第第頁AnsysLumerical|行波Mach-Zehnder調(diào)制器仿真分析前言本示例描述了行波MachZehnder調(diào)制器的完整多物理場（電氣、光學(xué)、射頻）仿真，最后在INTERCONNECT中進(jìn)行了緊湊模型電路仿真。計(jì)算了相對相移、光學(xué)傳輸、傳輸線帶寬和眼圖等關(guān)鍵結(jié)果。綜述此示例中5毫米長的Si波導(dǎo)由5毫米長的Al共面?zhèn)鬏斁€驅(qū)動(dòng)的反向偏置pn結(jié)相位調(diào)制：CHARGE求解器提供pn結(jié)因反向偏置變化而導(dǎo)致的電荷密度變化，以及串聯(lián)平板電阻和pn結(jié)電容。電荷密度的變化被匯入MODE求解器，以計(jì)算波導(dǎo)的光學(xué)折射率調(diào)制，而平板電阻和結(jié)電容則匯入MODE求解器，以計(jì)算傳輸線的射頻特性。然后將光學(xué)和射頻自變量以及結(jié)電容匯入INTERCONNECT緊湊模型中，以進(jìn)行電路仿真并計(jì)算光學(xué)傳輸和眼圖。步驟1：參雜硅材料波導(dǎo)的電壓載子濃度分布關(guān)系由于Lumerical的MultiphysicsCHARGE模塊是用有限元方法(FindElementMethod)計(jì)算，2D還是3D對求解時(shí)間差異明顯。因此首先分析尺寸與模型：pn結(jié)平行電場方向長10um,垂直電場方向?qū)?mm、厚度0.09um且無垂直電場方向的形狀變化，加上載子濃度會(huì)與電場分布強(qiáng)相關(guān)，建議此步驟用2D求解來節(jié)省時(shí)間。但由于摻雜模型需要3D信息定義，我們建立3D模型但用2D的求解范圍，建模中垂直電場方向有個(gè)寬度即可。運(yùn)用模塊內(nèi)完善的半導(dǎo)體材料以及物理模型設(shè)定建模后，用穩(wěn)態(tài)設(shè)定多個(gè)偏壓條件(0.5~4V,0.5V步長)進(jìn)行仿真，并于光路調(diào)變范圍設(shè)定設(shè)置電荷監(jiān)視器“monitor_charge”以將電荷密度保存在tw_modulator_charge.mat中，稍后將其導(dǎo)入MODE求解器。通過在物件樹中選擇CHARGE，在結(jié)果視圖窗口中右鍵單擊所需結(jié)果（電荷）并在對數(shù)刻度上對其進(jìn)行可視化，可以顯示電荷密度，如下圖。步驟2：平板電阻與PN結(jié)電容此步驟中將再次使用Lumerical的MultiphysicsCHARGE模塊。案例中，借助腳本抓取仿真結(jié)果,并使用最終差分法計(jì)算pn結(jié)的直流電容。平板電阻是傳輸線與PN結(jié)連接在一起的均勻面形半導(dǎo)體區(qū)域所產(chǎn)生。PN結(jié)在反向偏壓情況下電阻無窮大，可推估其電容與頻率相關(guān)性不高，以只用一個(gè)直流電容來表示。下圖顯示了直流電容，并將其與交流電容進(jìn)行了比較。圖中顯示直流電容是準(zhǔn)確的，并且類似于在反向偏置中預(yù)期的交流電容。第三張圖是串聯(lián)RC電路的史密斯圓圖。穩(wěn)態(tài)直流仿真的腳本還將電壓與電容關(guān)系保存于tw_modulator_dc_C.mat中，而小信號仿真也搭配腳本由阻抗推導(dǎo)電阻和電容；R和C分別對應(yīng)阻抗的實(shí)部和虛部。R值將保存到tw_modulator_Rslab_tot.dat中，稍后用于MODE和INTERCONNECT模擬。步驟3：光學(xué)波導(dǎo)特性接下來使用Lumerical的MODEFDE模塊來計(jì)算摻雜硅材料波導(dǎo)的光學(xué)特性。形狀建模后首先用腳本導(dǎo)入步驟1算得各偏壓下的折射率分布，分別利用Eigenmode求解器算出波長1.55um下的基本模態(tài)信息，包含等效折射率、群折射率、損耗、以及估算有效調(diào)變長度為4.5毫米下的相移，并用腳本提取有效折射率相對于零偏差的變化，零偏差是INTERCONNECT中傳輸線幅度調(diào)制的參考（中間）偏差。下圖顯示了光學(xué)等效折射率和群折射率（實(shí)部）、相對于0V的相移和損耗（與等效折射率的虛部有關(guān)）。