随着人工智能应用对算力要求的急剧提升，数据中心内部迫切需要高传输带宽、高互连密度及低能耗的解决方案。硅基微环调制器（MRM）的小尺寸、低功耗及波分特性是最佳选择之一。2025年3月，英伟达在GTC大会上公布了基于硅光子平台微环调制器的115.2T CPO交换机，引起了业界的广泛关注。
本文利用曼光公司旗下Max-Optics Studio软件的FDTD、FDE、DDM及Circuit四个仿真模块，对微环调制器的电光特性进行了全流程建模设计及光电性能仿真。基于Max-Optics Studio软件强大的数值计算及协同仿真能力，完成了MRM核心器件参数的仿真与提取，并最终实现-3dB电光调制带宽70GHz的硅光微环调制器件。
Part 1：仿真流程
Part 2：仿真步骤
Step 1：利用FDTD模块仿真微环谐振器功率耦合系数
功率耦合系数是微环调制器关键性能参数之一，表示直波导与微环谐振腔之间耦合能力的强弱，其值的大小会影响谐振腔品质因子、消光比、调制带宽等特性。因此，耦合系数的选择需要平衡器件各个性能参数之间的关系，根据器件应用需求和目标，确定合适的功率耦合系数值。本案例面向CPO、OIO等高速应用场景，追求高速率运行的MRM，因此采用较高的功率耦合系数（~14%），以获得高的器件工作带宽。利用Max-Optics Studio软件的3D FDTD模块构建如图2所示的弯曲波导（Half Ring）结构仿真模型，来获得微环谐振器直波导与微环波导之间的耦合系数。
仿真波长设置为1270nm—1290nm范围，并在直波导、弯曲波导的两端设置了四个端口，该结构可有效忽略背向反射和反向耦合对仿真带来的影响。图3为耦合系数仿真结果，该仿真结果可直接导入到Step 5 Circuit模块DC紧凑模型中进行微环谐振效应的仿真。
Step 2：利用FDE模块对光学波导进行模式特性仿真
波导模式特性是器件基本参数，包括模式等效折射率、群折射率、模式损耗等，可直接影响MRM的自由频谱范围、谐振波长、品质因子（Q-factor）等器件特性。由于MRM需要加热器（Heater）来进行波长调节，离子注入掺杂区域往往不会布满整个微环谐振腔，因此首先需要对微环谐振腔内无掺杂部分的波导进行模式特性仿真。
利用Max-Optics Studio软件的FDE模块对环形波导的截面进行模式计算（Calculate Mode），并进行频率扫描，获得波导在工作波长附近的有效折射率（
）、群折射率（
）分布。在对环形波导仿真时需选择Bend Waveguide选项，设置弯曲半径。图4表示了TE0模式分布及其相关模式特性，该仿真结果可直接导入到Step 5 Circuit模块波导紧凑模型中进行微环谐振效应的仿真。
Step 3：利用DDM模块仿真不同偏压下掺杂波导特性
MRM是基于硅PN结的等离子体色散效应实现电光调制。波导PN结特性是硅光微环调制器电光响应的物理基础，其决定了器件电阻、电容及波导掺杂损耗等性能，尤其需要对不同反向偏置电压下的PN结特性进行仿真及参数提取。
利用Max-Optics Studio软件的DDM模块先对环形波导进行掺杂，波导截面的掺杂分布如图5所示。本案例采用P++ / P / N / N++ 四个掺杂区域。其中，P++和N++采用
掺杂浓度，用于金属接触；P和N区域采用L型的均匀掺杂浓度分布（也可根据实际需求设置高斯分布及支持导入外部掺杂分布文件）。为了实现高调制效率，本案例中P和N区域采用了高浓度掺杂分布（
）。掺杂完成后可利用掺杂监视器进行掺杂预览（Doping preview），如图5所示，从而快速校验掺杂设置。
▪️稳态仿真：在DDM模块中选择求解器模式为Steady State，来仿真不同电压下的载流子浓度分布。利用软件的Data Space功能将数据存储，以便在Step 4 FDE波导模式特性仿真中使用。
▪️交流小信号仿真：在DDM模块中选择求解器模式为SSAC，来仿真不同反向偏置电压下的器件电容和电阻值。仿真得到在 -1V 偏压下，器件PN结的电阻为28.8 ohm，电容为26.1 fF。
Step 4：利用FDE模块仿真掺杂波导模式特性
波导掺杂损耗是微环谐振腔内损耗的主要来源。为了计算器件内损耗导致的品质因子、器件调制效率和电光响应带宽，需要对掺杂波导的吸收损耗、模式特性进行仿真。
