電光調(diào)制的案例
Lumerical系列模塊聯(lián)合仿真中紅外硅基電光調(diào)制器
電光調(diào)制器，一種通過(guò)外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號(hào)與光信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程?，F(xiàn)實(shí)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(zhǔn)，必然是針對(duì)具體問(wèn)題要采用特定的方法和技巧?？紤]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(gè)流程。后面若有機(jī)會(huì)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(lái)，我們使用Charge模塊分析電壓驅(qū)動(dòng)下硅材料的復(fù)數(shù)折射率的變化。
展開(kāi) 【Lumerical系列】硅基電光調(diào)制器（3.1）——常用的光學(xué)結(jié)構(gòu)
滿足諧振條件的光留在環(huán)形波導(dǎo)中，而不滿足的光會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)就會(huì)發(fā)生偏移，實(shí)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(jìn)行電學(xué)仿真
如圖2、3為一個(gè)一個(gè)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?fù)诫s區(qū)域，通過(guò)載流子注入機(jī)制實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)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(shí)，某一固定波長(zhǎng)處的透射率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
3)優(yōu)缺點(diǎn)：
微環(huán)結(jié)構(gòu)的引入給硅基電光調(diào)制器的性能帶來(lái)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(duì)較小，對(duì)波長(zhǎng)漂移非常敏感，不適用于寬帶應(yīng)用。②微環(huán)調(diào)制器對(duì)溫度變化非常敏感，溫度的波動(dòng)可能導(dǎo)致共振波長(zhǎng)的漂移，從而影響調(diào)制性能。需要額外設(shè)計(jì)補(bǔ)償機(jī)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(wèn)題。需要新型光學(xué)結(jié)構(gòu)（如多環(huán)級(jí)聯(lián)）與新的調(diào)制機(jī)制的來(lái)為微環(huán)調(diào)制器的發(fā)展注入新的血液。
展開(kāi) Lumerical案例 | 一種超高效率集成等離子體鈮酸鋰電光馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器
摘要
具有高調(diào)制效率和寬帶寬的電光（EO）馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器（MZM）對(duì)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(chǎng)與光場(chǎng)的限制效率不足而導(dǎo)致的低調(diào)制效率，集成TFLN MZM的長(zhǎng)度仍然長(zhǎng)達(dá)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)且高效地集成。
本研究通過(guò)將亞波長(zhǎng)等離子體槽波導(dǎo)與TFLN平臺(tái)融合，突破光學(xué)衍射極限形成強(qiáng)場(chǎng)限制，從而增強(qiáng)電光重疊和光—物質(zhì)相互作用，成功攻克了該難題。在僅15微米的超短長(zhǎng)度下，實(shí)現(xiàn)了0.070 V cm的創(chuàng)紀(jì)錄調(diào)制效率。該等離子體TFLN MZM展現(xiàn)出超過(guò)110 GHz的3dB電光帶寬，可傳輸110 Gbaud二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)，其比特誤碼率低至2.5×10??。本文展示的等離子體TFLN MZM提供了一種極具前景的解決方案，可應(yīng)用于未來(lái)光互連、光計(jì)算及光傳感功能所需的超高速、大規(guī)模光子集成系統(tǒng)。
1.引言
