01 說明

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

02 綜述

環形調制器的主要組成部分包括波導耦合器，無源波導和有源波導，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。

步驟1：計算波導耦合器的效率

波導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作為所關注模式的頻率函數。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如下圖所示：

步驟2：計算無源波導特性參數

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

步驟3：計算有源波導特性參數

對于有源波導部分，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，利用這些數據，FDE 求解器計算有等效折射率的變化作為偏置電壓的函數。

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：計算有源波導特性參數

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：

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

使用 sweep計算等效折射率相對于偏置電壓變化的函數。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系曲線以及模場分布如下圖所示：

步驟5：計算環形調制器的整體性能

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

不同調制電壓下的傳輸曲線如下圖所示：

審核編輯：湯梓紅