等離子體色散效應可以通過電學和光學的聯合模型來計算。 光電子學的目的是通過電獲得電子和空穴濃度與外加電壓的關係，並將得到的結果匯入光學器件，從而計算出光在波導中的有效折射率和傳播損耗。
利用半導體工藝模擬以及器件模擬工具。 即光電子學的計算機輔助設計技術**，其中電子材料使用基於物理的半導體電子模型。
實現高速電光轉換
這些TCAD工具可用於求解與靜電勢相關的泊松方程和與自由載流子密度相關的漂移-擴散方程。 借助半導體**軟體lumerical，對摻雜濃度和摻雜模式進行分析和優化。
反PN引腳結的本徵區域寬度、載流子濃度分布、空間電場分布、c-v特性、i-v特性等基於等離子體色散效應，計算光場與耗盡區的重疊積分，以達到犧牲調製器插入損耗和調製效率的目的。
傳統的矽基電光調製器利用等離子體色散效應作為光波導的相位調製機理，其電結構一般為載流子耗盡PN結，以實現高速電光轉換。 然而，基於反向偏置PN結的載波耗盡矽基行波調製器在插入損耗、調製效率和調製速度方面相互制約。
為了突破矽基電光調製器在插入損耗、效率和頻寬方面的瓶頸，不再侷限於常規等離子體色散效應的調製機理，該文提出一種具有慢光效應增強直流克爾效應的調製機理。 它克服了調製效率與等離子體色散效應插入損耗之間的矛盾，不僅降低了自由載流子的吸收損耗，而且降低了微波傳輸的損耗。
因此，實現了高調製效率、低插入損耗和大頻寬。 另一方面，為了解決慢波調製器微波與光波速度不匹配的問題，提出了一種驅動慢光調製器的慢波電極新結構。
在後端工藝中，將浮動金屬遮蔽層放置在共面波導電極層下方，以增加行波電極的併聯電容，從而減慢射頻訊號的傳播速度，最終克服速度失配的調製頻寬限制。
光在慢光波導中以布洛赫模式傳播，如果慢光波導直接耦合到單模波導上，兩者之間的模場失配會導致極低的耦合效率。
因此，有必要研究單模波導與一維波導光柵之間的耦合過渡機理，並設計一種高效的“快慢”過渡結構。 這種過渡結構通常使用絕熱梯度階躍鐘形耦合器或切銷切割函式（如布萊克曼和公升正弦）來實現。
階梯鐘形耦合器的群折射率介於直波導和一維波導光柵之間，只需要同型別波導光柵的幾個週期即可實現“快光-慢光”轉換。 雖然步進鐘耦合器體積小有利於光子整合，但耦合效率只有80%左右。
相比之下，單模波導和一維波導的耦合效率可以通過toody切割技術提高到90%以上。 切片的缺點是需要較長的過渡區域、器件尺寸大以及缺乏對高階頻帶模式的支援。
因此，選擇激發基模而不是高階模，因此在單模波導和一維波導光柵之間引入了線性梯度躍遷結構，將光訊號更有效地耦合到一維波導光柵中。
微光波速度不匹配導致的電光頻率響應劣化問題仍未解決。 在慢光調製器中，慢光波導的基團折射率NSLG通常為8 20，而在SOI襯底上，CPW型行波電極的微波有效折射率NRF通常為3 4。
解決速度不匹配問題
雖然 Meander-Line 電極可用於解決速度失配問題並改善慢光調製器的電光頻率響應，但 Meander-Line 電極的大尺寸會帶來額外的微波傳輸損耗。
此外，蜿蜒線電極與行波電極之間的阻抗失配也會導致電光頻率響應的劣化。
為了解決上述瓶頸，提出了一種基於慢波共面波導電電極驅動的慢光調製器結構，其核心思想是通過在CPW電極下方放置金屬浮柵遮蔽來增加行波電極的併聯電容，從而減慢微波訊號在電極中的傳播速度。
通過優化慢波電極的幾何引數，改善了微光波速度失配問題，進一步提高了SW-SL-MZM的頻寬。
由於電磁耦合，射頻訊號在CPW電極處的傳播特性受底層矽襯底的影響，電磁作用的大小取決於襯底的電阻率和電極與襯底的距離。 根據傳輸線理論。
射頻訊號在CPW電極中的傳播速度取決於射頻模場與基板和包層材料的相互作用。 因此，在給定的工藝條件下，微波訊號的傳播速度幾乎是恆定的。 改變CPW傳輸線的幾何引數，如寬度與間距之比，可以對CPW電極的特性阻抗進行廣泛的優化。
然而，對微波折射率的調製作用並不明顯，如第2章的結果所示。 與CPW電極相比，SW-CPW電極增加了傳輸線的等效併聯電容，從而減慢了射頻訊號在電極中的傳播速度，因此通過優化SW-CPW電極的設計可以實現微波-光波速度匹配。
SW-CPW電極的慢波效應可以通過理論或電磁來計算。 理論計算基於準TEM透射分析，對電路引數進行了物理解釋。 RLRC模型可以更容易地理解SW-CPW電極的射頻傳播特性，包括它們的損耗分布。
然而，使用RLRC模型的挑戰在於準確計算渦流Reddy和電容CP。 通過文獻研究發現，第2章中的電磁法也適用於SWCPW電極。 因此，HFSS**工具與基於等離子體色散效應的矽基行波Mach-Zehnder調製器在插入損耗、調製效率和調製速度方面與行波電極相當，存在一定的權衡。
慢光效應增強效果的調製機理