電光調(diào)制器是光電信息系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，用于將電信號(hào)編碼到光載波上。在眾多結(jié)構(gòu)中，馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器（MZM）憑借其在推挽結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)線性振幅調(diào)制與無(wú)頻移數(shù)據(jù)編碼的卓越能力，已成為光通信、模擬光子學(xué)及光子計(jì)算領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的核心器件。
過(guò)去數(shù)十年間，隨著制造技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景的快速發(fā)展，MZM已在多種材料平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。體鈮酸鋰（LN）MZM作為商用長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中電光調(diào)制器的主流選擇，其優(yōu)勢(shì)源于Pockels效應(yīng)賦予的固有線性電光特性、高光學(xué)透過(guò)率及長(zhǎng)期可靠性。然而體材料的固有特性限制了器件尺寸微型化，進(jìn)而阻礙電光帶寬提升。
展開(kāi) Ansys Lumerical | 薄膜鈮酸鋰電光相位調(diào)制器
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在這個(gè)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(guò)利用引入的各向異性介電常數(shù)特性，我們?cè)贑HARGE中計(jì)算了由射頻引發(fā)的電容電場(chǎng)（E場(chǎng)）。然后，這些電場(chǎng)用于通過(guò)Pockels效應(yīng)在電信波長(zhǎng)下計(jì)算鈮酸鋰中的電光折射率擾動(dòng)。接著，我們?cè)贔EEM中計(jì)算了擾動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。所有的計(jì)算都始于電子領(lǐng)域，然后通過(guò)將信號(hào)從電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，我們可以提升更多的通道，擁有更大的帶寬，這可以在長(zhǎng)距離傳輸中顯著減小信號(hào)衰減。這些器件在互聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)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(zhǎng)。我們可以將光收發(fā)器及光電探測(cè)器視作連接到互聯(lián)網(wǎng)超級(jí)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(gè)傳輸通道，并在輸出處重新耦合。通過(guò)施加有數(shù)據(jù)信息的電信號(hào)來(lái)改變兩個(gè)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(tái)和物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。在這個(gè)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(jī)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(huì)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(shí)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(wú)法制備高折射率差的光波導(dǎo)。
展開(kāi) 
【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器（1）——基本原理
光學(xué)調(diào)制的原理與分類
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，集成光調(diào)制器按照調(diào)制方式的不同可分為，直接（內(nèi)部）調(diào)制器件和外部調(diào)制器件。
直接調(diào)制器件是將射頻信號(hào)（或稱調(diào)制信號(hào)）與驅(qū)動(dòng)電流耦合，直接驅(qū)動(dòng)光源進(jìn)行電光調(diào)制（示意圖如下），典型的例子為具有泵浦電流調(diào)制功能的常用半導(dǎo)體激光二極管，可以在高達(dá)30 GHz以及更高的頻率下工作。優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，技術(shù)較為成熟，缺點(diǎn)為調(diào)制頻率易受到限制，且輸出光信號(hào)的頻率也會(huì)隨注入電流變化出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象，因此不適用于高速率以及長(zhǎng)距離的通信場(chǎng)景。
