Lumerical CHARGE
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
Lumerical CHARGE的實例教程
其中MOS型結構中加電壓前后載流子濃度變化引起的折射率變化如下公式:
在本文的例子中，我們先通過Lumerical Charge軟件仿真結構的電學特性，外加電壓為正負5V，仿真ITO薄膜的載流子濃度隨外加電壓0V、5V、-5V載流子濃度的變化，由于載流子濃度的變化會導致薄膜等離子頻率的變化，因此會導致光譜的變化，所以把電學數據通過Lumerical FDTD軟件求解器件的光學性質變化，證明電光開關的可行性。
通過在ITO薄膜上加載流子濃度的監視器，可以得到ITO薄膜中的載流子濃度隨偏置電壓的變化，外加-5V電壓時，左側（ITO和TiO2交界處）形成載流子耗盡層，外加5V電壓時，形成載流子累積層。
圖2 ITO薄膜在外加電壓下的載流子濃度分布
對具有不同載流子濃度分布ITO薄膜的器件進行反射率光譜仿真，外加偏振光斜入射，得到如圖3所示的光譜，可以證明MOS結構可以實現電偏置的吸收調諧器。
圖3 MOS結構在外加電壓下的光譜分布
為了更好地理解MOS器件吸收的性質，我們模擬了TiO2和ITO薄膜的電場分布，如圖4所示，電場大部分局域在ITO和TiO2界面并且靠近ITO薄膜，說明ITO薄膜吸收了大部分的光強，導致在2.23um左右出現一個反射谷。
展開 現在，有一種設計CMOS圖像傳感器攝像頭的進階方法——通過Ansys Lumerical與Ansys SPEOS之間的互操作，工程師能夠設計包含宏觀透鏡和微觀傳感器的攝像頭系統，且優化CMOS傳感器的效率。該工作流程能幫助工程師考慮真實照明條件，同時優化CMOS圖像傳感器。
Ansys SPEOS可預測系統的照明和光學性能。SPEOS使工程師能在宏觀尺度上研究光與機械幾何結構的相互作用，節省原型設計的時間與成本。
Ansys Lumerical提供納米光子仿真工具，讓用戶能在波長尺度上對光與幾何結構的相互作用進行建模，包括光學、電子和熱效應。
SPEOS和Lumerical可以共享各種應用的仿真信息，例如平視顯示器（HUD）、具有表面等離子體的系統、衍射光柵、發光結構、表面和體積散射、衍射光學元件等。CMOS傳感器攝像頭的新工作流程是這個不斷增加的應用列表中的新成員，結合SPEOS和Lumerical工具，Ansys為完整的光學系統提供了仿真解決方案。
在Ansys Lumerical FDTD（左）和Lumerical CHARGE（右）中建模的CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器攝像頭：
Ansys Lumerical FDTD可用于為CMOS圖像傳感器等納米光子器件的光學屬性建模。可得到的關鍵屬性包括：吸收光子的光學效率，以及襯底中的電子-空穴對生成速率。與Ansys Lumerical CHARGE耦合后，設計師能夠探索其他導入屬性，例如量子效率和串擾，這兩者都需要仿真電氣行為。Ansys Lumerical的FDTD和CHARGE可用于解決眾多設計難題，例如：背照式傳感器、光學和電子串擾的影響、微透鏡偏移或斜入射角幾何結構的優化，以及將彩色濾光片整合到復雜傳感器幾何結構時的效果。
展開 圖 7 展示了“大”和“小”兩種接觸情況下，Silvaco Victory Process 仿真的幾何形狀，使用上一節中描述的工作流將其導入 Ansys Lumerical CHARGE。
圖 7. 從 Silvaco Victory Process 仿真器導入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結構透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點和 (c) 小電觸點；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導入結構的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點和 (d) 小電觸點。
圖 8 比較了兩種 VPD 布局（“大”和“小”接觸）下仿真的電場強度。在小接觸情況下，入射到鍺上的光被吸收得更多，從而提高了響應度。可以聯系工作人員了解有關仿真方法的更多詳細信息。
圖 8. Ansys Lumerical FDTD 中仿真的具有（a）大電接觸和（b）小電接觸的器件中的 2D 橫向電場分布