為了突破矽基行波調製器的效能瓶頸，提出了一種慢光效應增強Dckerr效應的調製機理，並利用慢波無線電波克服了慢光調製器的微波-光波速度不匹配問題，最終實現了一種高效率、高線性度、高速的矽基行波調製器。
首先，分析了矽基光波導中的Dckerr效應，並說明了Dckerr效應相對於等離子體色散效應在降低光傳播損耗和勢壘電容方面的優勢。 針對Dckerr效應在相位調製效率上的劣勢，採用慢光效應來增強Dckerr效應。
這將調製效率提高到 085v•cm。為了解決慢光調製器微光波速不匹配的問題，將微波折射率從37 到 71、克服速度不匹配導致的頻寬劣化，慢光調製器頻寬進一步提公升至67GHz，最終支援100Gbit SNRZ訊號調製。
迄今為止，大多數最先進的光學單邊帶調製器都建立在Linbo3平台上，其邊帶抑制比大於30dB。 相比之下，雖然矽光子學平台在CMOS相容性和整合度方面具有更大的優勢。
但矽基光學單邊帶調製器通常表現出較差的效能。 主要原因之一是矽基電光調製器依靠等離子體色散效應實現高速調製，這不僅改變了光訊號在波導中的傳播相位，而且增加了其傳播損耗。
損耗的變化破壞了MZM兩個調製臂之間的功率平衡，使調製器的消光比降低，無法有效抑制光單邊帶訊號的邊帶。
該文提出一種光譜比可調的矽基光學單邊帶調製器，並利用光域控制技術補償調製器的有限消光比和射頻驅動訊號的功率不平衡等約束條件，提高了光單邊帶訊號的邊帶抑制比。
耦合器、混頻器和天線等片上無源射頻器件廣泛應用於公釐波積體電路中。
然而，由於工藝流程和尺寸方面的相容性問題，很少有研究將無源射頻器件與矽基光學單邊帶調製器整合在一起。 正交混合耦合器一般由電感和電容組成，優點是器件尺寸小，缺點是整合電容的精度通常較差，在矽基整合無源器件的工藝下，電容的誤差範圍在5%以內。
相比之下，由共面波導或微帶線組成的分支線耦合器可以容忍更大的製造誤差，因此廣泛用於MMIC中，以構建射頻功率分配器或射頻移相器。
因此，DP-MZM和BLC的整合值得進一步研究，分支線耦合器由4條四分之一波長的傳輸線組成，分別為50和354 兩種特性阻抗。 分支線路耦合器的功能是將輸入的射頻訊號均勻地分配到相位差為90°的反相和正交埠。
與微帶線相比，CPW對基板厚度不敏感，色散性較低。 因此，大多數報道的片上分支線耦合器都傾向於使用CPW傳輸線作為基本結構。
CPW輸電線路還用於構建支線耦合器，其幾何引數如下所述。 CPW下方有乙個間距為200 m的金屬浮柵，增加浮柵的目的是平衡兩個接地電極的電位。
這抑制了在訊號電極的不連續位置激發的凹槽圖案。 來自 I 和 Q 埠的射頻輸出訊號可以通過 CPW 和共面帶狀線 CPS 之間的過渡結構饋送到兩個子 MZM，根據代工廠的設計規則，CPW 下方有乙個區域，其中存在 SIN 波導或光柵耦合器。
由於材料堆疊的不連續性以及蝕刻防止SIN層導致介質和金屬表面粗糙度的增加，CPW傳輸線的射頻傳播特性會受到一定影響，最終導致分支線耦合器的頻率響應和相位響應會變差。
DP-MZM的兩個sub-MZM採用單驅動串聯推挽結構，使用1 2個熱光開關來控制它們之間的光功率分配比。 脊波導寬度和板厚分別為500 nm和90 nm。
通過嵌入光波導中的橫向PN結實現高速電光調製。 p-n結由位於脊波導中心的p和n的輕摻雜區域形成。
中間摻雜的P+和N+區域距離波導中心400 nm，以降低pn結的串聯電阻。
重摻雜的P++區域距離波導中心1200nm，實現歐姆接觸。 P、N、P+、N+、P++和N++區域的摻雜峰值濃度分別為5 1017 cm、1017 cm、1018 cm、1018 cm、1020 cm3和4 1020 cm3。
sub-MZM的兩個PN結背靠背串聯，基於CPS的行波電極同時驅動兩個PN結。 CPS電極的訊號電極和接地電極均寬50 m，它們之間的間距為35 m。
為了避免射頻訊號的反射，在CPS電極的末端放置乙個由TIN薄膜製成的片上電阻器。 考慮到調製深度和速度之間的權衡，DP-MZM的長度設定為15mm。
DP-MZM的直流反向偏置電壓通過10 m寬的電感線連線到兩個PN結的公共N++區域，使用尺寸為100 m 5 m、熱整定效率約為20 mW的TIN加熱電極來調節DP-MZM的工作狀態。
四個光功率監視器由乙個10%90%定向耦合器和乙個光柵耦合器組成，用於檢測晶元的工作狀態。
結論
分支線耦合器是一種定向無源射頻功率分配裝置，其作用是將輸入射頻訊號分成兩個功率相等、相位差為90°的正交射頻訊號。
因此，分支線耦合器也稱為正交混合耦合器，正交混合耦合器一般分為集總電感電容型和傳輸線型。
集總LC型結構的優點是結構緊湊，缺點是電容精度差。 由傳輸線組成的分支線路耦合器在MMIC中應用廣泛，優點是效能穩定，缺點是體積大。 分支線路耦合器的尺寸一般可以通過採用傳輸線折疊式和傳輸線載入式結構來減小。