電光調(diào)制仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
電光調(diào)制仿真的實例教程
電光調(diào)制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉(zhuǎn)換過程。現(xiàn)實當(dāng)中電光調(diào)制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調(diào)制器、硅基的電光調(diào)制器、基于等離子共振色散的電光調(diào)制器等等。然而，這些調(diào)制器原理不一樣，這造就了分析調(diào)制器的原理和方法不能放之四海而皆準，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調(diào)制器的成熟工藝，下文將展現(xiàn)仿真硅基電光調(diào)制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調(diào)制器和基于等離子共振色散的電光調(diào)制器。
在這里，硅基調(diào)制器的幾何結(jié)構(gòu)以發(fā)表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數(shù)如下圖所示：
其中，不同區(qū)域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅(qū)動下硅材料的復(fù)數(shù)折射率的變化。
展開 附件下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
在這個示例中，我們基于Mercante等人的工作[1]模擬了一種薄膜鈮酸鋰（LNOI）相位調(diào)制器。通過利用引入的各向異性介電常數(shù)特性，我們在CHARGE中計算了由射頻引發(fā)的電容電場（E場）。然后，這些電場用于通過Pockels效應(yīng)在電信波長下計算鈮酸鋰中的電光折射率擾動。接著，我們在FEEM中計算了擾動的LN波導(dǎo)的光學(xué)模式，以及TE基模的電壓相關(guān)相位調(diào)制性能，包括損耗和VπL。
概述
背景
光收發(fā)器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。所有的計算都始于電子領(lǐng)域，然后通過將信號從電信號轉(zhuǎn)換為光信號，我們可以提升更多的通道，擁有更大的帶寬，這可以在長距離傳輸中顯著減小信號衰減。這些器件在互聯(lián)網(wǎng)的長距離傳輸中起著至關(guān)重要的作用，以滿足流量和延遲需求的日益增長。我們可以將光收發(fā)器及光電探測器視作連接到互聯(lián)網(wǎng)超級高速公路的出口和入口。
這些器件通常采用Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)，其中載波被分到兩個傳輸通道，并在輸出處重新耦合。通過施加有數(shù)據(jù)信息的電信號來改變兩個臂中的光的相位，將導(dǎo)致在輸出處出現(xiàn)相干性。Mach-Zehnder干涉結(jié)構(gòu)通常用作非常敏感的光學(xué)儀器，但在這種情況下，光的相位被有意地調(diào)制，因此此類器件通常被稱為Mach-Zehnder調(diào)制器（MZM）。當(dāng)前，已經(jīng)使用了多種材料平臺和物理效應(yīng)來實現(xiàn)這種功能。在這個示例中，我們關(guān)注鈮酸鋰中的Pockel效應(yīng)。
大多數(shù)用于相位調(diào)制的物理機制都比較弱，導(dǎo)致器件整體需要非常大的尺寸。另一方面，一些特殊材料可能會導(dǎo)致傳輸損耗較大，或者難以與其它光學(xué)和電子集成。鈮酸鋰具有較大的吸收帶寬和明顯的各向異性，因此可以實現(xiàn)低損耗和高調(diào)制效率。傳統(tǒng)的晶體鈮酸鋰已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是晶體鈮酸鋰的制備方法無法制備高折射率差的光波導(dǎo)。
展開 空間光調(diào)制器(SLM.0002 v1.1)
應(yīng)用示例簡述
1. 系統(tǒng)細節(jié)
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調(diào)制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設(shè)計
— 場追跡：
? 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應(yīng)。
2. 系統(tǒng)說明
3. 模擬 & 設(shè)計結(jié)果
4. 總結(jié)
考慮SLM像素間隔來研究空間光調(diào)制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設(shè)計的用于光束整形的SLM透射函數(shù)。
第2步
分析不同區(qū)域填充因子的對性能的影響。
產(chǎn)生的衍射效應(yīng)對SLM的光學(xué)功能以及效率具有重大影響。
應(yīng)用示例詳細內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1. 該應(yīng)用實例的內(nèi)容
2. 設(shè)計&仿真任務(wù)
由于制造和技術(shù)的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產(chǎn)生衍射效應(yīng)，從而影響SLM的光學(xué)性能，并在接下來的工作中對其進行研究。
3. 參數(shù)：輸入近乎平行的激光束
4. 參數(shù)：SLM像素陣列
5. 參數(shù)：SLM像素陣列
應(yīng)用示例詳細內(nèi)容
仿真&結(jié)果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現(xiàn)反射系統(tǒng)(如反射鏡，2f系統(tǒng)等)。
? 內(nèi)置的SLM模式可以實現(xiàn)從簡單透射函數(shù)到包含像素和間隔的陣列的自動轉(zhuǎn)換。
2.
