ICCSZ訊 新加坡科技研究局(A*STAR)開展一項(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ⅲ倚畔⒘扛?。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:“光調(diào)制器是通過對(duì)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(diào)制器通常包含移相器,用于通過施加射頻信號(hào)改變光波導(dǎo)的折射率。通過經(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:“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