圖1：直接調(diào)制器件原理圖
外部調(diào)制器件也稱為間接調(diào)制一方面可以通過(guò)改變材料對(duì)光的吸收，改變光信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)制光信號(hào)的目的，另一方面可以利用外加各種形式的能量使材料折射率發(fā)生變化，引起光信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化。因此外部調(diào)制器件也可分為電吸收型和折射率改變型，根據(jù)能量形式的不同，折射率改變型又可分為：電光調(diào)制、熱光調(diào)制、聲光調(diào)制以及磁光調(diào)制。
圖2：外部調(diào)制器件原理圖
電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)
(一)泡克耳斯效應(yīng)：折射率實(shí)部變化引起相位調(diào)制
1.泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）是電光效應(yīng)的一種，由于其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度， 因此又稱作線性電光效應(yīng)。此外，還有二階非線性電光效應(yīng)—克爾效應(yīng)，其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方。
展開(kāi) 【Lumerical系列】硅基光電調(diào)制器（2）——常見(jiàn)的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)
上一期我們介紹了光學(xué)調(diào)制的基本概念并總結(jié)了電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)，對(duì)于硅材料而言，主要的電光效應(yīng)包括克爾效應(yīng)、弗朗茲-－凱爾迪什（F-K）效應(yīng)、量子限制斯塔克（QCSE）效應(yīng)和等離子體色散（PD）效應(yīng)等，但體硅材料中克爾效應(yīng)和F-K效應(yīng)都非常微弱，因此硅基高速電光調(diào)制一般都利用硅材料的等離子體色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。
硅光子平臺(tái)需要利用載流子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)等離子體色散效應(yīng)，通過(guò)在波導(dǎo)上外加偏置電壓使自由載流子濃度發(fā)生變化，進(jìn)而使輸出光波的幅值和相位發(fā)生改變，最終實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，但受到載流子本身的復(fù)合壽命的限制，器件的開(kāi)關(guān)速度只能達(dá)到MHz量級(jí)，接下來(lái)我們簡(jiǎn)單介紹下等離子體色散效應(yīng)中的幾種常見(jiàn)調(diào)制機(jī)制。
等離子體色散效應(yīng)中常見(jiàn)的三種調(diào)制結(jié)構(gòu)（調(diào)制機(jī)制）
1. 載流子注入型：
圖1（a）載流子注入型結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來(lái)自文獻(xiàn)1，2）
圖1（b）載流子注入型原理示意圖（圖片來(lái)自文獻(xiàn)1，2）
1) 結(jié)構(gòu)描述：
早期的高速調(diào)制器的工作原理多為載流子注入型，采用橫向PIN結(jié)構(gòu)（也有垂直PIN結(jié)構(gòu)），在波導(dǎo)兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行高濃度摻雜，而波導(dǎo)中摻雜濃度較低，通過(guò)正向偏置PIN結(jié)注入少數(shù)載流子。當(dāng)波導(dǎo)橫截面較小的上，基于載流子注入的調(diào)制器可獲得較大的擴(kuò)散電容（通常約為10 pF），因此可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的調(diào)制效率。
2) 調(diào)制過(guò)程：
施加正向偏置電壓→波導(dǎo)中載流子濃度升高→波導(dǎo)折射率和吸收系數(shù)改變→實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。
3) 電極結(jié)構(gòu)：
載流子注入型的結(jié)構(gòu)約為幾百微米，通常使用集總電極來(lái)驅(qū)動(dòng)。
4) 限制因素：
a) 注入的電子-空穴對(duì)的復(fù)合時(shí)間。
b) 驅(qū)動(dòng)電極的輸出電阻與P區(qū)（N區(qū)）摻雜區(qū)域的體電阻總和。
展開(kāi) Lumerical案例 | 內(nèi)置直流偏置電極的薄膜鈮酸鋰行波調(diào)制器
摘要
