如何在反向偏壓下模擬有源環(huán)形調(diào)制器

01 說明

本文旨在介紹 Ansys Lumerical 針對 Ring Modulator 的仿真分析方法。通過設(shè)計一系列如長直和彎曲波導(dǎo)，定向耦合器等子組件，并將其分別仿真表征到 INTERCONNECT實現(xiàn)，在這里，我們將展示如何在反向偏壓下模擬有源環(huán)形調(diào)制器。

02 綜述

環(huán)形調(diào)制器的主要組成部分包括波導(dǎo)耦合器，無源波導(dǎo)和有源波導(dǎo)，這里我們將演示每個部分的仿真并最終在INTERCONNECT分析其傳輸和FSR等參數(shù)。

步驟1：計算波導(dǎo)耦合器的效率

波導(dǎo)耦合器的基本特性可以通過單個 3D FDTD 模擬來完成，方法是計算其功率耦合系數(shù)作為所關(guān)注模式的頻率函數(shù)。在這個例子中，我們專注于TE 模，忽略需要多次 FDTD 模擬的背向反射和反向耦合。

使用FDTD 計算TE 模的耦合效率隨波長變化的函數(shù)如下圖所示：

步驟2：計算無源波導(dǎo)特性參數(shù)

使用MODE 中的FDE求解器來計算長直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)中的模場分布，等效折射率，群折射率，色散等關(guān)鍵參數(shù)，并使用頻率掃描獲取所關(guān)注波長范圍內(nèi)的結(jié)果如下圖所示：

步驟3：計算有源波導(dǎo)特性參數(shù)

對于有源波導(dǎo)部分，可以使用 CHARGE 和 FDE 求解器表征等效折射率隨施加電壓的擾動。2D CHARGE 模擬用于獲得電荷載流子的空間分布作為偏置電壓的函數(shù)，利用這些數(shù)據(jù)，F(xiàn)DE 求解器計算有等效折射率的變化作為偏置電壓的函數(shù)。

如下圖顯示的是在 4V反向偏壓下的載流子濃度分布。

步驟4：計算有源波導(dǎo)特性參數(shù)

將第 3 步所計算的電荷載流子的空間分布加載到 FDE 求解器中。這里我們需要兩個模擬來表征有源波導(dǎo)：

偏置電壓設(shè)置為0，計算在0偏置電壓的情況下等效折射率指數(shù)、群折射率和色散關(guān)于頻率的函數(shù)。

使用 sweep計算等效折射率相對于偏置電壓變化的函數(shù)。我們將波長固定在中心波長，因此等效折射率隨波長的變化可以忽略不計。

等效折射率與偏置電壓的關(guān)系曲線以及模場分布如下圖所示：

步驟5：計算環(huán)形調(diào)制器的整體性能

在對每個子組件進行表征之后，可以將環(huán)形調(diào)制器與 INTERCONNECT 中的原始元素組裝在一起。組件級仿真的結(jié)果必須加載到 INTERCONNECT 電路中的相應(yīng)元件中，并且可以使用光網(wǎng)絡(luò)分析儀來計算頻域響應(yīng)。在本例中，為簡單起見，我們只關(guān)注直流偏置并提取調(diào)制效率作為環(huán)形調(diào)制器的關(guān)鍵結(jié)果。

不同調(diào)制電壓下的傳輸曲線如下圖所示：

審核編輯：湯梓紅