Lumerical案例 | 交错结微环调制器
引言
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
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
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
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：C=dQ/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V+ΔV两种条件下分别进行两次仿真，可将电容估算为：
损耗和Vπ-L
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)
