【Lumerical系列】硅基光电调制器（1）——基本原理
本期我们将开始一个新的系列专题——有源光子器件的设计与仿真，涉及到调制器、探测器、激光器在内的众多有源器件。我们将以Ansys Lumerical上的案例为基础，从基本的硅光调制器开始，介绍调制器的基本原理、性能指标、常见结构、设计流程、建模仿真等步骤，使用Ansys Lumerical CHARG、HEAT以及INTERCONNECT等软件，最终完成单个光子器件到光子集成电路的仿真设计。接下来让我们从光学调制的基本概念开始。
什么是光学调制？
光学调制的作用是什么？
光学调制的原理与分类
从技术实现的角度来看，集成光调制器按照调制方式的不同可分为，直接（内部）调制器件和外部调制器件。
电光调制中常用的物理效应
(一)泡克耳斯效应：折射率实部变化引起相位调制
泡克耳斯效应（Pockels effect）是电光效应的一种，由于其外加电场引起的晶体折射率变化正比于电场强度， 因此又称作线性电光效应。此外，还有二阶非线性电光效应—克尔效应，其外加电场引起的晶体折射率变化正比于电场强度的平方。两种效应的折射率对外加电场的依赖关系如下： 
应用范围：InP、铌酸锂、有机电光材料等，Ansys Lumerical中的案例为Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator：
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/19435937674387-Thin-Film-Lithium-Niobate-Electro-Optic-Phase-Modulator）
弗朗兹－凯尔迪什效应(Franz-Keidysh, F-K）是电吸收效应的一种，指的是在外加电场作用下某些半导体的能带发生弯曲，使得导带和价带间的带隙发生变化，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效能隙减小，使得吸收边发生红移。原理图如下： 
图4：弗朗兹－凯尔迪什效应 （https://www.leitenstorfer.uni-konstanz.de/en/research/multi-terahertz-physics-and-technology/）
应用范围：Ge、GeSe等材料，Ansys Lumerical中的相关案例为：T Electro-absorption modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042456054-Electro-absorption-modulator）
图6：量子限制斯塔克效应效应
应用范围：InP、GaAs-AlGaAs等材料，Ansys Lumerical中的相关案例为：GaAs-AlGaAs Electro Absorption Modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/1500003780782-GaAs-AlGaAs-Electro-Absorption-Modulator）
(四)等离子体色散效应
等离子体色散效应（plasma dispersion, PD）指的是材料中自由载流子的浓度对材料折射率的实部和虚部都会产生影响，其中对材料折射率虚部（吸收）的影响要远大于实部。
如果利用硅材料对通信波段的光波进行调制，有如下经验公式：
注：
：材料的折射率变化量，
：材料的光吸收系数变化量，
：电子和空穴在单位体积（cm-3）的浓度变化量。在1550 nm和1300 nm下，空穴的吸收系数变化更小，折射率系数变化更大。应用范围：常用材料为Si， Ansys Lumerical中的相关案例为：Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator
（相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042328774-Traveling-Wave-Mach-Zehnder-Modulator）
①由于硅晶格的中心反演对称性，泡克耳斯效应是零。
②在1.31~1.55 um的通信波长范围内，硅中的F-K 效应几乎为零。
③硅中的克尔效应是10-4数量级小于等离子体色散效应的10-3数量级。
参考文献：
周治平.硅基光电子学[M].科学出版社,2021.
Broadband optical modulators: science, technology, and applications[J]. 2011.
