Ansys Lumerical | 行波 Mach-Zehnder 调制器仿真分析

摘要：

本文深入解析了一个行波 MachZehnder 调制器的仿真过程，重点关注其电气、光学和射频三个不同物理维度的多物理场仿真，最后在 ONECONNECT 中实现小型化虚拟电路模型的仿真。通过计算相对相位变化、光学信号传输、传输线带宽以及眼图实现，深入探讨调制器的关键性能指标。




前言与综述

本示例聚焦一个5毫米长的硅波导，通过驱动一个5毫米长的铝合金共面传输线回路，并在反向偏置的 pn 结中产生的光相位调制。这其中，Lumerical 的 FINITE电荷求解器负责模拟反向偏置影响下的电荷密度变化，以及串联平板电阻和pn结电容的传递。该电荷密度变化进一步通过 MODE 求解器转化为波导的光学折射率变化；平板电阻和结电容则被集成到 MODE 求解器中，用于预测传输线的射频特性。接着，汇集光学和射频变量以及pn结电容的数据，通过紧凑模型在 INTERCONNECT 中进行电路仿真以计算光学信号传输效率与电子信号变化的关系，以及评估系统的稳定性。

仿真步骤详解


步骤 1：电荷密度分布的仿真

采用有限元方法（FEM）在2D平面模拟多体物体，该方法对于具有平面电场变化的紧凑模型特别有效，通过减少计算资源的消耗并确保准确的电场分布表示。利用这一步骤分析 pn 结区域内的电荷密度变化随反向偏置电压的影响，特别强调了电流分布对于特定几何尺寸（平行电场为10um，垂直电场为5mm，厚度0.09um，且不考虑垂直方向的电场变化）的调整。最终通过脚本导入至 MODE 求解器，以便进一步的光学特性仿真。

步骤 2：交流电容与平板电阻的计算

通过所需仿真数据，利用脚本方法获取电容信息。在这里，汇集了直流电容值，并通过线性电阻与电容并联的 RC 器件模型进行可视化，直接关联于传输线拟合的交流电容，确保了电路模型的准确性，并为后续的频域分析提供了控制点。

步骤 3：光学特性计量

通过调用具备高效计算性能的 MODE 求解器，使用特定材料和几何参数，精心设计一个模拟结构，以捕获关键器件的光学特性。对于掺杂硅材料制备的波导系统，不同电压（0.5V 到 4V 含每0.5V步长）驱动下的有效折射率变化，通过日后输入 INTERCONNECT 模块的电荷密度数据进行计算。围绕1.55um的波长激发本征模式，提取相移（连接到 INTERCONNECT 的偏置电压），同时考虑光学损耗与群折射率的变化， собира重组建数据为 tw_modulator_optical_data.mat 文件。

步骤 4：射频特性模拟

继续采用共同平面共面传输线的定义，将步骤2计算的电阻、电容数据引入到匹配的一系列仿真计算中。针对频率范围（10GHz 到 100GHz，间隔为10GHz）的电容器与电路导纳特性建立物理模型，通过均匀分布的结构模拟平板电阻和反向偏置的 pn 结。采用脚本计算各频率下的等效折射率（包含损耗），群折射率，以及基本模式的阻抗特性（阻抗实部对应电阻，虚部对应电抗），结果聚合至 tw_modulator_RF_data.mat 文件，供 INTERCONNECT 模块分析调用。

步骤 5：集成紧凑模型与电路仿真

利用前四步的仿真成果，构建调制器的整体电路模型，包括反射耦合波导、光学调制器以及行波电极，其参数集成为对 INTERCONNECT 模块该瞬时场景机械与电气参数特征的详细描述。针对不同参数条件（如偏置电压、行波电极设置、电压波动范围），执行稳态与时间域内的电路仿真，识别信号传输、偏置条件与频率响应的影响。