【Lumerical系列】硅基光电调制器（2）——常见的三种调制结构_Optical_半导体_光学_电力_电子_通信_UM_Lumerical_材料

【Lumerical系列】硅基光电调制器（2）——常见的三种调制结构

上一期我们介绍了光学调制的基本概念并总结了电光调制中常用的物理效应，对于硅材料而言，主要的电光效应包括克尔效应、弗朗兹-－凯尔迪什（F-K）效应、量子限制斯塔克（QCSE）效应和等离子体色散（PD）效应等，但体硅材料中克尔效应和F-K效应都非常微弱，因此硅基高速电光调制一般都利用硅材料的等离子体色散效应来实现调制。

硅光子平台需要利用载流子注入来实现等离子体色散效应，通过在波导上外加偏置电压使自由载流子浓度发生变化，进而使输出光波的幅值和相位发生改变，最终实现电光调制，但受到载流子本身的复合寿命的限制，器件的开关速度只能达到MHz量级，接下来我们简单介绍下等离子体色散效应中的几种常见调制机制。

等离子体色散效应中常见的

三种调制结构（调制机制）

1. 载流子注入型：

图1（a）载流子注入型结构示意图

（图片来自文献1，2）

图1（b）载流子注入型原理示意图

（图片来自文献1，2）

1) 结构描述：早期的高速调制器的工作原理多为载流子注入型，采用横向PIN结构（也有垂直PIN结构），在波导两侧区域进行高浓度掺杂，而波导中掺杂浓度较低，通过正向偏置PIN结注入少数载流子。当波导横截面较小的上，基于载流子注入的调制器可获得较大的扩散电容（通常约为10 pF），因此可以实现相对较高的调制效率。

2) 调制过程：施加正向偏置电压→波导中载流子浓度升高→波导折射率和吸收系数改变→实现电光调制。

3) 电极结构：载流子注入型的结构约为几百微米，通常使用集总电极来驱动。

4) 限制因素：

a) 注入的电子-空穴对的复合时间。

b) 驱动电极的输出电阻与P区（N区）掺杂区域的体电阻总和。

5) 结构优缺点：载流子注入型调制器工艺简单、对制备工艺要求低、器件插入损耗小，但相对而言，其电学响应速度较低，通常小于1 GHz。

6) 应用范围：适用于对调制速度要求不高的片上传感等领域，具有较好的应用潜力。Ansys Lumerical中的案例为PIN Mach-Zehnder modulator

图2：PIN Mach-Zehnder modulator

2. 载流子耗尽型：

图3（a）载流子耗尽型结构示意图

（图片来自文献1，2）

图3（b）载流子耗尽型原理示意图

（图片来自文献1，2）

1) 结构描述：通过施加反向偏置电压来耗尽电子和空穴的载流子耗尽型结构是采用最广泛的方法结构，基于该结构的全硅调制器第一个达到40（50）Gb/s的调制速度。载流子耗尽型多由半导体-绝缘体-半导体 (SIS) 和PN结组成。与PIN结构组成的载流子注入型结构相比，基于多数载流子的载流子耗尽型结构更加适合高速调制。

2) 调制过程：施加反向偏置电压→PN结空间电荷区变宽→耗尽区内载流子浓度减小→波导折射率和吸收系数改变→实现电光调制。

3) 电极结构：为获得足够的调制深度，采用载流子耗尽型的调制器长度较长，通常为几个毫米，因此需要采用行波电极来驱动。

4) 限制因素：采用耗尽型的调制器电容相对有限，因此调制效率受限，解决办法通常为缩小模式尺寸或减小耗尽区的宽度（更高的过渡电容）来增加电容，但前者由波导的几何形状决定，后者需要更高的掺杂浓度，但自由载流子的吸收损耗更大。可采用不同设计的PN结来解决上述问题并优化调制器调制速度、效率和损耗

5) 结构优缺点：载流子耗尽型调制器是目前光通信中的主流器件，调制速度快，多采用马赫-曾德尔型结构，但器件尺寸相对较大，且由于对波导进行了掺杂带来了额外的光吸收损耗。与载流子注入型的调制器相比，其调制效率较低，器件消光比也较低。

6) 应用范围：多应用于对调制速度有要求的硅基高速调制器。Ansys Lumerical中的案例为Interleaved junction microring modulator

图4：Interleaved junction microring modulator

3. 载流子积累型：

图5（a）载流子积累型结构示意图

（图片来自文献1，2）

图5（b）载流子积累型原理示意图

（图片来自文献1，2）

1) 结构描述：载流子积累型调制器的电学结构为一个电容，一般由多晶硅-二氧化硅-硅的结构构成电容，所以积累型调制器也称为SISCAP型调制器（Silicon-Insulator-Silicon Capicator）。积累型调制器的调制效率较高，调制带宽在载流子注入型调制器和载流子耗尽型调制器之间。

