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

　　ICCSZ訊  新加坡科技研究局(A*STAR)開展一項研究，將基于電的系統(tǒng)和基于光的系統(tǒng)聯(lián)合仿真，實現(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)的電學相比，光具有特殊優(yōu)勢——能夠遠距離高保真?zhèn)鬏斝畔?，且信息量更大。光纖網絡正是利用這些優(yōu)勢實現(xiàn)更快速、更高效的數(shù)據(jù)通信。然而，每個光纖末端的器件通常都是傳統(tǒng)的電子器件，這種光電信號的接口器件性能限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　當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效應非常復雜，阻礙了這一研究的進展。

　　A*STAR高性能計算研究所的Thor Lim及其同事找到了一種將電子和光學效應結合成一種數(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調制器的性能。

　　研究內容

　　Lim說：“光調制器是通過對光施加電脈沖來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。”

　　硅調制器通常包含移相器，用于通過施加射頻信號改變光波導的折射率。通過經相位調制的光束干涉實現(xiàn)光強度調制。由于該工作原理，硅光調制器的性能主要取決于移相器的性能。當前的硅移相器設計主要利用自由載流子等離子體的散射效應實現(xiàn)相位調制。

　　制造硅調制器有許多參數(shù)，也受到許多制造條件限制，因此需要通過復雜的計算找到最佳的參數(shù)集，包括波導幾何尺寸、載流子摻雜濃度和p-n結位置等。目前硅中自由載流子與復合折射率之間的關系僅靠經驗摸索。

　　Lim解釋說：“對于這類研究工作必須進行電學和光學兩種類型的仿真，采用兩種不同類型的軟件先仿真電學特性再仿真光學特性。這就造成了時間和資源的嚴重浪費。我們研究的代碼能夠在一個平臺上仿真電學和光學性能，且數(shù)據(jù)保真度不會損失。”

圖 該團隊以耗盡型硅調制器為例研究的載流子濃度與光強度相互作用可視化圖

　　Lim表示，通過他們的代碼仿真和優(yōu)化，能夠設計出性能最優(yōu)的硅調制器，這將有助于開發(fā)低損耗、高速的光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

　　參考文獻

　　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