Ansys Lumerical光子集成电路PN耗尽型移相器仿真

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。

02 综述

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(上)和-4V(下)时，移相器横截面的电子分布曲线如下图所示：

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：

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：

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。

不同偏置电压下的相移曲线如下图所示：

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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