01 說明

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本文旨在介紹Ansys Lumerical針對有源光子集成電路中PN耗盡型移相器的仿真分析方法。通過FDE和CHARGE求解器模擬并計算移相器的性能指標（如電容、有效折射率擾動和損耗等），并創(chuàng)建用于INTERCONNECT的緊湊模型，然后將其表征到INTERCONNECT的測試電路中實現(xiàn)，模擬反向偏置電壓對電路中信號相移的影響。

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02 綜述

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這里假設移相器的結構沿光傳播方向是均勻的，因此僅模擬器件的橫截面。我們將演示每個部分的仿真及結果。

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步驟1：電學模擬

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利用CHARGE求解器對移相器組件進行電學模擬，獲得電荷載流子的空間分布作為偏置電壓的函數(shù)，并將電荷分布數(shù)據(jù)導出為charge.mat文件。根據(jù)載流子濃度，我們也可以估計器件電容。

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施加于器件的偏置電壓為0V(上)和-4V(下)時，移相器橫截面的電子分布曲線如下圖所示：

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由圖可知，在沒有施加偏置電壓情況下，波導橫截面上的電荷分布是對稱的。通過施加足夠強的反向偏壓，由于pn結上耗盡區(qū)的加寬，電子被部分推出波導(向左)，導致波導上電荷分布發(fā)生相當顯著的變化。

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電荷分布和耗盡區(qū)寬度的變化將改變結電容，器件的C-V曲線如下圖所示：

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由圖可知，電子和空穴對結電容的貢獻非常相似，且由于耗盡區(qū)加寬，隨著施加更高的反向偏置電壓，二者對結電容的貢獻降低。電容的大小會影響移相器的工作速度(帶寬)，因此可以在電路模型中考慮這種影響。

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步驟2：光學模擬

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利用MODE求解器中的FDE模塊進行光學模擬，從電學模擬獲得的變化的載流子濃度改變了波導的折射率，所以波導的有效折射率與偏置電壓有關。將第一步得到的電荷分布數(shù)據(jù)charge.mat加載到FDE求解器中，這里需要兩個模擬來表征波導。

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·偏置電壓設置為0，使用頻率掃描獲得波導在0偏壓的有效折射率關于頻率的函數(shù)，波導數(shù)據(jù)導出為ps_active_0.ldf。

·使用Sweep進行電壓參數(shù)掃描，計算中心波長處的有效折射率和損耗隨偏置電壓的變化，數(shù)據(jù)導出為neff_V.dat。

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有效折射率、損耗和偏置電壓的關系曲線以及模場分布如下圖所示：

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由圖可知，較大的反向偏置引起較高的有效折射率擾動和較低的損耗。這是因為施加了反向偏壓后，波導內自由載流子的耗盡會減少沿波導方向的光吸收量，較高的折射率擾動可以減小移相器實現(xiàn)π相移所需的長度。在-4V偏壓下，移相器在1550 nm下的TE模被很好地限制在波導內，與波導內的載流子分布顯著重疊，這可以顯著地影響模式的有效折射率。

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步驟3：電路模擬

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將步驟2中的仿真結果加載到INTERCONNECT電路中的相關元件中，利用INTERCONNECT測試移相器元件在簡單電路中的性能，使用光網絡分析儀計算器件的頻域響應。

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不同偏置電壓下的相移曲線如下圖所示：

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由圖可知，隨著偏置電壓的變化，相位發(fā)生了變化。仿真結果表明，對于 500 微米的長度，在 4 伏偏置電壓下相移約為 0.2 弧度，這表明移相器的 Vπ.Lπ 品質因數(shù)約為 0.03 Vm。