严重影响相控阵的性能, 但考虑到工艺的误差与制作的难度。

最终将相邻光栅天线的间隔设在1.2Pm，在1.2Pm的间隔下，波导之间几乎不会有串扰的问题，并且可以实现较大的转向角。

笔者观点

笔者认为，通过器件的仿真分析和优化， 可以更好地了解系统的工作原理，并不断提高系统的性能和稳定性。

通过优化光学相控阵中的器件，特别是集成偏振复用器件，可以提高波束质量和转向角度的性能， 这一技术进步将有助于扩大应用领域。

集成偏振复用器件有望进一步提升系统的灵活性和效率，推动光学相控阵在众多领域的广泛应用，随着技术的不断突破和创新，相信光学相控阵的性能将逐步得到提升。

参考文献

[1]李瑾.光波导光学相控阵光束分析与优化.西安电子科技大学,2012.

[2]金亚东.高质量光学相控阵扫描光束分析与优化.上海师范大学,2015.

[3]孙亮.基于光学相控阵的光束扫描研究.长春理工大学,2008.

[4]薛婧婧.光波导光学相控阵扫描控制方法与实验研究.西安电子科技大学,2013.

[5]闫舟,徐景.光束扫描技术研究进展.光电技术应用,2013.

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