Ansys Lumerical | 行波马赫曾德尔调制器的仿真设计与优化

高性能设计与优化：Lumerical、HFSS与optiSLang在行波调制器中的整合应用

在当前高速发展的微电子技术领域，构建高效率、低损耗的硅基行波调制器（TWTM, TransmissionWave MachZehnder Modulator）是一项关键性的挑战，其性能优化与发展依赖于更精细的理论模型与计算方法。本文将详细介绍如何将Lumerical、HFSS（由Ansys公司提供）与optiSLang耦合应用，以实现这一目标。通过这一集成优化设计流程，可不仅模拟调制器内部器件参数、物理特性与电磁场耦合关系，而且还能够有效地探索与优化影响调制器性能的关键变量。

1. 基础架构与仿真步骤

本研究起源自对硅基波导中行波MachZehnder调制器的深入分析，其中考虑了覆盖–偏压 pn 结的相位调制特性及Al共面传输线的驱动方式。研究的目标是寻找具备最佳品质系数（Quality Factor）的设计，同时关注速度失配、损耗量以及与电压相关的相移等关键参数，这些参数与选定的输入参数（如掺杂浓度、掺杂位置、电极几何形状等）密切相关。




在Lumerical、HFSS与optiSLang的整合应用中，分立的器件组件（电学、光学与射频）模型通过接口导入到optiSLang中，并进一步构建元模型，使得大量参数优化成为可能。此外，通过将INTERCONNECT模型引入optiSLang，可进一步评估误码率（BER, Bit Error Rate）以实现对设计效果的整体评估。

2. 多物理仿真阶段

通过运行Lumerical的Charge模块，研究人员获得了不同偏压（范围从0.4V到4V）下调制区域的载流子分布情况。这一过程得到名为`monitor_charge`的数据结果，进一步通过此结果支持了后期的模拟分析。

使用模式求解器（MODE）工具，结合Charge模块中输出的载流子分布，计算了波导在整个调制区内的损耗、群折射率以及等效折射率等参数。同时，HFSS模块被用于计算行波电极在频率域（10100GHz）下的损耗、端口阻抗与等效折射率等信息。以上数据作为optiSLang模块的输入参数，实现后续的模型建立和优化。

3. 创建元模型阶段

在optiSLang中，基于多物理仿真数据的输入参数与仿真结果，构建了针对调制器性能的元模型。该模型通过参数敏感性分析，寻找到影响品质系数（FOM）的关键因素：最小化速度失配、最小化损耗与加大电压相关的相移（Vpi/Lpi）。元模型要求选择特定参数变量集以获得所需的质量因数，这些变量仅针对调制器中的掺杂浓度、掺杂位置以及电极形状。

为了提高元模型的可靠性和准确性，首先通过半循环拉丁超立方抽样生成60个初始样本，此过程在局部预测算法系数（CoP）和优化标准之间采用70：30的比例以平衡近似准确性和模拟效率。然后设置每次迭代使用12个样本，至少执行6次迭代，以生成元模型。输出结果以记录在“Result designs”中的表格形式呈现。

4. 从元模型到最佳设计的发现

通过调用元模型，研究人员利用优化算法��块进行多目标优化，利用数千种参数敏感性的设计组合，自动寻找最佳设计，形成帕累托前沿（Pareto Front）。所有设计的品质系数可用帕累托图直观地进行查看。进一步选择最佳设计项（通过红色标识在3D云图中突出强调），并绘制相对应的输入参数和优化结果。