2) 调制过程：当施加电压时，电容的上下表面分别积累正负电荷，载流子浓度的变化引起波导模式的有效折射率变化，从而实现电光调制。

3) 电极结构：由于尺寸多为几百微米量级，因此可采用集总电极（长度小于0.5 mm）作为驱动。

4) 限制因素：由于载流子的变化主要集中在电容的上下表面，因此积累型调制器的调制效率比注入型略低，但是比耗尽型高。为了提高调制效率，需要增大电容，主要有以下三种方式。

a) 减小电容上下表面的距离，如：将二氧化硅的厚度降低。

b) 增大上下表面的面积，适当增加波导的宽度。

c) 采用高介电常数的材料来替代二氧化硅。

但随着电容的增大，RC回路的3 dB带宽也将减小，因此设计者需要在调制效率于调制速度间权衡。

5) 结构优缺点：与PIN结组成的载流子注入型调制器相比，载流子积累型基于多数载流子，更适合高速调制，但相比载流子耗尽型，载流子积累型需要氧化物来充当电容，增加了工艺难度，制造更为复杂。

6) 应用范围：Ansys Lumerical中的案例为Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator

图6：Semiconductor-insulator-semiconductor capacitor (SISCAP) Mach-Zehnder modulator

4. 三种不同结构的比较

图2：外部调制器件原理图

总结

以上是对基于等离子体色散效应的三种常见调制结构简单介绍与总结，并列出了Ansys lumerical 中的相关案例，感兴趣的读者可以点击链接，观看案例介绍并下载案例进行学习和研究。

文中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。后面我们将继续介绍硅基光电调制器的性能指标，常用结构等内容，欢迎大家持续关注公众号的更新。

参考文献：

[1] Rahim A, Hermans A, Wohlfeil B, et al. Taking silicon photonics modulators to a higher performance level: state-of-the-art and a review of new technologies[J]. Advanced Photonics, 2021, 3(2): 024003-024003.

[2] Kim Y, Han J H, Ahn D, et al. Heterogeneously-integrated optical phase shifters for next-generation modulators and switches on a silicon photonics platform: A review[J]. Micromachines, 2021, 12(6): 625.

[3] 周治平.硅基光电子学[M].科学出版社,2021.

[4] 牛超群, 庞雅青, 刘智, 等. 中红外硅基调制器研究进展 (特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.

