01 说明 YCv)DW;
tDWW
4H
本文旨在介绍Ansys Lumerical针对有源光子集成电路中PN耗尽型移相器的仿真分析方法。通过FDE和CHARGE求解器模拟并计算移相器的性能指标（如电容、有效折射率扰动和损耗等），并创建用于INTERCONNECT的紧凑模型，然后将其表征到INTERCONNECT的测试电路中实现，模拟反向偏置电压对电路中信号相移的影响。 _a ;E>
|Ai/q6u
y v6V1gK
b2}>{Li0
02 综述 NSQ}:m
XJx$HM&0M
.YV{w L@cB
PI
KQ}aq=
这里假设移相器的结构沿光传播方向是均匀的，因此仅模拟器件的横截面。我们将演示每个部分的仿真及结果。 !Zo we*`
;[-OMGr]#
步骤1：电学模拟 M^q< qS>d
D{-h2 =V
利用CHARGE求解器对移相器组件进行电学模拟，获得电荷载流子的空间分布作为偏置电压的函数，并将电荷分布数据导出为charge.mat文件。根据载流子浓度，我们也可以估计器件电容。
;E Z5/"T
/ z<7gd~oU
施加于器件的偏置电压为0V(上)和-4V(下)时，移相器横截面的电子分布曲线如下图所示： -s?f <f{
kF%EJuu
Gv
';
6`K R
UL9]LEGG
Rm@#GP`
由图可知，在没有施加偏置电压情况下，波导横截面上的电荷分布是对称的。通过施加足够强的反向偏压，由于pn结上耗尽区的加宽，电子被部分推出波导(向左)，导致波导上电荷分布发生相当显著的变化。 ?vmu,y
z\S#P|;
电荷分布和耗尽区宽度的变化将改变结电容，器件的C-V曲线如下图所示： 06ndW9>wD)
N>R\ ,n|I
k|C~qe3E
Xk9mJ]31LC
由图可知，电子和空穴对结电容的贡献非常相似，且由于耗尽区加宽，随着施加更高的反向偏置电压，二者对结电容的贡献降低。电容的大小会影响移相器的工作速度(带宽)，因此可以在电路模型中考虑这种影响。
fQW1&lFT
|PGF g0li
步骤2：光学模拟 mf~Joluc J
\a<7DTV
利用MODE求解器中的FDE模块进行光学模拟，从电学模拟获得的变化的载流子浓度改变了波导的折射率，所以波导的有效折射率与偏置电压有关。将第一步得到的电荷分布数据charge.mat加载到FDE求解器中，这里需要两个模拟来表征波导。 ` ,lm:x+(0
[
B{F(~ O
·偏置电压设置为0，使用频率扫描获得波导在0偏压的有效折射率关于频率的函数，波导数据导出为ps_active_0.ldf。 mLEJt,X
·使用Sweep进行电压参数扫描，计算中心波长处的有效折射率和损耗随偏置电压的变化，数据导出为neff_V.dat。 z7vc|Z|
0bG[pp$[
有效折射率、损耗和偏置电压的关系曲线以及模场分布如下图所示： ~]sj.>P
oo+i3af&7
BiFU3FlTf
KT5amct
{gL8s
XmZs4~\K$G
2 m"2>gX
FUt{-H!<
由图可知，较大的反向偏置引起较高的有效折射率扰动和较低的损耗。这是因为施加了反向偏压后，波导内自由载流子的耗尽会减少沿波导方向的光吸收量，较高的折射率扰动可以减小移相器实现π相移所需的长度。在-4V偏压下，移相器在1550 nm下的TE模被很好地限制在波导内，与波导内的载流子分布显著重叠，这可以显著地影响模式的有效折射率。 fwF&V^Dy
.Us)YVbk
步骤3：电路模拟 |IcA8 [
;;4>vF #*
将步骤2中的仿真结果加载到INTERCONNECT电路中的相关元件中，利用INTERCONNECT测试移相器元件在简单电路中的性能，使用光网络分析仪计算器件的频域响应。 2X X-
k .."_ 4
#mIgk'kW<
ZVelKI8>
不同偏置电压下的相移曲线如下图所示： ?-Qq\D^+
YkN0,6
`49: !M$i
?\Bm>p% +
由图可知，随着偏置电压的变化，相位发生了变化。仿真结果表明，对于 500 微米的长度，在 4 伏偏置电压下相移约为 0.2 弧度，这表明移相器的 Vπ.Lπ 品质因数约为 0.03 Vm。
