如何在反向偏压下模拟有源环形调制器

01 说明

本文旨在介绍 Ansys Lumerical 针对 Ring Modulator 的仿真分析方法。通过设计一系列如长直和弯曲波导，定向耦合器等子组件，并将其分别仿真表征到 INTERCONNECT实现，在这里，我们将展示如何在反向偏压下模拟有源环形调制器。

02 综述

环形调制器的主要组成部分包括波导耦合器，无源波导和有源波导，这里我们将演示每个部分的仿真并最终在INTERCONNECT分析其传输和FSR等参数。

步骤1：计算波导耦合器的效率

波导耦合器的基本特性可以通过单个 3D FDTD 模拟来完成，方法是计算其功率耦合系数作为所关注模式的频率函数。在这个例子中，我们专注于TE 模，忽略需要多次 FDTD 模拟的背向反射和反向耦合。 

使用FDTD 计算TE 模的耦合效率随波长变化的函数如下图所示：

步骤2：计算无源波导特性参数

使用 MODE 中的FDE求解器来计算长直波导和弯曲波导中的模场分布，等效折射率，群折射率，色散等关键参数，并使用频率扫描获取所关注波长范围内的结果如下图所示：

步骤3：计算有源波导特性参数

对于有源波导部分，可以使用 CHARGE 和 FDE 求解器表征等效折射率随施加电压的扰动。2D CHARGE 模拟用于获得电荷载流子的空间分布作为偏置电压的函数，利用这些数据，FDE 求解器计算有等效折射率的变化作为偏置电压的函数。

如下图显示的是在 4V反向偏压下的载流子浓度分布。

步骤4：计算有源波导特性参数

将第 3 步所计算的电荷载流子的空间分布加载到 FDE 求解器中。这里我们需要两个模拟来表征有源波导：

偏置电压设置为0，计算在0偏置电压的情况下等效折射率指数、群折射率和色散关于频率的函数。

使用 sweep计算等效折射率相对于偏置电压变化的函数。我们将波长固定在中心波长，因此等效折射率随波长的变化可以忽略不计。

等效折射率与偏置电压的关系曲线以及模场分布如下图所示：

步骤5：计算环形调制器的整体性能

在对每个子组件进行表征之后，可以将环形调制器与 INTERCONNECT 中的原始元素组装在一起。组件级仿真的结果必须加载到 INTERCONNECT 电路中的相应元件中，并且可以使用光网络分析仪来计算频域响应。在本例中，为简单起见，我们只关注直流偏置并提取调制效率作为环形调制器的关键结果。

不同调制电压下的传输曲线如下图所示：

审核编辑：汤梓红