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01 说明 a7ZufB/ $G "\@Y C< 本文旨在介绍Ansys Lumerical针对有源光子集成电路中PN耗尽型移相器的仿真分析方法。通过FDE和CHARGE求解器模拟并计算移相器的性能指标（如电容、有效折射率扰动和损耗等），并创建用于INTERCONNECT的紧凑模型，然后将其表征到INTERCONNECT的测试电路中实现，模拟反向偏置电压对电路中信号相移的影响。 Eq;w5;7s bRm;d_9zC 
O]=jI CV"}(1T 02 综述 z!bT^_Cc0 -sJD:G,%  16 `M=R 7JQ 4*RM 这里假设移相器的结构沿光传播方向是均匀的，因此仅模拟器件的横截面。我们将演示每个部分的仿真及结果。 K\U`g TGc 9Q s5e 步骤1：电学模拟 *,lDo 9 ]9w) 0iH 利用CHARGE求解器对移相器组件进行电学模拟，获得电荷载流子的空间分布作为偏置电压的函数，并将电荷分布数据导出为charge.mat文件。根据载流子浓度，我们也可以估计器件电容。 _p0Yhju? qX-5/;n 施加于器件的偏置电压为0V(上)和-4V(下)时，移相器横截面的电子分布曲线如下图所示： hui
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F+y #1'q'f:7 &  )Wq1 af
TU~y;:OJ 由图可知，在没有施加偏置电压情况下，波导横截面上的电荷分布是对称的。通过施加足够强的反向偏压，由于pn结上耗尽区的加宽，电子被部分推出波导(向左)，导致波导上电荷分布发生相当显著的变化。 %pjeA[-m# wQy~5+LE 电荷分布和耗尽区宽度的变化将改变结电容，器件的C-V曲线如下图所示： qfJ2iE|o2. f]%S FQ+  eUN aq&M ~\NQkaBkY 由图可知，电子和空穴对结电容的贡献非常相似，且由于耗尽区加宽，随着施加更高的反向偏置电压，二者对结电容的贡献降低。电容的大小会影响移相器的工作速度(带宽)，因此可以在电路模型中考虑这种影响。 uVU)LOx h fY/)-60o 步骤2：光学模拟 ">wvd*w0"( nN <,rN{ : 利用MODE求解器中的FDE模块进行光学模拟，从电学模拟获得的变化的载流子浓度改变了波导的折射率，所以波导的有效折射率与偏置电压有关。将第一步得到的电荷分布数据charge.mat加载到FDE求解器中，这里需要两个模拟来表征波导。 b;
C}=gg ?B ,<gen ·偏置电压设置为0，使用频率扫描获得波导在0偏压的有效折射率关于频率的函数，波导数据导出为ps_active_0.ldf。 /FXvrH( ·使用Sweep进行电压参数扫描，计算中心波长处的有效折射率和损耗随偏置电压的变化，数据导出为neff_V.dat。 d<j`=QH _dk[k@5W{' 有效折射率、损耗和偏置电压的关系曲线以及模场分布如下图所示： *Ts$Hj[ m"Mj3Z:  A8mc+ Bf( ]m 3c m  '1 b8>L aIa<,  }1 qQ7}v y-.{){uaD 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。 +jB; !zOj`lx 步骤3：电路模拟 [#@lsI X5.9~ 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。 w#A\(z%;x 7M~ /
q.  eJ45:]_%I@ sNpA!!\PM 不同偏置电压下的相移曲线如下图所示： @u/CNx,`X wMCg` rk  6ZHeAb]" &)Qq%\EP4 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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