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来源：摩尔芯创

【Lumerical案例实操】使用MODE模块中的FDE和varFDTD进行微环的设计和初步仿真

工作原理传统的上下载型微环谐振器（MRR）的基本结构如图1（a）所示，它由两个直波导和一个环形谐振腔构成。当光从输入端耦合进MRR后，会被限制在环形谐振腔内循环传输，对于一些特定波长的光，其在MRR中传输一周之后的相位变化量是2π的整数倍，使得该光会与输入光发生相长干涉，当光不断输入MRR后，光能在MRR中稳定分布，传输和贮存，这就是MRR的谐振态。而其他波长的光无法与输入光发生相长干涉，使其无法在MRR中稳定传输，这就是非谐振态。由相长干涉的条件可知，对于谐振态的光，其会满足公式下式：式中neff表示波导中光的有效折射率，L为环形谐振腔的长度，m为整数。在耦合区域1中，假设直波导在耦合前后的电场强度的分别为A1和A2，而环形波导中的电场分别为B1和B2。在耦合区域2中，直波导两侧的电场强度分别为A4和A3，对应的环形波导中的电场分别为B4和B3。定义其耦合系数为k，透过系数为t，环形波导内的损耗系数为a，而光在环形波导中传输一周所积累的相位为φ=2πLneff/λ，通过计算可得直通端和下载端的传输响应：由上式可得其传输谱如图1(b)所示。由图可知，MRR的下载端能分离出处于谐振态的波长，因此该结构具有波长选择性，多用于设计波分复用器件。图1 （a）MRR结构示意图；（b）传输谱图MRR设计仿真实操本次案例我们将展示如何使用MODE进行MRR的设计。本次案例仿真主要分为如下步骤：建立一个MRR模型。添加FDE求解器，求解波导的群折射率以及耦合长度等参数。添加并设置varFDTD求解器。加入光源以及其他监视器（包括频域监视器，时间监视器等）。运行仿真与结果分析。案例实操：第一步：在进行模型建立时我们可以通过Lumerical软件自带的物件库添加MRR结构，当然也可以通过脚本编写结构与材料模型，这样更有利于结构参数的优化扫描，本次仿真实操选择直接从物件库进行添加。首先是加入SIO2衬底层，其具体参数如图2所示。SI芯层是MRR结构，我们选择直接在物件库中添加，具体参数如图3所示。图2 SIO2衬底层参数图3 MRR具体参数第二步：在进行参数确定时，某些参数我们可以通过计算提前得出。比如MRR的自由光谱范围（FSR）可表示为下式：其中λ表示波长，ng表示群折射率，因此，要想设计特定FSR的MRR，除了需要特定的环形谐振腔长度L，还需要知道波导的群折射率。因此，我们将FDE求解器添加到输入波导附近，如图4（a）所示，通过计算可得波导的群折射率如图4（b）所示，结果显示在1550nm处波导的群折射率约为4.63。FDE求解器的具体参数设置如图5所示。本次案例所设计FSR在1550nm处为25.6nm，通过计算可得所需的环形谐振腔长度L约为20.2μm 。图4 （a）结构示意图；（b）群折射率图5 FDE求解器参数设置除此之外，我们还知道MRR的耦合长度可以由对称和反对称耦合模式的有效折射率之差确定，可由下式表示：因此，我们将FDE求解器放置在耦合区域处，如图6（a）所示。通过计算可得对称和反对称耦合模式的光场图如图6（b）和图6（c）所示，当波导间隙为100nm时，波长在1550nm处的有效折射率差为0.109，于是计算可得耦合长度应该为1427nm。但是实际耦合过程中，弯曲波导部分也会发生部分耦合，因此，耦合长度设置为0就能满足耦合需求了，结合耦合长度就能计算出MRR的半径约为3.1μm。图6 （a）结构示意图；（b）对称模光场图；（c）非对称模光场图第三步：确定好相关参数后，就可以加入varFDTD求解器，其具体参数如图7所示。图7 varFDTD参数设置光源、频域监视器和时间监视器的具体参数如图8（a-c）所示。图8 （a）光源参数；（b）频域监视器参数；（c）时间监视器参数最终设置完成的示意图如图9所示。图9 仿真示意图MRR是一种高Q值结构，它可以在环形谐振腔中捕获多次往返的光。与非谐振器件相比，高Q值结构需要更长的仿真时间，因此我们将默认的仿真时间（1000fs）增加到5000fs，因为如果仿真时间设置得不够长，会导致仿真结束时并未达到收敛值，使得场衰减，频域监测结果等不准确。此外，光源的波长范围为1.5-1.6μm，过大的光源范围会使得仿真发散，因此修改光源范围为1.53-1.57μm。运行仿真后，可得其传输谱如图10（a）所示，将监视器的波长设置为该MRR的谐振波长，可以得到其在器件中的电场强度如图10（b）所示。图10 （a）传输谱图；（b）电场图注意：MRR的耦合间隙往往会非常小，为了计算结果更精确，应在相应的耦合区域加入mesh，单独设置该区域的网格精度。在使用varFDTD进行仿真时，光源的波长范围不应过大。原因在于模式求解器是计算光源范围的中心频率处的模式分布，所选模式分布将注入到光源的整个频率范围内，这可能导致注入和反向散射误差。简单来说就是光源中模式求解器是使用频域技术来进行模式的计算，本质上是单频的，默认设置是通过光源的中心频率进行计算。如果频率范围很大，其模场在不同频率范围内会发生变化，这会导致在光源注入的平面范围内发生反射和散射，可以理解为在该频率下实际存在的模场与正在注入的中心频率的模场不匹配。为了避免varFDTD中的这些错误，需要使用较小波长范围的光源。如果需要收集宽带数据，就需运行多次仿真。更多Lumerical产品资讯，欢迎关注摩尔芯创！- END - 近期热门活动推荐 ↓↓ 培训报名|Lumerical光子器件培训班报名进行中！为支持高等院校、科研院所及事业单位在光学仿真方面的实际应用和开发研究，推动光学设计领域的进步与发展；培养掌握Lumerical软件的光学设计人才，为学员提供优质的学习平台，拓展职业发展路径，摩尔芯创将开展Lumerical光子器件培训班。培训班分为：Lumerical光子器件设计初阶班Lumerical光子器件设计中级班✦关注更多产品资讯关注摩尔芯创摩尔芯创专注于为硅基光电子、电力电子、高科技半导体等行业提供先进的电子设计自动化（EDA）和计算机辅助工程（CAE）协同解决方案；提供从光学、光电子学、电磁场、结构、流体、多物理场耦合等全面的工业软件应用解决方案和咨询服务。来源：摩尔芯创