4. 热积累效应：连续工作下的温升曲线与稳态温度分布特征

热积累效应是热光移相器在连续工作模式下最核心的热管理问题之一。当移相器持续通电加热时，焦耳热不断注入器件，而散热路径的传热能力有限，导致芯片温度随时间逐渐上升，最终达到热平衡。理解这一过程的温升曲线形态与稳态温度分布特征，是进行热仿真分析与结构优化的基础。

4.1 连续工作下的温升曲线

热光移相器的温升过程可近似为一阶热容-热阻系统的阶跃响应。在恒定加热功率下，器件核心区域的温度随时间呈指数上升趋势，其数学表达式为：

T(t) = T₀ + ΔT_max × (1 - e^(-t/τ))

其中：

• T₀ — 初始温度（通常为环境温度或芯片基底温度）
• ΔT_max — 稳态温升值，由加热功率与总热阻决定
• τ — 热时间常数，由热容与热阻的乘积决定

下表总结了温升曲线中三个关键阶段及其物理含义：

下图展示了不同热时间常数下移相器核心温度的归一化温升曲线对比：

4.2 稳态温度分布特征

当热积累效应达到平衡后，移相器内部形成稳定的温度场分布。稳态温度分布由热源位置、材料热导率、边界散热条件共同决定。对于典型的条形热光移相器，其稳态温度分布具有以下特征：

• 热源中心温度最高：加热电极正下方的波导区域为温度峰值点，温度沿径向向外递减。
• 温度梯度方向性：沿波导长度方向温度变化较缓，垂直波导方向（横向）温度梯度更大。
• 衬底热沉效应：靠近硅衬底或热沉侧的温度下降更快，形成明显的热边界层。
• 边缘效应：移相器阵列中，边缘通道的散热条件优于中心通道，导致中心通道稳态温度更高。

下图展示了典型单通道热光移相器在连续工作下的稳态温度分布云图（截面示意）：

4.3 热积累效应的仿真排查要点

在进行热仿真分析时，针对热积累效应应重点排查以下方面：

4.4 热积累效应的缓解策略

针对热积累效应带来的温升问题，工程上通常采用以下策略进行缓解：

1. 优化热沉设计：增加与衬底接触的金属热沉面积，降低整体热阻。
2. 引入热扩散层：在加热电极与波导之间插入高热导率介质层（如金刚石、AlN），横向扩散热量。
3. 脉冲加热模式：对于非连续工作场景，采用脉冲宽度调制（PWM）加热，利用热惯性降低平均温升。
4. 阵列布局优化：增大边缘通道与中心通道的间距，或添加虚拟加热通道平衡热分布。
5. 主动温度补偿：通过外围温度传感器反馈，动态调整加热功率。

下表对比了不同缓解策略的适用场景与效果：