基于薄膜鈮酸鋰的高性能電光調(diào)制器近期受到廣泛研究。由于馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器結(jié)構(gòu)的特性，通常需要特定的直流（DC）偏置以確保調(diào)制達(dá)到最佳工作狀態(tài)?，F(xiàn)有的偏置控制方案普遍存在缺陷，如需額外相移器、功耗高、調(diào)諧速度慢等問(wèn)題。本研究提出并驗(yàn)證了一種高效電極結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近零功耗的電光DC偏置調(diào)諧。該結(jié)構(gòu)采用分層行波電極設(shè)計(jì)，無(wú)需額外光學(xué)元件且不影響調(diào)制性能。制備的器件展現(xiàn)出2.3Vcm的半波電壓長(zhǎng)度積，帶寬遠(yuǎn)超67GHz。通過(guò)分別和同時(shí)驅(qū)動(dòng)微波調(diào)制和DC偏置電極，在低至高頻范圍內(nèi)測(cè)量光傳輸特性，驗(yàn)證了DC偏置調(diào)諧能力。在不同波長(zhǎng)和偏置電壓下，該器件實(shí)現(xiàn)了高達(dá)224Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。所驗(yàn)證的嵌入式電極結(jié)構(gòu)為薄膜鈮酸鋰馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器提供了突破性解決方案，可在緊湊尺寸、低功耗和快調(diào)諧速度下實(shí)現(xiàn)直流偏置控制。
1.引言
隨著全球信息傳輸需求的持續(xù)增長(zhǎng)，高性能光通信系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。傳輸質(zhì)量與信息吞吐量本質(zhì)上與電光（EO）轉(zhuǎn)換過(guò)程密切相關(guān)。光調(diào)制器，負(fù)責(zé)電域到光域的高速、高保真信號(hào)轉(zhuǎn)換，是此類光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。因此，調(diào)制器性能向更緊湊結(jié)構(gòu)、更高速度及更優(yōu)能耗方向的發(fā)展，成為推動(dòng)光子技術(shù)進(jìn)步的重要驅(qū)動(dòng)力。過(guò)去十年間，薄膜鈮酸鋰（TFLN）憑借其強(qiáng)烈的線性電光效應(yīng)、寬透明窗口以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，已成為高性能電光調(diào)制器的理想材料平臺(tái)?；赥FLN的馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器（MZM）已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，其最佳性能：電光帶寬>100GHz且驅(qū)動(dòng)電壓<1V。
除了性能優(yōu)化外，對(duì)工作點(diǎn)，即直流（DC）偏置點(diǎn)的主動(dòng)控制對(duì)于MZM設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這要求干涉儀兩臂之間存在理想的初始相位差。例如，對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制器，DC偏置點(diǎn)通?？刂圃谡翼憫?yīng)的正交點(diǎn)；而對(duì)于相干調(diào)制器，則?？刂圃诹阃干潼c(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這種低速相位控制，通常在硅調(diào)制器上使用熱光（TO）效應(yīng)。
展開(kāi) Lumerical 案例| 高效慢光馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器實(shí)現(xiàn)0.21V·cm效率且?guī)挸^(guò)110GHz
摘要
高速電光調(diào)制器是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)及各類應(yīng)用的關(guān)鍵組件，這些應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)調(diào)制，具備寬帶寬、高調(diào)制效率和緊湊尺寸等特性。然而，同時(shí)滿足這些指標(biāo)具有挑戰(zhàn)性，因此必須探索新的方法。為此，本文在絕緣體上氮化硅加載鈮酸鋰平臺(tái)上提出了一種基于慢光波導(dǎo)和容性負(fù)載慢波電極的馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器。群折射率的增大和微波損耗的降低顯著提升了調(diào)制效率。在1mm長(zhǎng)的調(diào)制區(qū)域下，獲得了0.21Vcm的低半波電壓長(zhǎng)度積 ，這比傳統(tǒng)的薄膜鈮酸鋰Mach–Zehnder調(diào)制器小一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)110GHz的調(diào)制帶寬。該調(diào)制器無(wú)需數(shù)字信號(hào)處理器即可分別生成高達(dá)180和300Gbps的非歸零信號(hào)和八電平脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，為下一代電光系統(tǒng)提供了超大帶寬、超高效率和緊湊的解決方案。
