引言

采用集總電極結構的一般電光調制器面臨著這樣的局限：器件的帶寬受RC常數限制，而更高的運行速度需要更短的器件長度，這同樣受到RC-lump的限制。采用行波電極結構具有顯著優勢，可消除集總電極設計帶來的限制。本節介紹了采用行波電極結構的調制器并對其進行了表征。為了仿真載流子的分布，使用CHARGE模塊對電荷和靜電勢進行自洽仿真。隨后，MODE模塊將利用載流子濃度信息，計算材料折射率實部和虛部的相應變化。這些參數隨后被導出至INTERCONNECT模塊，其中包括電壓相關的結電容。INTERCONNECT元件庫為行波調制器的設計與仿真提供了所需的靈活性。有關仿真流程的更多信息，請參閱Traveling Wave Modulator（鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774）。

背景

在行波電極結構中，通過使用匹配負載終止微波信號，可顯著減少波導輸出端的反射。因此，該結構克服了集總參數器件所受的RC常數限制。該器件可以做得更長，同時仍能滿足與集總參數器件相同的速率要求。通過仔細控制折射率失配和阻抗失配，即可實現所需的調制器。

文獻綜述

在本節中，我們將我們的行波電極的仿真結果與幾篇已發表論文中的結果進行了比較，我們復現的結果與已發表的結果高度一致。要復現這些結果，用戶可以解壓縮Ref_repro.zip文件并運行相應的腳本。

行波調制器調制強度與微波頻率的關系

在參考文獻2中，研究了不同光波與微波速度失配百分比下，行波調制器的調制強度與微波頻率關系，我們通過使用行波電極元件進行仿真復現了這些結果。以下圖表展示了調制器速度失配從5%到50%的調制強度仿真結果。在每個圖表中，微波損耗從1dB/(sqrt(GHz)cm)變化到5dB/(sqrt(GHz)cm)。

不同光波與微波速度失配百分比下，行波調制器調制強度與微波頻率的關系

不同特性阻抗和微波損耗下的調制頻率響應

在參考文獻3中，研究了不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應；我們通過使用我們的行波電極進行仿真，將電極特性阻抗作為參數，復現了這些結果。以下圖表顯示了仿真結果，圖中標明了所有參數。

不同特性阻抗和微波損耗的調制頻率響應

不同相移長度的調制頻率響應

在參考文獻4中，研究了針對不同相移長度的多種調制頻率響應。下圖是我們使用行波電極單元在仿真中重現的結果。兩次測量中相移器的長度分別為1mm和2mm，調制器的偏置電壓分別為0V和-3V。

不同相移長度的調制頻率響應

不同終端阻抗的調制頻率響應

在參考文獻5中，進行了兩項測量。一項是以終端電阻為參數的頻率響應測量，另一項是歸一化平均電壓的測量。下圖顯示了測量結果，并標注了所有參數。

不同終端阻抗的調制頻率響應

4納米和8納米調制器的調制頻率響應

利用參考文獻3中的模型，可通過下圖預測帶寬分別為4nm和8nm的調制器的調制強度。在我們重現的該圖中，藍色和綠色曲線分別測量4nm和8nm調制器的帶寬。

所有使用行波電極元件的仿真結果都與已發表的文獻結果吻合良好，這證明了該元件的準確性。更多信息請參見下文應用示例：系統建模說明與結果。

系統建模說明

在這一部分，提供了兩個行波調制器的系統建模說明，并討論了仿真結果。

為了說明行波調制器的原理，我們構建了兩個仿真系統：其中一個調制器由外部行波電極驅動，另一個調制器則由常規電信號直接驅動，但內置了行波電極。

在文件TWM_waveguide_electrodes.icp中，光學調制器由NRZ電信號驅動，該電信號通過行波電極波導。光學調制器電極類型設置為"lumped"。行波電極波導對電信號產生濾波效果。以下是系統建模：

TW調制器波導電極模型

在文件TWM_modeling_electrodes.icp中，光學調制器直接由NRZ電信號驅動，然而，光學調制器本身的電極類型設置為“traveling wave”，以下為系統建模：

TW調制器系統模型

系統建模結果

TW調制器波導電極系統

對于TW調制器波導電極系統，當元件TW_1被禁用時，系統的驅動電信號和眼圖如下所示：

驅動信號，行波電極禁用

眼圖，行波電極禁用

啟用行波電極后，波導后的電信號波形會產生濾波效應，因此系統的眼圖會因時序抖動和噪聲效應而惡化。行波電極波導的折射率失配為delta_n=0.1，微波損耗為1080dB/m。行波電極的標準參數設置為：

驅動電信號和啟用了行波電極的系統眼圖如下所示：

使用行波電極的驅動信號（Δn=0.1，微波損耗=1080dB/m）

帶有行波電極的眼圖（Δn=0.1，微波損耗=1080dB/m）

當"微波損耗"設置為0dB/m，且存在0.1的折射率失配時，波導后的波形和系統的眼圖與禁用行波電極時相比，只有輕微的差異。

使用行波電極的驅動信號（Δn=0.1，微波損耗=0dB/m）

帶有行波電極的眼圖（Δn=0.1，微波損耗=0dB/m）

TW調制器建模電極系統

對于TW調制器建模電極系統，其工作原理與行波波導相同。將調制器的電極類型設置為"行波"，并采用以下參數設置，系統生成的波形和眼圖趨勢相同。本例中的折射率失配為delta_n=1，微波損耗為0dB/m。

光學調制器增強設置

接收到的波形和系統的眼圖如下所示：

原始信號和接收信號（Δn=1，微波損耗=0dB/m）

眼圖(Δn=1,微波損耗=0dB/m)

具有更大折射率失配的調制器具有更強的濾波效果，因此信號和眼圖的退化更加明顯。

相關文獻

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