本文内容来源于Ansys官网由摩尔芯创翻译整理引言在这个例子中我们将利用CHARGE电学仿真和FDTD光学仿真来分析这种交错结型微环调制器的性能表现。理论在微环结构中波导的有效折射率发生变化会导致共振频率发生偏移这一现象可用于调制光信号[1]。这种有效折射率的变化是由波导中载流子密度的变化所驱动的。为了仿真载流子的分布使用CHARGE对电荷和静电势进行了自洽仿真。为了计算载流子密度变化对波导损耗和有效折射率的影响则需要使用FDTD进行仿真。在FDTD仿真中通过NP密度网格属性对象来获取载流子的密度信息并根据Soref等人论文中的公式计算材料折射率实部和虚部的相应变化。有关该结构组及公式的更详细说明请参阅文末链接Charge to index conversion一节。仿真设置该波导调制器的交错结结构可在CHARGE中建立。在CHARGE中打开interleaved_modulator.ldev项目。波导的尺寸与J.C.Rosenberg等人所著的参考文献[1]中的结构一致。该器件采用SOI工艺制造即首先在埋氧层上外延生长一层薄硅层然后再对硅层进行刻蚀从而形成波导结构。波导中交错PN结的峰值掺杂浓度和掺杂分布尺寸根据论文中的数据来确定。虽然通常使用解析模型来构建掺杂分布但也可以利用工艺仿真得到的结果来代替。在参考器件中通过沿着波导的长度方向交替掺杂p型和n型材料从而形成交错的PN结[1]。由此形成的结构和掺杂分布具有沿每个掺杂区域中线的镜像对称性。下图中所示的波导俯视图对此进行了说明。A-A’线和B-B’线是镜像对称轴。由于CHARGE仿真区域具有电荷守恒性因此可利用这些对称轴在光传播方向上设定仿真区域的边界。各横截面之间的距离即为交错掺杂的半节距λ/2。光学仿真和电学仿真的布局相同。在FDTD中打开interleaved_modulator.fsp文件。电学仿真用于计算施加电压下电子和空穴的分布。为了描述折射率会随着电荷载流子密度分布而发生变化的材料使用了NP密度网格属性对象。这些对象会导入CHARGE计算得到的空间电荷分布数据并将其插值到FDTD的直线网格上。与每种材料相关的各种属性都可以通过结构组的属性来进行设置。有关这些属性的详细信息请参阅文末链接Mach-Zehnder modulator example的讨论部分。注意必须先在CHARGE中运行电学仿真以生成用于在FDTD分析中构建具有空间变化折射率的波导所需的数据。为了计算在施加不同电压时波导的相位和损耗特性需要采用参数扫描的方法。拥有多处理器计算机或能够使用并行计算资源如计算集群的用户可以通过在MODE模式下配置相关参数充分利用所有可用的处理器核心来执行参数扫描。参数扫描得到的结果相位和损耗数据可以通过提供的ilmod_txresponse.lsf脚本文件进行分析和绘制。结果与讨论载流子密度vs.电压加载项目文件interleaved_modulator.ldev该文件已设置为对阴极施加0-1V的直流偏压扫描使二极管处于反向偏置状态。在光学仿真中需要知道载流子密度电子和空穴的数量才能建立相应的材料模型。载流子密度信息可通过将电荷监测器monitor记录的数据保存到ilmod_carriers.mat文件中来提取。请注意为了确保光学仿真中载流子密度的精确度我们在波导区域添加了相应的网格细化处理。仿真完成后请执行以下脚本命令将数据导出到一个文件中该文件将由FDTD读取以进行光学仿真。直流电容vs.电压PN结电容在直流条件下通过计算数值导数进行仿真CdQ/dV。使用电荷监视器并启用电荷总和计算功能即可轻松计算总电荷。该监视器将对仿真区域内的载流子浓度电子和空穴进行积分。通过在偏压V和VΔV两种条件下分别进行两次仿真可将电容估算为脚本文件ilmod_CV_analysis.lsf可用于设置0-1V范围内的直流扫描每步的扰动量为ΔV25mV。该脚本文件还将执行电容计算并绘制如下所示的结果图。在所引用的论文中报告了在1V偏压下测得的值为0.65fF/um[1]。注意总电荷积分的结果会受到网格密度的显著影响特别是在包含PN结的区域。建议先使用粗网格进行仿真以确保配置正确并确认结果的趋势。使用较粗的网格时根据电子密度计算出的电容值可能与根据空穴密度计算出的电容值存在差异。在验证了仿真配置后可在波导区域应用网格约束并进一步细化网格直至结果收敛即CnCp。注所计算出的PN结电容值会显著受到掺杂分布的影响。在本例中峰值掺杂浓度是根据参考文献中报道的数值选定的不过为了仿真实际器件中的掺杂情况我们采用了解析的掺杂分布曲线。这一因素会影响到仿真得到的电容值。损耗和Vπ-L在FDTD中打开项目文件interleaved_modulator.fsp。在CHARGE仿真中得到的各种半导体几何结构都被表示为NP密度网格属性对象。这些对象能够反映出随着施加电压的变化而产生的折射率空间变化情况。打开仿真文件后运行以下几行脚本该脚本会将CHARGE仿真中得到的电荷密度数据按照正确的方向加载到NP密度网格属性对象中。在运行脚本之前请确保CHARGE仿真生成的ilmod_carriers.mat文件与FDTD仿真文件位于同一文件夹中。为了覆盖所有可能的偏置电压范围需要使用参数扫描功能。请选择“电压”作为扫描参数然后点击“运行”。该扫描将按照电学仿真中的设置来遍历所有的偏置电压值并在每个步骤中更新波导的材料折射率。仿真完成后可使用提供的ilmod_txresponse.lsf脚本文件绘制参数扫描结果。该脚本会分析波导中一个周期内的电场分布和信号传输情况。波导中的基模为TE模式。因此通过计算波导中点处电场x分量Ex的相位可以得出在一个周期内相位的变化情况。随后可确定完整π相位移的占比a从而得出产生π弧度相位移所需的总长度Lπ性能指标VπL是Lπ与对应电压V的乘积。损耗可直接根据透射率计算得出并按掺杂周期560nm进行归一化处理从而得到以dB/cm为单位的数值。下图绘制了性能指标和损耗的曲线。这些结果与参考文献中报道的数值一致在1V时VπL为0.76V·cm损耗为35dB/cm[1]。仿真结果与测量结果之间的差异可能是由于缺乏关于掺杂情况的详细信息以及由于波导表面粗糙度而导致的额外损耗所致。另见参考文献[1]J. C. Rosenberg, et al., “A 25 Gbps silicon microring modulator based on an interleaved junction,” Optics Express, 20, 25411 (2012)相关链接Charge to index conversionhttps://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034382494-Charge-distribution-to-change-in-refractive-index-theoryMach-Zehnder modulator examplehttps://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042328674深圳市摩尔芯创科技有限公司MoorEDA Technology Limited成立于 2021 年为 ANSYS 中国区授权代理商可提供 Ansys Lumerical、Ansys Zemax、Ansys Speos、Ansys HFSS、SIwave、Q3D、Maxwell、Icepak、Mechanical、LS-DYNA、Sherlock、Fluent、CFX 等 EDA/CAE 仿真软件配套多物理场仿真方案、工程仿真咨询、技术培训与项目调试服务服务半导体、硅基光电子、新能源、汽车电子领域企业及高校科研院所。
