news 2026/4/18 13:24:19

CST仿真实例: 电-光调制器---PNP半导体负载,调制效率

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
CST仿真实例: 电-光调制器---PNP半导体负载,调制效率

与热光(TO)的温控材料原理不同,光电调制器(EO-modulator)是用电信号控制光信号。本案例基于硅光材料(SiP)、行波式(Traveling Wave)和马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehndermodulator), 所以可以称为SiP TWMZM或Traveling-wave SiP MZM。

完整模型大致如图(俯视图),属于完整MZM的一条调制分支。浅蓝色为两条金属传输线,一条为微波信号线(GHz),另一条为参考地,他们叫行波电极(traveling wave electrodes, TWE),这种共面带线CPS走线常用于光学。光波导信号线(接去光纤,THz)在中心,并未显示,简单来说就是,金属上的微波信号,控制中心处细细的光纤信号,比如都是从左到右。

由于周期性和对称性,建模过程可简化为一个小单元(modulator segment),行波电极中间是常用T型慢波结构,与硅基底直接有一层绝缘体。

1. 无负载仿真:

这种只有电极的单元叫无负载慢波传输线,其S参数可转换成ABCD参数,用于提取更多传输线参数,并与有负载情况的ABCD参数一同用于计算光电调制效率(EO Modulator Efficiency)。

仿真S参数之后,可用后处理提取ABCD,或RLCG等等:

2. 有负载仿真:

有负载的意思是信号线与地线直接用PN结并联,侧图如下:

放大如下:

也就是说,两个电极之间是一些有参杂的半导体P-N-P结构作为负载。这种PN结在集成硅光系统的高速数据传输中是主要方案。

具体分布如图:

其中,++是指高参杂密度(high doping concentration), +是指中等参杂密度(medium doping concentration), 没+是指低参杂密度(low doping concentration)。而灰色地带则是PN结的耗尽层。

那么问题来了,如何定义半导体材料,进行高频仿真呢?这是本案例的重点,用的是传统的Drude材料模型。需要提供等离子频率和碰撞频率两个量。根据帮助文档中的冷等离子体材料,真空中等离子频率和碰撞频率公式已给出:

不过对于半导体,我们需要更完整的公式,等离子频率可依据参杂密度计算:

与碰撞频率公式一样,这些半导体Drude模型参数可在大量关于表面等离子体光子学(plasmonics)文献中获得。所以,我们需要给每部分参杂不同的PNP材料创建一个Drude材料,这样就可以进行高频仿真了。比如:

所以,有负载时,我们也可以拿到一组S参数,ABCD参数,RLCG参数:

3. 参数提取

PNP负载的效果是增加了并联电阻和电容:

这样用有负载时的C减去无负载时的C,就是PNP电容Ca;同理我们也可以推出PNP的电阻Ra。

最后,用后处理得到调制器的效率,比如80个这样的周期结构:

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