表 1 總結了仿真器件的基本性能指標，并比較了大電接觸和小電接觸的影響。總之，使用較小電接觸的仿真器件在保持低暗電流和高帶寬操作的同時，響應度提高了 38.3%。將工藝仿真與光子器件仿真相結合，可以進一步優化 VPD 的材料、結構和摻雜分布，從而在制造器件之前提高響應度，確定有前景的設計，同時最大限度地降低研發成本。
表1.垂直光電探測器的關鍵性能指標比較
馬赫曾德調制器
馬赫-曾德爾調制器 (MZM)是一種在PIC中常用的電光調制器，用于將電信號編碼到光載波上。這些器件采用干涉儀型的結構（平衡或不平衡），并通過在任一臂上引入額外的相移進行建設性或破壞性干涉來控制輸出光信號的幅度。對于我們的器件，選擇耗盡型 MZM，它驅動干涉儀臂（波導）上的 PN 結進入反向偏置，以耗盡其中的自由載流子。
展開 圖 7 展示了“大”和“小”兩種接觸情況下，Silvaco Victory Process 仿真的幾何形狀，使用上一節中描述的工作流將其導入 Ansys Lumerical CHARGE。
圖 7. 從 Silvaco Victory Process 仿真器導入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結構透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點和 (c) 小電觸點；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導入結構的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點和 (d) 小電觸點。
圖 8 比較了兩種 VPD 布局（“大”和“小”接觸）下仿真的電場強度。在小接觸情況下，入射到鍺上的光被吸收得更多，從而提高了響應度。有關仿真方法的更多詳細信息，請參閱參考文獻 6。
圖 8. Ansys Lumerical FDTD 中仿真的具有（a）大電接觸和（b）小電接觸的器件中的 2D 橫向電場分布
表 1 總結了仿真器件的基本性能指標，并比較了大電接觸和小電接觸的影響。總之，使用較小電接觸的仿真器件在保持低暗電流和高帶寬操作的同時，響應度提高了 38.3%。將工藝仿真與光子器件仿真相結合，可以進一步優化 VPD 的材料、結構和摻雜分布，從而在制造器件之前提高響應度，確定有前景的設計，同時最大限度地降低研發成本。
表1.垂直光電探測器的關鍵性能指標比較
表1.垂直光電探測器的關鍵性能指標比較
馬赫曾德調制器
馬赫-曾德爾調制器 (MZM)是一種在PIC中常用的電光調制器，用于將電信號編碼到光載波上。這些器件采用干涉儀型的結構（平衡或不平衡），并通過在任一臂上引入額外的相移進行建設性或破壞性干涉來控制輸出光信號的幅度。
展開 概述
本例中DCR的計算包括兩個主要步驟：使用Ansys Lumerical CHARGE模擬電場和熱生成速率，然后在Ansys Lumerical腳本中計算雪崩觸發概率和暗計數率。如上圖所示。
運行和結果部分中模擬的 2D SPAD 設備表示用于說明模擬工作流的示例設備。要查看針對實際測量設備的基準仿真結果，請轉到附錄。此示例需要版本 2023 R2.1 或更高版本才能運行。
第 1 步：模擬電場和暗發生率
此步驟是使用Ansys Lumerical CHARGE進行的給定了摻雜曲線、材料和幾何形狀的典型半導體器件仿真。該步驟尚不支持 3D模擬，因此仿真以 2D 形式進行，仿真時需要關閉沖擊電離模型，器件偏置掃描至擊穿電壓以上。關閉沖擊電離模型是因為在后續的步驟2中我們會使用雪崩觸發概率 （ATP） 模型，這會使仿真變得簡單直接（沖擊電離模型的典型 CHARGE 方程出現收斂問題的概率非常低）。
第 2 步：計算雪崩觸發概率和暗計數率
雪崩觸發概率 （ATP） 是一個介于 0 和 1 之間的無單位數字，表示在 Si SPAD 內部某個位置產生的單個電子-空穴對將導致自我維持雪崩的概率。可以使用lumerical腳本命令中的atp指令，基于步驟1中Si SPAD的Ansys Lumerical CHARGE仿真得到的輸入電場和溫度，計算出每一條電場場對應的ATP。我們通過在一束場線上運行 atp 命令來獲得 2D ATP。目前，腳本無法以 3D 形式計算 ATP。有關如何計算非硅材料的 ATP 的更多信息，請參閱“進一步應用模型”部分。
暗計數率 （DCR） 是衡量在黑暗條件下每秒觸發 SPAD 事件數的指標（即由于 SPAD 內部的熱過程）。