這些參數(shù)都將存成tw_modulator_optical_data.mat于稍后導(dǎo)入到步驟5INTERCONNECT模塊。步驟4：射頻傳輸線特性第四步驟繼續(xù)用MODEFDE模塊Eigenmode求解器來計(jì)算射頻特性。除了定義浸沒在氧化物中的金屬射頻共面?zhèn)鬏斁€，還需導(dǎo)入步驟2中計(jì)算的電阻和電容數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)，表示傳輸線之間的平板電阻和pn結(jié)的緊湊模型。在此借助腳本,首先調(diào)用Eigenmode求解器，采用零偏壓下的電壓相關(guān)電容，對頻率10GHz~100GHz,間格為10GHz的每個(gè)頻率求解等效折射率(其中虛部為損耗)和群折射率，再以腳本計(jì)算出基本模態(tài)的阻抗(其中實(shí)部為電阻，虛部為電抗)。這些結(jié)果也存檔成tw_modulator_RF_data.mat用于INTERCONNECT系統(tǒng)仿真中。代入步驟2平板電阻和pn結(jié)電容（零偏壓）的值并從腳本中設(shè)置。其中總電阻除以2并分配給n和p區(qū)域。下圖顯示了射頻損耗、射頻群折射率、特性阻抗的實(shí)部和虛部（電阻和電抗）。步驟5：緊湊模型和電路仿真使用前面步驟的仿真結(jié)果，我們?yōu)镮NTERCONNECT中構(gòu)成完整調(diào)制器電路的波導(dǎo)、光調(diào)制器和行波電極導(dǎo)入緊湊模型參數(shù)。然后可以在穩(wěn)態(tài)和時(shí)域中執(zhí)行電路仿真，以獲得光傳輸與偏置和頻率的關(guān)系以及眼圖。使用INTERCONNECT打開文件tw_modulator_INTERCONNECT_ONA.icp，它表示調(diào)制器光子電路以及ONA(OpticalNetworkAnalyzer)測量設(shè)備。調(diào)制器本身包括一個(gè)輸入波導(dǎo)Y分支，其后是每個(gè)分支上的波導(dǎo)和光調(diào)制器，以及將2個(gè)調(diào)制器臂重新組合在一起的輸出Y分支。上調(diào)制器臂還有一個(gè)行波電極(TWE)，相移應(yīng)用于此臂，而下臂保持零參考偏壓。光網(wǎng)絡(luò)分析儀向輸入Y支路提供光輸入，并從輸出Y支路接收輸出光信號，而上臂TWE被直流信號偏置。行波電極可調(diào)變光程最大為5000um(假設(shè)90%有效),源端與輸出端阻抗都設(shè)定50Ohm，其他則為腳本輸入的步驟2與4仿真結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)器件的操作波長設(shè)為1.55um，在0V偏壓情況下對應(yīng)的有效折射率、群折射率與損耗。設(shè)定好之后以Interconnect中的光網(wǎng)絡(luò)分析器(OpticalNetworkAnalyzer,ONA)對系統(tǒng)的穿透波進(jìn)行分析。在ONA源設(shè)定仿真波長為1550到1650nm，共1000個(gè)波長點(diǎn)，在DC_2分別用0.5,0,0.5三電壓條件控制行波電極，可以得到不同電壓下穿透率隨波長的變化，從圖可知在控制電壓改變1V時(shí)穿透波長差異僅0.8~0.9nm。接下來將整個(gè)形波馬赫曾德爾調(diào)制器放進(jìn)眼圖分析系統(tǒng)，使用INTERCONNECT打開文件tw_modulator_INTERCONNECT_eye.icp，該文件表示調(diào)制器光子電路以及眼圖測量設(shè)備。用連續(xù)波激光(CWLaser)當(dāng)光源，控制行波電極的電信號則為一個(gè)時(shí)間脈沖發(fā)生器，包含偽隨機(jī)二元序列(PseudoRandomBinarySequence,PRBS)訊號搭配不歸零（Nonreturntozero,NRZ）脈沖發(fā)生器。PRBS信號的比特率設(shè)置為20Gbits/s，NRZ脈沖發(fā)生器調(diào)制幅度為1V，參考偏差為0.5V（信號范圍在0.5和0.5V之間），激光源功率為10mW，激光源波長為1552.5nm。激光功率和波長的選擇是相對任意的，在這種情況下，我們選擇的值在眼圖中給出可接受的信噪比，眼圖交叉接近50%來運(yùn)行