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01 说明 n,Z B-"dW r}gp{Pf7e 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。 CDz-IQi lIN`1vX (  4~G++|NQ )I`6XG 02 综述 KL4Z ||n IX /r  fRT Q5V D;V FM P 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。 U 9?!|h;7 U[S#axak 步骤1：电学模拟 GUe&WW:Sqk Mb I';Mq 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。 %rz.>4i)( 27;t,Oq} 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： [-@Lbu-| ZW}0{8Dk
 Dl3Df u8 Hm?zMyO.k  Q6cF <L`bW hr8v O"tZN 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。 rZ~.tT|( T[ iwP~l 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： \pzqUTk ]Je A29  &b 2Vt `]^JOw5o 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。 <B;l).[6 +G3&{#D
? 步骤2：光学模拟 ,qgph^C (8<U+)[tPy 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。 bP`.teO \ "%aJ 'l2 ·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。 k,xY\r$ ·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。 !\a'GO[ Cwxy ~.mI 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： Tn+6:<OFdO :QnN7&j|(w  TR8<= 6xs_@Vk|d  `e
t0i. lPh>8:qFM  b!Q|0X.? ).TQYrs 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。 :XK.A
r00 fvZyK 步骤3：电路模拟 sXm/+I^ ?|8H|LBIr 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。 !3{>
F " NhyVX%qt:  vMsb@@O\ \ ">}l8MA 不同偏置电压下的相移曲线如下图所示： (gQ^jmZPG i0 ax`37  {I|iUfy LL+R OX^M 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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