展開 滿足諧振條件的光留在環(huán)形波導(dǎo)中，而不滿足的光會從輸出波導(dǎo)耦合輸出。
圖1：微環(huán)諧振器腔的基本結(jié)構(gòu)
將微環(huán)諧振條件公式變形可得：
從公式可以看出，諧振波長λ與波導(dǎo)的有效折射率 成正比，利用電光效應(yīng)改變微環(huán)有效折射率 ，相應(yīng)的諧振波長就會發(fā)生偏移，實現(xiàn)電光調(diào)制。因此只需要微小的折射率改變就可以導(dǎo)致顯著的諧振峰偏移，適合高速光調(diào)制領(lǐng)域。
圖2：微環(huán)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3：在Lumerical CHARGE中進行電學(xué)仿真
如圖2、3為一個一個基于p-i-n結(jié)的硅基微環(huán)電光調(diào)制器，微環(huán)部分由p-i-n脊形波導(dǎo)構(gòu)成，中間部分由本征硅作為波導(dǎo)，兩邊分別為p型和n型重摻雜區(qū)域，通過載流子注入機制實現(xiàn)電壓對載流子濃度的調(diào)制。
圖4：不同偏置電壓下，諧振峰發(fā)生偏移
從圖4可以看到，施加不同偏置電壓后，諧振峰發(fā)生了偏移，因此給器件加不同電壓時，某一固定波長處的透射率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。
3)優(yōu)缺點：
微環(huán)結(jié)構(gòu)的引入給硅基電光調(diào)制器的性能帶來顯著改善。①由于微環(huán)調(diào)制器的尺寸很小，可以集成在高密度的光子芯片上。②由于微環(huán)諧振腔的高Q值，微環(huán)調(diào)制器可以在較低功率下工作，有助于降低整體功耗。③能夠?qū)崿F(xiàn)高速調(diào)制，適用于高速光通信系統(tǒng)。
微環(huán)結(jié)構(gòu)的不足之處在于：①受限于諧振條件，微環(huán)調(diào)制器的調(diào)制帶寬相對較小，對波長漂移非常敏感，不適用于寬帶應(yīng)用。②微環(huán)調(diào)制器對溫度變化非常敏感，溫度的波動可能導(dǎo)致共振波長的漂移，從而影響調(diào)制性能。需要額外設(shè)計補償機制。目前提高器件性能的工作主要集中在電學(xué)性能方面，這限制了光電子器件各方面性能的提高主要問題。需要新型光學(xué)結(jié)構(gòu)（如多環(huán)級聯(lián)）與新的調(diào)制機制的來為微環(huán)調(diào)制器的發(fā)展注入新的血液。
展開 光束整形＞衍射光學(xué)
任務(wù)/系統(tǒng)說明
亮點
?使用空間光調(diào)制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結(jié)果：3D系統(tǒng)視圖
結(jié)果：SLM近場區(qū)域
結(jié)果：SLM的遠場區(qū)域
結(jié)果：SLM遠場區(qū)域
文件&技術(shù)信息
電光調(diào)制仿真的相關(guān)專題、標簽、搜索
電光調(diào)制仿真的最新內(nèi)容
4月22日16:00，Ansys官方『AI驅(qū)動的OSA模型助力高速電光仿真全流程』研討會將介紹一種用于高速光學(xué) SerDes 鏈路仿真的新 IBIS-AMI 模型。感興趣的下滑預(yù)約學(xué)習(xí)??
時間：4月22日（星期三），16:00-17:00
內(nèi)容簡介：
本次 webinar 將會介紹一種用于高速光學(xué) SerDes 鏈路仿真的新 IBIS-AMI 模型。該模型采用機器學(xué)習(xí)方法模擬光學(xué)器件的非線性行為
前面兩期我們分別介紹了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)和常見的幾種調(diào)制結(jié)構(gòu)，其中包括了載流子注入型、載流子耗盡型以及載流子積累型在內(nèi)的三中常見的調(diào)制結(jié)構(gòu)，并簡單總結(jié)了三種結(jié)構(gòu)的調(diào)制機制、調(diào)制過程、所需的電極結(jié)構(gòu)、以及優(yōu)缺點和適用范圍。
對于載流子注入型調(diào)制結(jié)構(gòu)而言，它的調(diào)制效率高，使用結(jié)構(gòu)簡單的集總電極，工藝簡單利于制造，適用于對調(diào)制速度要求不高的片上傳感等領(lǐng)域。載流子耗盡型調(diào)制結(jié)構(gòu)依賴多數(shù)載流子的注入
摘要
具有高調(diào)制效率和寬帶寬的電光（EO）馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）對大容量光通信系統(tǒng)至關(guān)重要。迄今為止，薄膜鈮酸鋰（TFLN）MZM因其卓越的電光帶寬和緊湊性而成為極具前景的解決方案。然而，受限于電場與光場的限制效率不足而導(dǎo)致的低調(diào)制效率，集成TFLN MZM的長度仍然長達數(shù)毫米至數(shù)厘米。這一缺陷既阻礙了其在并行或復(fù)用領(lǐng)域的大規(guī)模集成，也妨礙了其與緊湊電子元件進行經(jīng)濟且高效地集成。
本研究通過將亞波長等離子體槽波導(dǎo)與
考慮到硅基電光調(diào)制器的成熟工藝，下文將展現(xiàn)仿真硅基電光調(diào)制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調(diào)制器和基于等離子共振色散的電光調(diào)制器。
在這里，硅基調(diào)制器的幾何結(jié)構(gòu)以發(fā)表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。
附件下載
聯(lián)系工作人員獲取附件
在這個示例中，我們基于Mercante等人的工作[1]模擬了一種薄膜鈮酸鋰（LNOI）相位調(diào)制器。通過利用引入的各向異性介電常數(shù)特性，我們在CHARGE中計算了由射頻引發(fā)的電容電場（E場）。然后，這些電場用于通過Pockels效應(yīng)在電信波長下計算鈮酸鋰中的電光折射率擾動。接著，我們在FEEM中計算了擾動的LN波導(dǎo)的光學(xué)模式，以及TE基模的電壓相關(guān)相位調(diào)制性能
光束整形＞衍射光學(xué)
任務(wù)/系統(tǒng)說明
亮點
?使用空間光調(diào)制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結(jié)果：3D系統(tǒng)視圖
空間光調(diào)制器(SLM.0002 v1.1)
應(yīng)用示例簡述
1. 系統(tǒng)細節(jié)
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調(diào)制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設(shè)計
— 場追跡：
? 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應(yīng)。
2
