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Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流

发布日期:
2023-03-30

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01 说明



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。


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流



02 综述



Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流


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。


步骤1:电学模拟

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。


施加于器件的偏置电压为0V(左)和-4V(右)时,移相器横截面的电子分布曲线如下图所示:


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流


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。


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:


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流


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。


步骤2:光学模拟

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。


  • 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。

  • 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。


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:


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流


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。


步骤3:电路模拟

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。


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流


不同偏置电压下的相移曲线如下图所示:


Lumerical 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流



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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