1.引言
隨著近幾十年來(lái)數(shù)據(jù)流量的激增，高速且節(jié)能的未來(lái)光子系統(tǒng)已引起廣泛的研究關(guān)注。為實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)，研究人員開(kāi)發(fā)了采用CMOS兼容工藝的光子集成電路（PIC），以實(shí)現(xiàn)低成本和大規(guī)模集成。芯片級(jí)電光（EO）調(diào)制器將信號(hào)從電域轉(zhuǎn)換至光域，是現(xiàn)代PIC的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。迄今已提出多種集成平臺(tái)與解決方案以實(shí)現(xiàn)高性能芯片級(jí)電光調(diào)制器，涵蓋硅基、聚合物、磷化銦、等離子體及其他EO材料（氮化鋁、鈦酸鋇、碳化硅、鋯鈦酸鉛）。其中，薄膜鈮酸鋰（TFLN）因其卓越特性——包括強(qiáng)Pockels效應(yīng)（γ33≈30pmV ）、寬透明窗口（0.35–5.20μm）及低光損耗而成為極具前景的電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。
基于TFLN腔體的調(diào)制器可支持大帶寬和高調(diào)制效率。然而其諧振特性對(duì)制造工藝和溫度變化均敏感。馬赫-曾德?tīng)柛缮娼Y(jié)構(gòu)可解決諧振傳輸導(dǎo)致的光學(xué)工作帶寬受限于<1nm的問(wèn)題?；赥FLN平臺(tái)的Traveling-wave Mach–Zehnder調(diào)制器（MZM）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)制效率 達(dá)2.2Vcm，3dB調(diào)制帶寬達(dá)100GHz。
展開(kāi) Ansys Lumerical | 光子集成電路光電元件設(shè)計(jì)
本文以兩種結(jié)構(gòu)類型為例，分別為集成鍺光電探測(cè)器的硅光波導(dǎo)[3]和使用二極管和集成傳輸線的相移光強(qiáng)度調(diào)制器，以提供可變電場(chǎng)作為器件電輸入[4]。
研究了兩種結(jié)構(gòu)變化。對(duì)于集成鍺探測(cè)器的硅波導(dǎo)，比較使用大接觸面積頂部接觸和在結(jié)構(gòu)邊緣使用通孔進(jìn)行頂部接觸，研究頂部接觸設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)性能的影響。圖 2顯示了一種變體的示例。在這種情況下，使用了基于水平集的工藝仿真器。
圖 2. 在 SOI 襯底上制造的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和集成鍺光電探測(cè)器，以絕對(duì)凈摻雜為顏色輪廓顯示了一般結(jié)構(gòu)。
對(duì)于光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，使用兩種不同的 n 型和 p 型注入劑量研究了摻雜濃度對(duì)形成調(diào)制二極管結(jié)構(gòu)的影響。一種結(jié)構(gòu)對(duì)有源區(qū)磷和硼注入分別使用 1.5e13/cm2 和 1e13/cm3 的注入劑量，而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)使用 3.2e12/cm2 和 2e12/cm2 的注入劑量進(jìn)行相同的注入。圖 3 顯示了光波導(dǎo)/二極管區(qū)域內(nèi)摻雜分布的影響，其中彩色輪廓顯示了兩種不同注入劑量情況下的絕對(duì)凈摻雜濃度。
圖 3. 兩種不同注入劑量的凈摻雜濃度，用于研究摻雜濃度對(duì)光調(diào)制器性能的影響。
第二個(gè)示例具有非常大的特征（例如傳輸線）以及集成電場(chǎng)中非常小的特征——光相位調(diào)制波導(dǎo)，使用基于網(wǎng)格的工藝仿真器來(lái)減少仿真所需的計(jì)算資源。圖 4 和圖 5 顯示了正確仿真結(jié)構(gòu)所需的巨大特征尺寸范圍。圖 4 顯示了完整的結(jié)構(gòu)，主要由兩個(gè)金屬化傳輸線構(gòu)成。在傳輸線之間（圖 4 中可見(jiàn)）是集成波導(dǎo)和集成二極管結(jié)構(gòu)，必須正確解析才能進(jìn)行光學(xué)和電氣特性分析。圖 5 顯示了此有源二極管調(diào)制器的放大圖，以及用于減少傳輸線損耗的條紋二極管摻雜特征。
圖 4. 基于傳輸線的光相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)，使用集成光波導(dǎo)和二極管結(jié)構(gòu)提供電場(chǎng)作為相位調(diào)制機(jī)制。
圖 5.