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接著介紹使用Lumerical MODE，CHARGE 求解器仿真MZM，計算半導體結構的寄生參數串聯HFSS,算出眼圖。以及使用MQW求解,計算EAM調制器不同well的吸收譜，將其n k 帶到FDTD觀察光的傳播與吸收，進一步了解光吸收影響載子濃度的分布。
時間：4月28日 ，10:00-11:00
合作伙伴：上海莎益博
地點：線上
費用：免費
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Ansys Lumerical CHARGE和Ansys Lumerical MQW求解器：對LED的電流-電壓（I-V）曲線、自發發射功率頻譜和內部量子效率進行仿真。
Ansys Lumerical求解器工作流程概覽
Ansys Speos軟件：使用來自Lumerical套件求解器的光譜強度數據執行系統級仿真，并充當虛擬光度實驗室。
圖2：微環調制器結構示意圖
圖3：在Lumerical CHARGE中進行電學仿真
如圖2、3為一個一個基于p-i-n結的硅基微環電光調制器，微環部分由p-i-n脊形波導構成，中間部分由本征硅作為波導，兩邊分別為p型和n型重摻雜區域，通過載流子注入機制實現電壓對載流子濃度的調制。
我們將以Ansys Lumerical上的案例為基礎，從基本的硅光調制器開始，介紹調制器的基本原理、性能指標、常見結構、設計流程、建模仿真等步驟，使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等軟件，最終完成單個光子器件到光子集成電路的仿真設計。接下來讓我們從光學調制的基本概念開始。
什么是光學調制？
從 Silvaco Victory Process 仿真器導入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結構透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點和 (c) 小電觸點；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導入結構的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點和 (d) 小電觸點。
從 Silvaco Victory Process 仿真器導入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結構透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點和 (c) 小電觸點；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導入結構的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點和 (d) 小電觸點。
Ansys光子求解器已通過認證，可與GF FotonixTM平臺結合使用，以助力用戶設計無源和有源光子器件、降低成本并提高光子芯片性能
主要亮點
GlobalFoundries認證了四款Ansys光子求解器，其中包括Ansys Lumerical FDTD?高級3D微納光子學仿真軟件和Ansys Lumerical MODE?光波導設計工具
其他獲得認證的求解器還包括Ansys Lumerical
其中MOS型結構中加電壓前后載流子濃度變化引起的折射率變化如下公式:
在本文的例子中，我們先通過Lumerical Charge軟件仿真結構的電學特性，外加電壓為正負5V，仿真ITO薄膜的載流子濃度隨外加電壓0V、5V、-5V載流子濃度的變化，由于載流子濃度的變化會導致薄膜等離子頻率的變化，因此會導致光譜的變化，所以把電學數據通過
第 1 步：模擬電場和暗發生率
此步驟是使用Ansys Lumerical CHARGE進行的給定了摻雜曲線、材料和幾何形狀的典型半導體器件仿真。該步驟尚不支持 3D模擬，因此仿真以 2D 形式進行，仿真時需要關閉沖擊電離模型，器件偏置掃描至擊穿電壓以上。
第一步：基礎仿真模型搭建與optiSLang workflow 測試
關于Lumerical FDTD, Charge 和 MODE 針對微環調制器的仿真模型搭建和求解，本示例不再贅述，詳細內容可參考官網案例：Ring Modulator
接下來將以 FDTD 為例，演示Lumerical 和 optiSLang 的集成自動化。
