新加坡研究出同時(shí)仿真電和光特性的方法，助力實(shí)現(xiàn)光電器件前所未有的性能

　　ICCSZ訊  新加坡科技研究局(A*STAR)開(kāi)展一項(xiàng)研究，將基于電的系統(tǒng)和基于光的系統(tǒng)聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)性能上前所未有的突破。該研究成果將非常有助于提升現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的光電電路性能。

　　研究背景

　　與傳統(tǒng)的電學(xué)相比，光具有特殊優(yōu)勢(shì)——能夠遠(yuǎn)距離高保真?zhèn)鬏斝畔?，且信息量更大。光纖網(wǎng)絡(luò)正是利用這些優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)更快速、更高效的數(shù)據(jù)通信。然而，每個(gè)光纖末端的器件通常都是傳統(tǒng)的電子器件，這種光電信號(hào)的接口器件性能限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　當(dāng)前已有很多工作在研究如何基于傳統(tǒng)硅基電路和芯片開(kāi)發(fā)出更快、更小的光電器件。但在同一器件中模擬電子和光學(xué)效應(yīng)非常復(fù)雜，阻礙了這一研究的進(jìn)展。

　　A*STAR高性能計(jì)算研究所的Thor Lim及其同事找到了一種將電子和光學(xué)效應(yīng)結(jié)合成一種數(shù)值仿真模型的方法。已證明這一研究成果能夠顯著提升硅光學(xué)調(diào)制器的性能。

　　研究?jī)?nèi)容

　　Lim說(shuō)：“光調(diào)制器是通過(guò)對(duì)光施加電脈沖來(lái)改變光傳播的光電器件。在光通信系統(tǒng)中，用于將電子信息編碼到激光束中。”

　　硅調(diào)制器通常包含移相器，用于通過(guò)施加射頻信號(hào)改變光波導(dǎo)的折射率。通過(guò)經(jīng)相位調(diào)制的光束干涉實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。由于該工作原理，硅光調(diào)制器的性能主要取決于移相器的性能。當(dāng)前的硅移相器設(shè)計(jì)主要利用自由載流子等離子體的散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。

　　制造硅調(diào)制器有許多參數(shù)，也受到許多制造條件限制，因此需要通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算找到最佳的參數(shù)集，包括波導(dǎo)幾何尺寸、載流子摻雜濃度和p-n結(jié)位置等。目前硅中自由載流子與復(fù)合折射率之間的關(guān)系僅靠經(jīng)驗(yàn)摸索。

　　Lim解釋說(shuō)：“對(duì)于這類研究工作必須進(jìn)行電學(xué)和光學(xué)兩種類型的仿真，采用兩種不同類型的軟件先仿真電學(xué)特性再仿真光學(xué)特性。這就造成了時(shí)間和資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。我們研究的代碼能夠在一個(gè)平臺(tái)上仿真電學(xué)和光學(xué)性能，且數(shù)據(jù)保真度不會(huì)損失。”

圖 該團(tuán)隊(duì)以耗盡型硅調(diào)制器為例研究的載流子濃度與光強(qiáng)度相互作用可視化圖

　　Lim表示，通過(guò)他們的代碼仿真和優(yōu)化，能夠設(shè)計(jì)出性能最優(yōu)的硅調(diào)制器，這將有助于開(kāi)發(fā)低損耗、高速的光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)

　　Ching Eng Png, Min Jie Sun, Soon Thor Lim, Thomas Y. L. Ang, Kensuke Ogawa. Numerical Modeling and Analysis for High-Efficiency Carrier-Depletion Silicon Rib-Waveguide Phase Shifters. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2016; 22 (6): 99 DOI:10.1109/JSTQE.2016.2564648