展開(kāi) Lumerical光子集成電路光電元件設(shè)計(jì)
從 Silvaco Victory Process 仿真器導(dǎo)入 Ansys Lumerical CHARGE 求解器的 3D 結(jié)構(gòu)透視圖，分別帶有 (a) 大電觸點(diǎn)和 (c) 小電觸點(diǎn)；(b) Ansys Lumerical CHARGE 求解器中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)的 2D 橫截面視圖，分別帶有 (b) 大電觸點(diǎn)和 (d) 小電觸點(diǎn)。
圖 8 比較了兩種 VPD 布局（“大”和“小”接觸）下仿真的電場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)度。有關(guān)仿真方法的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) 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(chǎng)分布
表 1 總結(jié)了仿真器件的基本性能指標(biāo)，并比較了大電接觸和小電接觸的影響?？傊?，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(shí)，響應(yīng)度提高了 38.3%。將工藝仿真與光子器件仿真相結(jié)合，可以進(jìn)一步優(yōu)化 VPD 的材料、結(jié)構(gòu)和摻雜分布，從而在制造器件之前提高響應(yīng)度，確定有前景的設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度地降低研發(fā)成本。
表1.垂直光電探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)比較
表1.垂直光電探測(cè)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)比較
馬赫曾德調(diào)制器
馬赫-曾德?tīng)?em>調(diào)制器 (MZM)是一種在PIC中常用的電光調(diào)制器，用于將電信號(hào)編碼到光載波上。這些器件采用干涉儀型的結(jié)構(gòu)（平衡或不平衡），并通過(guò)在任一臂上引入額外的相移進(jìn)行建設(shè)性或破壞性干涉來(lái)控制輸出光信號(hào)的幅度。對(duì)于我們的器件，選擇耗盡型 MZM，它驅(qū)動(dòng)干涉儀臂（波導(dǎo)）上的 PN 結(jié)進(jìn)入反向偏置，以耗盡其中的自由載流子。自由載流子密度的變化通過(guò)等離子體色散效應(yīng)改變了波導(dǎo)的有效折射率[2]。
展開(kāi) Ansys Lumerical | GPU，超透鏡，鈮酸鋰調(diào)制器等重磅來(lái)襲！
主要集中在光子學(xué)多物理場(chǎng)求解器增強(qiáng)，F(xiàn)DTD GPU 加速支持，超透鏡流程優(yōu)化，鈮酸鋰調(diào)制器支持，光子集成電路仿真能力增強(qiáng)， GUI增強(qiáng)和云計(jì)算支持等。
光子學(xué)核心技術(shù)
1、RCWA 功能增強(qiáng)
?新增 RCWA求解器下的電磁場(chǎng)監(jiān)視器，用于更多類似超透鏡的仿真驗(yàn)證需求。
?支持非正交結(jié)構(gòu)單元的仿真求解，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)的快速仿真。
?支持仿真結(jié)果一鍵導(dǎo)出成 *.json 文件用于LSWM模型的幾何光學(xué)耦合仿真。
2、超透鏡工作流優(yōu)化
?更快的 RCWA 模擬：支持分布式掃描計(jì)算。
?支持處理直徑高達(dá) 25 毫米的超透鏡，性能提高 10-100 倍。
?支持導(dǎo)出更輕的 GDS 文件用于生產(chǎn)制造。
?RCWA 中改進(jìn)場(chǎng)拼接方法工作流，使得可以處理具有緩慢變化的大直徑超透鏡，速度更快且精度更高。
3、Charge 中各向異性介電材料的支持
?新支持半導(dǎo)體、合金和絕緣體等材料的各向異性相對(duì)介電常數(shù)定義。
?材料庫(kù)中新增不同晶體切割的鈮酸鋰材料屬性。
?關(guān)鍵應(yīng)用：薄膜鈮酸鋰 (TFLN) 電光調(diào)制器，官網(wǎng)案例即將發(fā)布！
光子學(xué)生態(tài)
1、新的 CML Compiler 用戶界面
?狀態(tài)窗口顯示每個(gè)器件的編譯/QA 狀態(tài)。
?只需單擊按鈕即可輕松部署新模型、重命名和刪除現(xiàn)有器件。
?GUI 界面直接顯示模型編譯狀態(tài)的 log 信息。
2、Layer Builder 的布爾運(yùn)算
