单光子雪崩二极管（APD）作为一种高性能的光电探测器件，在光通信等领域有着重要应用。基于Ansys Lumerical平台，可对基于锗硅异质结构的雪崩光电探测器（APD）进行仿真分析，其操作主要分为三个关键步骤，涵盖光学、电学仿真以及电路级验证。

步骤一：FDTD仿真光生载流子产生速率

在这一步骤中，主要利用Ansys FDTD模块进行电磁学仿真，以获取探测器内部光生载流子的产生速率分布。

仿真设置：在三维FDTD环境中，采用1.55μm波长的mode光源，模拟单模TE光到达波导内进行检测的场景。

数据计算与处理：运用软件内置的分析组“generation rate”来计算光生载流子产生速率分布图。为简化后续的电学仿真，将光生载流子产生速率在器件的长度上取平均值，以便在器件二维平面的横截面上进行后续仿真。

结果保存：相关的光生载流子产生速率分布结果将被保存，为下一步的电学仿真提供关键数据支持。

步骤二：CHARGE仿真暗电流、光电流、响应度和增益

Ansys CHARGE模块主要用于进行稳态电学仿真，从而得到表征雪崩光电探测器性能的多种关键参数。

暗电流仿真：禁用“Optical Generation”源，对探测器施加-12V到0V的反向偏压，通过脚本计算可得到探测器的暗电流。暗电流是探测器在无光照情况下的漏电流，其大小直接影响探测器的噪声性能。

光电流仿真：切换到Layout模式并启用“Optical Generation”源，导入步骤一保存的光生载流子产生速率分布数据（该数据代表器件内光生载流子的浓度），在同样的反向偏压条件下进行仿真，通过脚本计算得到探测器的光电流。仿真结果与文献结果相符，验证了仿真的准确性。

响应度和增益计算：根据暗电流和光电流的数据，结合相关计算公式，通过脚本计算得到探测器的响应度和倍增增益。其中，响应度定义为光电流与光输入功率之比，其变化趋势与光电流一致，随着偏置接近击穿电压而增加；该器件的击穿电压约为10V，单位增益电压（增益等于1时的电压）约为2V，接近雪崩时可获得数百数量级的增益。

步骤三：紧凑模型生成和电路仿真

在得到探测器的各项性能参数后，需在Ansys INTERCONNECT中生成紧凑模型并进行电路仿真，以评估器件在实际链路中的表现。

紧凑模型定义：将步骤二获得的性能品质因数（如暗电流、光电流、响应度、增益等）用于定义INTERCONNECT中的雪崩光电探测器（APD）紧凑模型。

测试环境搭建：搭建相应的光电链路测试环境，主要包含功率为-18dBm、波长为1.55μm的CW激光光源，模拟光源振幅随机变化的比特序列生成模块（PRBS信号，比特率为25Gbits/s），以及前述仿真得到的雪崩光电探测器等，用于仿真器件对低功率调制信号的检测情况。

性能评估：通过眼图来评估被检测信号的质量及其随探测器增益（倍增因子）的变化。不同倍增因子下的眼图结果显示了器件在不同增益状态下对信号的响应情况，为器件的实际应用提供了重要参考。

通过以上三个步骤，基于Lumerical平台完成了对单光子雪崩二极管的全面仿真分析，从光生载流子的产生到电学性能参数的获取，再到电路级的性能验证，为雪崩光电探测器的设计与优化提供了可靠的数值仿真依据。