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    [分享]Ansys Lumerical | 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-04-21
    01 说明 pZS0;T]W,  
    R. sRH/6  
    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。 ]wH,534  
    %_rdO(   
    R6^U9 fDG  
    _I$\O5  
    02 综述 h|=<I)}z  
    1@&i ju5  
    y"Fp4$qb  
    *o}LI6_u  
    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。 W 6_~.m"b  
    z|w@eQ",  
    步骤1:电学模拟 I[r  
    >vDa`|g  
    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。 #J 1vN]g  
    J}Q4.1WG$  
    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: Q>jx`68'KI  
    FT*OF 3  
    j.? '*?P  
    (;f7/2~`  
    ?;s}GpEY:  
    K%Dksx7ow  
    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。 }ze,6T*z  
    %?GLMf7)  
    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: X @;o<2^  
    ,G";ny[$  
    y\=(;]S'  
    l98.Hb7  
    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。 >/*wlY!E  
    !H,_*u.  
    步骤2:光学模拟 So&an !  
    YL(7l|^!  
    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。 zG\g{cB  
    K4]42#  
    ·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。 ikr|P&e#u  
    ·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。 dQ&S&SW  
    H3$~S '  
    有效折射率、损耗和偏置电压的关系曲线以及模场分布如下图所示: 4 1w*<{Lk  
    ZG=B'4W  
    f s8nYgv|Q  
    :lF[k`S T  
    x$Gu)S  
    >Oary  
    mcbr3P  
    (&n4^tJ+_  
    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。 aBo8?VV]8  
    'ZyHp=RN)  
    步骤3:电路模拟 "`b"PQ<x  
    ~Wh} W((L  
    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。 eY3l^Su1  
    kOv2E]  
    Hwr# NKz-  
    jft%\sY  
    不同偏置电压下的相移曲线如下图所示: v&BKl  
    +UzFHiGy#  
    3j{VpacZY  
    Sq9I]A  
    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。
     
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