?支持多個(gè)掩模層之間任意組合的布爾運(yùn)算。
展開(kāi) 
【虹科案例】固態(tài)量子發(fā)射器——虹科數(shù)字化儀用于控制鉆石色心中的脈沖序列
AWG-5000 允許生成具有高振幅 (>1.5V) 的窄電方波脈沖，控制電光振幅調(diào)制器以生成短激光脈沖。
虹科AWG-5000
使用這種機(jī)制，可以生成具有接近高斯形狀的光脈沖，顯示出 280ps 的半峰全寬。
此外，AWG-5064 已用于驅(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器，以生成高達(dá)約 2GHz 的頻率邊帶，從而能夠驅(qū)動(dòng)具有相位穩(wěn)定激光場(chǎng)的兩個(gè)光學(xué)躍遷。
高斯光脈沖
AWG-5000 的數(shù)字輸出通道允許控制聲光振幅調(diào)制器，或者將它們用于生成觸發(fā)脈沖以對(duì)實(shí)驗(yàn)序列進(jìn)行定時(shí)。
在未來(lái)，根據(jù)序列中某個(gè)讀數(shù)的結(jié)果對(duì)測(cè)量協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)控制將是必要的。
虹科測(cè)試測(cè)量
虹科是在各細(xì)分專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的資源整合及技術(shù)服務(wù)落地供應(yīng)商。在測(cè)試測(cè)量行業(yè)經(jīng)驗(yàn)超過(guò)17年的高科技公司，虹科與世界知名的測(cè)量行業(yè)巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum等公司合作多年，提供領(lǐng)域內(nèi)頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺(tái)的多種功能模塊，以及自動(dòng)化測(cè)試軟件平臺(tái)和測(cè)試系統(tǒng)，通用臺(tái)式信號(hào)源設(shè)備，高速數(shù)字化儀測(cè)試方案等。事業(yè)部目前已經(jīng)提供覆蓋半導(dǎo)體、3C、汽車行業(yè)的超過(guò)25個(gè)大型和超大型自研系統(tǒng)項(xiàng)目。
展開(kāi) RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 主動(dòng)鎖模
本文專門討論主動(dòng)鎖模，這涉及諧振腔損耗或往返相位變化的周期性調(diào)制。例如，可以通過(guò)聲光或者電光調(diào)制器、馬赫-澤恩德集成光調(diào)制器或半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果調(diào)制與諧振腔的往返同步，就能產(chǎn)生超短脈沖: 每當(dāng)循環(huán)脈沖擊中輸出耦合器時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖。
圖1：主動(dòng)鎖模激光器的示意圖
通過(guò)調(diào)制諧振器損耗實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模（調(diào)幅鎖模）的原理很容易理解。調(diào)制器的作用有兩種不同的重要影響：
具有“正確”時(shí)序的脈沖可以在損耗最小的時(shí)候通過(guò)調(diào)制器(見(jiàn)圖2)。因此，與諧振腔中循環(huán)的任何其他輻射相比，它都是有利的。由于脈沖在穩(wěn)定狀態(tài)下會(huì)使激光增益達(dá)到飽和，從而使其往返增益為零，因此其他循環(huán)輻射將無(wú)法通過(guò)調(diào)制器，其他循環(huán)輻射的往返增益為負(fù)值，遲早會(huì)消失。
盡管如此，脈沖的兩翼還是會(huì)有一點(diǎn)衰減，實(shí)際上這導(dǎo)致每次往返的脈沖（輕微）縮短，兩翼的往返增益為負(fù)值，而脈沖中心的往返增益為正值。因此，脈沖會(huì)越來(lái)越短直到脈沖縮短被其他效應(yīng)（如增益收窄或色度色散）抵消，從而使脈沖變寬。
圖2：光功率的時(shí)間演變和主動(dòng)鎖模激光器中的損耗
調(diào)制器會(huì)增加脈沖翼的損耗，從而有效縮短脈沖。由于脈沖持續(xù)時(shí)間相對(duì)于脈沖周期通常比顯示的要小得多，因此調(diào)制器的脈沖縮短效應(yīng)通常非常微弱。
