晶圆级慢光硅调制器的多物理场协同设计
在500μm调制臂长度下，实现94.7GHz的电光带宽中位数与400Gbps级PAM-8实验展示。这一研究体现了光学结构、电学参数与制造工艺协同优化的工程价值。面向AI集群与数据中心的高密度光互连，硅光调制器需要在有限芯片面积内兼顾调制效率与高速响应。硅基马赫–曾德尔调制器（MZM）通过电控相移实现光强调制，其设计受到器件长度、驱动电压、光学损耗与电光带宽之间的多重约束。2026年7月，一知名实验室等团队在Optica发表研究，在300mm硅光平台上实现O波段慢光MZM。研究采用TCAD–Lumerical联合仿真，并结合Ansys HFSS分析射频电极特性。该案例展示了Ansys Lumerical在光电协同设计中的作用：关联光场分布、载流子响应与器件性能，为结构选型和参数优化提供定量依据。
图1 300mm SOI晶圆与慢光调制器
利用慢光效应提升紧凑器件的调制效率
慢光效应通过降低光的群速度，增强光与有源区的相互作用。研究在硅层厚度为220nm的绝缘体上硅（SOI）平台上构建鱼骨状一维光子晶体波导，以245nm的结构周期将慢光工作区配置于O波段，并选择约8的群折射率，兼顾调制效率与传播损耗。
图2 光子晶体结构、色散、模式场与透射响应。
以模式场与光谱分析指导结构优化
论文采用时域有限差分（FDTD）方法计算模式强度分布，分析光场与载流子耗尽区的空间重叠。在慢光段两端，20周期的绝热渐变结构改善了输入波导与光子晶体波导的模式匹配。结构优化需综合考察群折射率、透射响应与耦合损耗，据此确定可用工作波段。Ansys Lumerical可通过场分布、模态与光谱分析，将几何参数与光学性能建立联系，为慢光结构的设计和优化提供物理依据。Lumerical FDTD支持纳米光子结构的电磁分析，MODE提供波导模态与传播分析能力，可用于相关波导及耦合结构设计。对周期慢光结构，应根据分析目标选用能够描述周期边界、模态及色散特征的模型。
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通过联合仿真优化结参数与射频电极
高速调制性能同时取决于光学相移效率与电学频率响应。在该器件的设计空间内，增大结电容可提升调制效率，同时也会增加微波损耗并限制带宽。研究通过扫描相移段长度与结电容，选定500μm调制长度，并采用三级梯度掺杂实现目标电学参数。
图3 带宽与半波电压设计空间、掺杂分布及加载电极特性。
基于工艺参数建立光电联合模型
研究以代工工艺参数为基础，采用TCAD–Lumerical联合仿真分析掺杂分布、偏置电压与结电容及结电阻的关系。在−3V偏置、100GHz小信号频率下，单位长度结电容约为2.3pF/cm。两臂p–n结采用串联推挽配置，降低等效结电容，有利于提升电光带宽。
通过HFSS提取电极的高频特性
研究使用Ansys HFSS提取地–信号–信号–地（GSSG）电极的S参数，并建立包含p–n结负载的分布参数模型。在−3V偏置下，加载电极的特征阻抗约为72Ω，终端电阻设计为65Ω。结合光学与电学模型，可进一步评估阻抗匹配、微波损耗及电光频率响应。
通过晶圆测试与高速传输验证器件性能
晶圆多位置测试为设计方法提供了实验依据。论文报告的3dB电光带宽中位数为94.7GHz，标准差为2.9GHz，测得范围为89.8–100.1GHz。实测电光响应与TCAD–Lumerical联合仿真较好吻合，支持了结参数与电极协同设计方法的有效性。
图4 NRZ、PAM-4与PAM-8实测眼图
构建从器件建模到链路验证的仿真流程
面向光子集成电路设计，器件级分析需要进一步衔接系统级仿真。Ansys官方MZM示例展示了CHARGE、MODE与INTERCONNECT的多物理场建模流程；相关联合优化示例进一步引入HFSS，实现电极参数与光电性能的协同评估。
图5 Ansys Lumerical光子器件多物理场仿真工具链
结合链路条件评估器件性能
电学仿真提取载流子分布与结参数，光学分析计算相移及损耗，射频分析表征电极响应。在此基础上，可通过INTERCONNECT集成器件模型及驱动与接收参数，评估光学传输和眼图特性。[4,5]该流程有助于识别器件、驱动或接收环节对链路性能的限制。
将制造容差与热漂移纳入设计评估
补充材料表明，几何扰动会引起光子晶体通带偏移；温度由293K升至323K时，仿真带边红移约2.4nm。[2]慢光器件设计因此需要综合分析工作波长、几何偏差和温度变化，并通过实测数据校准模型，评估不同条件下的性能范围。面向高速硅光互连，Ansys Lumerical可作为光电协同设计的重要工具，支持从光学结构分析到器件模型及链路验证的连续评估，为调制效率、带宽与集成密度的综合优化提供依据。
引用
[1] Wafer-scale miniaturized slow-light silicon modulators for 400 Gbps interconnects. Optica 13(7), 1340–1347 (2026).[2] Ansys Optics. Lumerical Help.[3] Ansys Optics. Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator.[4] Ansys Optics. Optimizing Traveling Wave MZM – optiSLang Interoperability.
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