晶圆级慢光硅调制器的多物理场协同设计在500μm调制臂长度下实现94.7GHz的电光带宽中位数与400Gbps级PAM-8实验展示。这一研究体现了光学结构、电学参数与制造工艺协同优化的工程价值。面向AI集群与数据中心的高密度光互连硅光调制器需要在有限芯片面积内兼顾调制效率与高速响应。硅基马赫–曾德尔调制器MZM通过电控相移实现光强调制其设计受到器件长度、驱动电压、光学损耗与电光带宽之间的多重约束。2026年7月一知名实验室等团队在Optica发表研究在300mm硅光平台上实现O波段慢光MZM。研究采用TCAD–Lumerical联合仿真并结合Ansys HFSS分析射频电极特性。该案例展示了Ansys Lumerical在光电协同设计中的作用关联光场分布、载流子响应与器件性能为结构选型和参数优化提供定量依据。图1 300mm SOI晶圆与慢光调制器利用慢光效应提升紧凑器件的调制效率慢光效应通过降低光的群速度增强光与有源区的相互作用。研究在硅层厚度为220nm的绝缘体上硅SOI平台上构建鱼骨状一维光子晶体波导以245nm的结构周期将慢光工作区配置于O波段并选择约8的群折射率兼顾调制效率与传播损耗。图2 光子晶体结构、色散、模式场与透射响应。以模式场与光谱分析指导结构优化论文采用时域有限差分FDTD方法计算模式强度分布分析光场与载流子耗尽区的空间重叠。在慢光段两端20周期的绝热渐变结构改善了输入波导与光子晶体波导的模式匹配。结构优化需综合考察群折射率、透射响应与耦合损耗据此确定可用工作波段。Ansys Lumerical可通过场分布、模态与光谱分析将几何参数与光学性能建立联系为慢光结构的设计和优化提供物理依据。Lumerical FDTD支持纳米光子结构的电磁分析MODE提供波导模态与传播分析能力可用于相关波导及耦合结构设计。对周期慢光结构应根据分析目标选用能够描述周期边界、模态及色散特征的模型。摩尔芯创MoorEDAANSYS 中国授权代理商代理 Ansys Lumerical、Zemax、Speos、HFSS、Maxwell、Icepak、Mechanical、Fluent、CFX 等仿真软件提供仿真工程技术服务。通过联合仿真优化结参数与射频电极高速调制性能同时取决于光学相移效率与电学频率响应。在该器件的设计空间内增大结电容可提升调制效率同时也会增加微波损耗并限制带宽。研究通过扫描相移段长度与结电容选定500μm调制长度并采用三级梯度掺杂实现目标电学参数。图3 带宽与半波电压设计空间、掺杂分布及加载电极特性。基于工艺参数建立光电联合模型研究以代工工艺参数为基础采用TCAD–Lumerical联合仿真分析掺杂分布、偏置电压与结电容及结电阻的关系。在−3V偏置、100GHz小信号频率下单位长度结电容约为2.3pF/cm。两臂p–n结采用串联推挽配置降低等效结电容有利于提升电光带宽。通过HFSS提取电极的高频特性研究使用Ansys HFSS提取地–信号–信号–地GSSG电极的S参数并建立包含p–n结负载的分布参数模型。在−3V偏置下加载电极的特征阻抗约为72Ω终端电阻设计为65Ω。结合光学与电学模型可进一步评估阻抗匹配、微波损耗及电光频率响应。通过晶圆测试与高速传输验证器件性能晶圆多位置测试为设计方法提供了实验依据。论文报告的3dB电光带宽中位数为94.7GHz标准差为2.9GHz测得范围为89.8–100.1GHz。实测电光响应与TCAD–Lumerical联合仿真较好吻合支持了结参数与电极协同设计方法的有效性。图4 NRZ、PAM-4与PAM-8实测眼图构建从器件建模到链路验证的仿真流程面向光子集成电路设计器件级分析需要进一步衔接系统级仿真。Ansys官方MZM示例展示了CHARGE、MODE与INTERCONNECT的多物理场建模流程相关联合优化示例进一步引入HFSS实现电极参数与光电性能的协同评估。图5 Ansys Lumerical光子器件多物理场仿真工具链结合链路条件评估器件性能电学仿真提取载流子分布与结参数光学分析计算相移及损耗射频分析表征电极响应。在此基础上可通过INTERCONNECT集成器件模型及驱动与接收参数评估光学传输和眼图特性。[4,5]该流程有助于识别器件、驱动或接收环节对链路性能的限制。将制造容差与热漂移纳入设计评估补充材料表明几何扰动会引起光子晶体通带偏移温度由293K升至323K时仿真带边红移约2.4nm。[2]慢光器件设计因此需要综合分析工作波长、几何偏差和温度变化并通过实测数据校准模型评估不同条件下的性能范围。面向高速硅光互连Ansys Lumerical可作为光电协同设计的重要工具支持从光学结构分析到器件模型及链路验证的连续评估为调制效率、带宽与集成密度的综合优化提供依据。引用[1] Wafer-scale miniaturized slow-light silicon modulators for 400 Gbps interconnects. Optica 13(7), 1340–1347 (2026).[2] Ansys Optics. Lumerical Help.[3] Ansys Optics. Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator.[4] Ansys Optics. Optimizing Traveling Wave MZM – optiSLang Interoperability. 