在簡(jiǎn)單的情況下，可以用 庫(kù)曾加-西格曼理論公式 計(jì)算出穩(wěn)定狀態(tài)下的脈沖持續(xù)時(shí)間。它是由調(diào)制器中的脈沖縮短與增益縮小帶來(lái)的脈沖展寬之間的平衡。脈沖持續(xù)時(shí)間通常在 皮秒范圍內(nèi) 并且與調(diào)制器信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)有微弱的關(guān)系，這種微弱的依賴性源于：調(diào)制器的脈沖縮短效應(yīng)在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速減弱，而其他延長(zhǎng)脈沖的效應(yīng)（如調(diào)制器信號(hào)強(qiáng)度）則會(huì)在較短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)迅速減弱，而延長(zhǎng)脈沖的其他效應(yīng)（如增益收窄和色度色散）則變得更加有效。
展開(kāi) RP 系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 無(wú)源光纖（ 第九部分）
例如，通常不能使用電光調(diào)制器，并且需要仔細(xì)設(shè)計(jì)任何具有低偏振依賴性的半導(dǎo)體器件。一些偏振效應(yīng)仍然存在，這可能會(huì)限制極快光纖鏈路的性能。特別是存在偏振模色散 (PMD) 現(xiàn)象，可以量化為差分群延遲 (DGD)：具有不同偏振的信號(hào)分量通過(guò)光纜所需的時(shí)間可能略有不同，這可能會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量。然而，對(duì)于較短的傳輸距離和/或中等比特率，PMD 并不是一個(gè)大問(wèn)題。
下一期將介紹第十部分：光纖的色散
敬請(qǐng)關(guān)注！
RP系列 激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光纖放大器設(shè)計(jì)第十部分
? 對(duì)于脈沖操作，也可以使用具有級(jí)之間的光開(kāi)關(guān)的時(shí)間選通，該光開(kāi)關(guān)僅在要放大的每個(gè)脈沖周圍的短時(shí)間間隔內(nèi)打開(kāi)。（例如，可以使用聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器。）該方法不能避免 ASE 直接在脈沖周圍可能出現(xiàn)的問(wèn)題，這可能會(huì)干擾某些應(yīng)用，但它會(huì)降低系統(tǒng)中的 ASE 功率損耗.
? 如果信號(hào)在整個(gè)器件中極化良好，也可以在級(jí)之間使用偏振器來(lái)抑制未使用的極化方向上的 ASE。然而，這種措施不太常見(jiàn)，因?yàn)樗绕渌胧?shí)現(xiàn)的少，而且信號(hào)通常是非極化的。
在某些情況下，必須將這些選項(xiàng)中的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)足夠的 ASE 抑制。
最小化放大器噪聲
使用大功率雙包層光纖放大器可能難以實(shí)現(xiàn)放大器的低噪聲系數(shù)（參見(jiàn)第 9 部分）。這是因?yàn)榇祟愒O(shè)備通常在輸入端以相當(dāng)?shù)偷募ぐl(fā)密度運(yùn)行，特別是在反向泵浦時(shí)。但是，如果將這樣的功率放大器與核心泵浦前置放大器相結(jié)合，則整個(gè)設(shè)備可以具有非常好的噪聲系數(shù)。
保護(hù)和監(jiān)控
法拉第環(huán)行器（即具有附加輸出端口的法拉第隔離器）允許提取從功率放大器返回的任何信號(hào)光，例如來(lái)自應(yīng)用的背反射結(jié)果。這樣，可以避免損壞前置放大器或種子源。請(qǐng)注意，背向反射的光會(huì)在那里被進(jìn)一步放大。輸出端的法拉第隔離器可能無(wú)法工作，因?yàn)樗仨毘惺芨吖夤β?。（?dāng)然，它的反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，它也可能會(huì)殺死階段之間的循環(huán)器。）
此外，可以監(jiān)控放大器級(jí)之間的功率電平，例如，以便在檢測(cè)到不良操作條件（例如太強(qiáng)的光反饋）時(shí)關(guān)閉設(shè)備。
增益扁平化
對(duì)于某些應(yīng)用，例如具有波分復(fù)用的光纖通信，需要具有“平坦”增益的放大器，即在某些光譜窗口內(nèi)具有低增益變化。這通常是通過(guò)插入一些增益平坦濾波器來(lái)完成的，這會(huì)在增益過(guò)高的波長(zhǎng)區(qū)域提供更高的光損耗。
但是在哪里放置這樣的過(guò)濾器？如果我們把它放在放大器前面，它會(huì)破壞噪聲系數(shù)（見(jiàn)第 9 部分）。
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