针对Step3中有源仿真结果，将不同偏压下的载流子分布导入到Max-Optics Studio软件的FDE模块中，对掺杂波导的模式特性进行仿真，并进行频率扫描，获得波导在工作波长附近的有效折射率（
）实部和虚部、群折射率（
）分布和波导吸收损耗。将Step 3中掺杂引起的网格变化加载到FDE模块中，需要对掺杂后的波导进行两次仿真。
▪️第一次仿真：将偏置电压设置为0，获得不同工作波长下的有效折射率和群折射率。
▪️第二次仿真：执行参数扫描计算有效折射率、损耗随不同偏置电压的变化，如图7为参数扫描的相关设置及等效折射率随电压变化（0V—-5V）的实部和虚部值。该仿真结果可直接导入到Step 5 Circuit模块相移器紧凑模型中进行微环谐振效应的仿真。
Step 5：利用CIRCUIT模块对整个微环调制器进行链路仿真
不同偏置电压下的微环调制器的传输响应是器件基本性能之一。从响应曲线我们可以获取器件的FSR、谐振波长、品质因子、消光比、插入损耗和调制效率等基本性能参数。
利用Max-Optics Studio软件的CIRCUIT模块建立微环调制器的仿真链路模型。如图8所示，采用波导、DC、相移器、DC电压源等紧凑模型实现器件链路搭建，并将Step1---Step4的仿真结果导入到CIRCUIT模块对应的紧凑模型中，进行光学传输特性的仿真。通过改变直流偏置电压和使用光网络分析仪来获得微环调制器的频域响应。
图9（a）表示了微环调制器在 -1V偏压下的传输响应曲线，可以获得该器件的FSR为6.6nm。图 9（b）表示了微环调制器的谐振波长随偏置电压的变化图，可以看出器件工作在临界耦合状态附近，随着偏置电压的增大，谐振波长往长波方向移动，并且受到不同电压下等离子体色散效应的影响，其移动速度越来越慢。基于图9（b）的响应曲线，我们可以获得器件的总品质因子约3800，-2V偏置电压下，谐振波长为1284nm。图9（c）表示了在-2V偏置电压、2Vpp信号下，仿真计算的微环调制器插入损耗和消光比随波长的变化关系。可以得出，在工作波长为1283.82nm时，微环调制器的插入损耗为2.8dB，消光比为1.5dB。通过读取图9（b）中不同偏置电压下的谐振波长值及不同偏置电压下的有效折射率的变化，我们可以仿真计算得出不同偏置电压下微环调制器的调制效率，如图9（d）所示。在-2V偏置电压下，器件的调制效率为0.5V·cm。
Step 6：Data Post-Process 获得MRM电光响应带宽
根据Step 3中交流小信号仿真得到的器件电容和电阻值，可以得到器件RC时间常数限制带宽为77.4GHz。基于Step 5中得到的器件品质因子，可以得到器件光子寿命限制带宽为48GHz。我们定义Δλ为器件谐振波长与工作波长的插值。基于Step 4仿真的neff随偏置电压的变化及Step 5仿真的品质因子随偏置电压的变化，图10给出了微环调制器电光响应带宽仿真曲线。在Δλ1=0.1nm时，器件的-3dB带宽为41GHz。在Δλ2=0.18nm时，器件的-3dB带宽为70GHz。在Δλ3=0.26nm时，器件的-3dB带宽为98GHz。
Part 3：仿真总结及展望
本文利用曼光公司旗下Max-Optics Studio软件的FDTD、FDE、DDM及Circuit四个仿真模块，对微环调制器的电光特性进行了全流程建模设计及光电性能仿真。实现了-3dB电光调制带宽70GHz的硅光微环调制器件，可以用于CPO、OIO等高带宽、低功耗需求场景中。本案例只对简单掺杂条件下的微环调制器进行了仿真流程的说明讲解，后续工作可通过Max-Optics Studio软件的参数扫描功能，对掺杂波导结构、分布等特性进行参数扫描优化，从而进一步提升微环调制器的消光比和电光调制带宽。
上海曼光信息科技有限公司是一家光电集成芯片全流程仿真设计工具和芯片测试方案提供商，主要业务涵盖仿真设计软件和芯片测试系统两大板块。专注于光电集成芯片、PLC集成芯片、半导体激光器、LED与显示面板、超材料、光学传感等领域仿真设计工具与解决方案的研发与服务。公司提供CPU/GPU混合硬件加速、全云架构仿真平台等高性能计算解决方案，助力客户产品的研发。