长河君 · 2026/10/27 18:52:17 · 阅读 1.2k Lumerical案例 | Ansys Lumerical助力400 Gbps级硅光互连设计
晶圆级慢光硅调制器的多物理场协同设计在500μm调制臂长度下实现94.7GHz的电光带宽中位数与400Gbps级PAM-8实验展示。这一研究体现了光学结构、电学参数与制造工艺协同优化的工程价值。面向AI集群与数据中心的高密度光互连硅光调制器需要在有限芯片面积内兼顾调制效率与高速响应。硅基马赫–曾德尔调制器MZM通过电控相移实现光强调制其设计受到器件长度、驱动电压、光学损耗与电光带宽之间的多重约束。2026年7月一知名实验室等团队在Optica发表研究在300mm硅光平台上实现O波段慢光MZM。研究采用TCAD–Lumerical联合仿真并结合Ansys HFSS分析射频电极特性。该案例展示了Ansys Lumerical在光电协同设计中的作用关联光场分布、载流子响应与器件性能为结构选型和参数优化提供定量依据。图1 300mm SOI晶圆与慢光调制器利用慢光效应提升紧凑器件的调制效率慢光效应通过降低光的群速度增强光与有源区的相互作用。研究在硅层厚度为220nm的绝缘体上硅SOI平台上构建鱼骨状一维光子晶体波导以245nm的结构周期将慢光工作区配置于O波段并选择约8的群折射率兼顾调制效率与传播损耗。图2 光子晶体结构、色散、模式场与透射响应。以模式场与光谱分析指导结构优化论文采用时域有限差分FDTD方法计算模式强度分布分析光场与载流子耗尽区的空间重叠。在慢光段两端20周期的绝热渐变结构改善了输入波导与光子晶体波导的模式匹配。结构优化需综合考察群折射率、透射响应与耦合损耗据此确定可用工作波段。Ansys Lumerical可通过场分布、模态与光谱分析将几何参数与光学性能建立联系为慢光结构的设计和优化提供物理依据。Lumerical FDTD支持纳米光子结构的电磁分析MODE提供波导模态与传播分析能力可用于相关波导及耦合结构设计。对周期慢光结构应根据分析目标选用能够描述周期边界、模态及色散特征的模型。摩尔芯创MoorEDAANSYS 中国授权代理商代理 Ansys Lumerical、Zemax、Speos、HFSS、Maxwell、Icepak、Mechanical、Fluent、CFX 等仿真软件提供仿真工程技术服务。通过联合仿真优化结参数与射频电极高速调制性能同时取决于光学相移效率与电学频率响应。在该器件的设计空间内增大结电容可提升调制效率同时也会增加微波损耗并限制带宽。研究通过扫描相移段长度与结电容选定500μm调制长度并采用三级梯度掺杂实现目标电学参数。图3 带宽与半波电压设计空间、掺杂分布及加载电极特性。基于工艺参数建立光电联合模型研究以代工工艺参数为基础采用TCAD–Lumerical联合仿真分析掺杂分布、偏置电压与结电容及结电阻的关系。在−3V偏置、100GHz小信号频率下单位长度结电容约为2.3pF/cm。两臂p–n结采用串联推挽配置降低等效结电容有利于提升电光带宽。通过HFSS提取电极的高频特性研究使用Ansys HFSS提取地–信号–信号–地GSSG电极的S参数并建立包含p–n结负载的分布参数模型。在−3V偏置下加载电极的特征阻抗约为72Ω终端电阻设计为65Ω。结合光学与电学模型可进一步评估阻抗匹配、微波损耗及电光频率响应。通过晶圆测试与高速传输验证器件性能晶圆多位置测试为设计方法提供了实验依据。论文报告的3dB电光带宽中位数为94.7GHz标准差为2.9GHz测得范围为89.8–100.1GHz。实测电光响应与TCAD–Lumerical联合仿真较好吻合支持了结参数与电极协同设计方法的有效性。图4 NRZ、PAM-4与PAM-8实测眼图构建从器件建模到链路验证的仿真流程面向光子集成电路设计器件级分析需要进一步衔接系统级仿真。Ansys官方MZM示例展示了CHARGE、MODE与INTERCONNECT的多物理场建模流程相关联合优化示例进一步引入HFSS实现电极参数与光电性能的协同评估。图5 Ansys Lumerical光子器件多物理场仿真工具链结合链路条件评估器件性能电学仿真提取载流子分布与结参数光学分析计算相移及损耗射频分析表征电极响应。在此基础上可通过INTERCONNECT集成器件模型及驱动与接收参数评估光学传输和眼图特性。[4,5]该流程有助于识别器件、驱动或接收环节对链路性能的限制。将制造容差与热漂移纳入设计评估补充材料表明几何扰动会引起光子晶体通带偏移温度由293K升至323K时仿真带边红移约2.4nm。[2]慢光器件设计因此需要综合分析工作波长、几何偏差和温度变化并通过实测数据校准模型评估不同条件下的性能范围。面向高速硅光互连Ansys Lumerical可作为光电协同设计的重要工具支持从光学结构分析到器件模型及链路验证的连续评估为调制效率、带宽与集成密度的综合优化提供依据。引用[1] Wafer-scale miniaturized slow-light silicon modulators for 400 Gbps interconnects. Optica 13(7), 1340–1347 (2026).[2] Ansys Optics. Lumerical Help.[3] Ansys Optics. Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator.[4] Ansys Optics. Optimizing Traveling Wave MZM – optiSLang Interoperability.