Ansys Lumerical | 对铁电波导调制器进行仿真应用

高级技术文章：基于BaTiO2铁电波导调制器的电场控制光波导有效折射率模拟与分析

引言

在本文献中，我们致力于运用数值仿真方法研究使用BaTiO2材料的铁电波导调制器。BaTiO2因其独特的特性，在光电器件中展现出巨大潜力——其折射率会随着外加电场的变化而改变。此研究基于已有相关文献[1]，旨在通过计算不同工作电压条件下波导的有效折射率，揭示其对光波传输效率的影响。具体而言，我们采用类似的波导结构设计，其中包括Bi Ti O3晶体层，其取向方式确保了良好的光波导传输性能。此外，我们使用硅层进行填充并与玻璃衬底结合，以兼容其他光学组件。金电极触点的配置则确保了对电场的有效控制，进而对BaTiO2晶体质心位置施加了电极化，进而影响波导传输特性。

结构概述

铁电波导的设计具体如下：晶体的[011]方向平行于光传播方向（y轴），而[001]方向指示波沿z轴前进。BiTiO3层顶部的非晶硅脊波导结构限制了光波沿x轴的横向传播。金电极触点距离非晶硅脊波导两侧为1μm，确保通过外加电压对材料产生显著影响。

仿真流程


1. 电场分布模拟

我们利用Lumerical的CHARGE求解器，首先对不同偏置电压条件下的波导横截面上的电场分布进行了计算。设置阴极触点为固定0V，阳极触点通过扫描电压15V（步长0.5V）进行模拟，生成电场分布曲线并保存为数据文件WG_Efield.mat。




2. 有效折射率分析

接下来，依据在前一步中获取的电场变化，使用Lumerical的MODE模块中的FDE求解器分析了有效折射率与电压的关系。这一步涉及导入先前保存的电场分布数据，通过调整偏压参数（bias_point）来动态模拟不同电压条件下的电场影响。有效折射率变化构建了偏置电压与波导性能之间的物理联结。

复杂材料特性的分析


材料介电常数旋转

在未旋转晶体的坐标系（x’、y’、z’对应主晶向）中，BiTiO3材料在无外加电场状态下的介电常数张量描述了其基本光学常数。通过外加电场产生的反介电常数扰动量（delta ε）可以通过数学公式推导得出。存在电场时，介电常数张量将包含非对角分量，使得材料响应成对角化状态。

晶格常数与坐标旋转

BiTiO3晶体的晶格常数为a = 3.992 Å和c = 4.036 Å。设置角度旋转（Theta = arctan(4.036/3.992)）将让晶面沿期望的方向平行，确保BiTiO3能够很好地响应外加电场。

结果与结论

通过数值模拟，我们得出了波导有效折射率与偏置电压之间的详细关系曲线。结果揭示了铁电波导的非线性光学特性，显示BaTiO2材料在受到电场控制时，有效折射率呈现出明显的电压依赖性变化。这为集成光子学领域开发调控更高效、精确定时的全光通信系统提供了重要参考与设计指引。