Ansys Lumerical | 光子集成电路之PN 耗尽型移相器仿真工作流

本文专注于介绍Ansys Lumerical的模块化方法，应用于有源光子集成电路中PN耗尽型移相器的仿真分析。通过结合FDE(有限差分电磁方法)和CHARGE求解器，本研究模拟了移相器的电容、有效折射率扰动、损耗等关键性能指标，并进一步创建了紧凑模型，应用于INTERCONNECT领域。此外，研究也评估了反向偏置电压对电路中信号相移的影响，展现了基于不同偏置条件的仿真结果。

方法与模型构建




无论移相器结构沿光传播方向是否均匀，本文均选择模拟其横截面部分，通过准确地定义各个组件使得分析更加集中和有效。软体中的电学模拟能够模拟电荷载流子的空间分布作为偏置电压的函数，利用CHARGE求解器计算电荷分布，并能够与元件的特征集相匹配，提供高精度的结果。

针对电学模拟部分，重点在于通过读取`charge.mat`文件中的电荷分布数据，构建基于该数据的物理模型，进而探索电容CV曲线的特性和电子载流子的边界变化行为，以此理解反向偏置电压对电子和空穴对结电容贡献的影响及动态电容变化对移相器工作速度的影响。

光学模拟能够揭示载流子浓度变化对波导折射率的影响，这是通过使用FDE模块在MODE求解器中实现的。此部分通过在偏置电压为0V时进行频率扫描，生成在零偏压条件下的有效折射率与频率关系图。进一步地，在应用电压参数扫描时，计算中心波长下的有效折射率、损耗与偏置电压之间的关系曲线及模场分布图。最显著的变化表现为随着反向偏置电压的增加，有效折射率出现显著的扰动特征，同时损耗降低，这为实现更紧凑且能进行精细调制的移相器提供理论支持。

电路模拟与性能评估

针对构建的元件模型，进一步将仿真结果应用于INTERCONNECT电路的测试环境中。借助光网络分析仪，评估不同偏置电压条件下电路的频域响应，以洞察移相器在电路中的性能。

在分析不同偏置电压下的相移曲线时，发现相位在基线条件下呈现不变趋势，而在施加偏置电压时出现显著变化，特别是在4V反向偏压条件下，相移约为0.2弧度。基于此，文章指出该移相器的品质因数为0.03 Vm，这一参数对于优化设计、提升一体化和集成化能力具有重要指导意义。

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