CST 熱-光調(diào)制器仿真實(shí)例（3）- PNP半導(dǎo)體負(fù)載，調(diào)制效率
與熱光（TO）的溫控材料原理不同，光電調(diào)制器（EO-modulator）是用電信號(hào)控制光信號(hào)。本案例基于硅光材料（SiP）、行波式（Traveling Wave）和馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（Mach-Zehndermodulator）, 所以可以稱(chēng)為SiP TWMZM或Traveling-wave SiP MZM。
完整模型大致如圖（俯視圖），屬于完整MZM的一條調(diào)制分支。淺藍(lán)色為兩條金屬傳輸線(xiàn)，一條為微波信號(hào)線(xiàn)（GHz），另一條為參考地，他們叫行波電極（traveling wave electrodes， TWE），這種共面帶線(xiàn)CPS走線(xiàn)常用于光學(xué)。光波導(dǎo)信號(hào)線(xiàn)（接去光纖，THz）在中心，并未顯示，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，金屬上的微波信號(hào)，控制中心處細(xì)細(xì)的光纖信號(hào)，比如都是從左到右。
由于周期性和對(duì)稱(chēng)性，建模過(guò)程可簡(jiǎn)化為一個(gè)小單元(modulator segment)，行波電極中間是常用T型慢波結(jié)構(gòu)，與硅基底直接有一層絕緣體。
1. 無(wú)負(fù)載仿真：
這種只有電極的單元叫無(wú)負(fù)載慢波傳輸線(xiàn)，其S參數(shù)可轉(zhuǎn)換成ABCD參數(shù)，用于提取更多傳輸線(xiàn)參數(shù)，并與有負(fù)載情況的ABCD參數(shù)一同用于計(jì)算光電調(diào)制效率（EO Modulator Efficiency）。仿真S參數(shù)之后，可用后處理提取ABCD，或RLCG等等：
2. 有負(fù)載仿真：
有負(fù)載的意思是信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)直接用PN結(jié)并聯(lián)，側(cè)圖如下：
放大如下：
也就是說(shuō)，兩個(gè)電極之間是一些有參雜的半導(dǎo)體P-N-P結(jié)構(gòu)作為負(fù)載。這種PN結(jié)在集成硅光系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸中是主要方案。
具體分布如圖：
其中，++是指高參雜密度（high doping concentration）, +是指中等參雜密度（medium doping concentration）, 沒(méi)+是指低參雜密度(low doping concentration)。而灰色地帶則是PN結(jié)的耗盡層。
那么問(wèn)題來(lái)了，如何定義半導(dǎo)體材料，進(jìn)行高頻仿真呢？這是本案例的重點(diǎn)，用的是傳統(tǒng)的Drude材料模型。需要提供等離子頻率和碰撞頻率兩個(gè)量。根據(jù)幫助文檔中的冷等離子體材料，真空中等離子頻率和碰撞頻率公式已給出：
不過(guò)對(duì)于半導(dǎo)體，我們需要更完整的公式，等離子頻率可依據(jù)參雜密度計(jì)算：
與碰撞頻率公式一樣，這些半導(dǎo)體Drude模型參數(shù)可在大量關(guān)于表面等離子體光子學(xué)（plasmonics）文獻(xiàn)中獲得。所以，我們需要給每部分參雜不同的PNP材料創(chuàng)建一個(gè)Drude材料，這樣就可以進(jìn)行高頻仿真了。比如：
所以，有負(fù)載時(shí)，我們也可以拿到一組S參數(shù)，ABCD參數(shù)，RLCG參數(shù)：
3. 參數(shù)提取
PNP負(fù)載的效果是增加了并聯(lián)電阻和電容：
這樣用有負(fù)載時(shí)的C減去無(wú)負(fù)載時(shí)的C，就是PNP電容Ca；同理我們也可以推出PNP的電阻Ra。
最后，用后處理得到調(diào)制器的效率，比如80個(gè)這樣的周期結(jié)構(gòu)：
參考原文：
D. Patel et al., “Design,analysis, and transmission system performance of a 41 GHz silicon photonicmodulator,” Optics Express, vol. 23, no. 11, p. 14263, Jun. 2015.
G. L.Li, T. G. B. Mason and P. K. L. Yu, "Analysis of segmented traveling-waveoptical modulators," in Journal of Lightwave Technology, vol. 22, no. 7, pp.1789-1796, July 2004, doi: 10.1109/JLT.2004.831179.
小結(jié)：
1. 類(lèi)似PN結(jié)這種半導(dǎo)體在高頻仿真中可用Drude材料建模。其參數(shù)的計(jì)算有大量文獻(xiàn)可參考，以后我們也會(huì)推出更直接的計(jì)算指導(dǎo)。
2. 很多文獻(xiàn)中的等效電路計(jì)算都可以通過(guò)CST后處理輸入計(jì)算式提取，比如文中的C和R。
3. 電光調(diào)制器的慢波結(jié)構(gòu)色散也是個(gè)很有趣的仿真設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
