Ansys Lumerical 进行行波 Mach-Zehnder 调制器的完整多物理场（电气、光学、射频）仿真分析过程，包括各步骤的具体操作、所获关键结果以及最终在 INTERCONNECT 中进行的紧凑模型电路仿真情况，涉及相对相移、光学传输、传输线带宽和眼图等关键结果的计算。
一、综述
在本示例中，5 毫米长的 Si 波导由 5 毫米长的 Al 共面传输线驱动的反向偏置 pn 结进行相位调制，整个仿真流程如下：
CHARGE 求解器用于提供 pn 结因反向偏置变化而导致的电荷密度变化，以及串联平板电阻和 pn 结电容。
电荷密度的变化被汇入 MODE 求解器，以计算波导的光学折射率调制；平板电阻和结电容也汇入 MODE 求解器，用于计算传输线的射频特性。
随后，将光学和射频自变量以及结电容汇入 INTERCONNECT 紧凑模型中，进行电路仿真，从而计算出光学传输和眼图。
二、具体步骤
步骤 1：参杂硅材料波导的电压 - 载子浓度分布关系
模型与求解设置：由于 Lumerical 的 Multiphysics CHARGE 模块采用有限元方法计算，2D 和 3D 求解时间差异明显。考虑到 pn 结的尺寸特点（平行电场方向长 10um，垂直电场方向宽 5mm、厚度 0.09um 且无垂直电场方向的形状变化，且载子浓度与电场分布强相关），为节省时间，此步骤建议用 2D 求解。但因掺杂模型需要 3D 信息定义，故建立 3D 模型但采用 2D 的求解范围，建模中垂直电场方向有个宽度即可。
仿真与结果保存：运用模块内完善的半导体材料及物理模型设定建模后，用稳态设定多个偏压条件（-0.5~4V，0.5V 步长）进行仿真，并在光路调变范围设定中设置电荷监视器 “monitor_charge”，将电荷密度保存在 tw_modulator_charge.mat 中，供后续导入 MODE 求解器。通过在物件树中选择 CHARGE，在结果视图窗口中右键单击所需结果（电荷）并在对数刻度上可视化，可显示电荷密度。
步骤 2：平板电阻与 PN 结电容
仿真工具与方法：再次使用 Lumerical 的 Multiphysics CHARGE 模块。借助脚本抓取仿真结果，使用结果差分法计算 pn 结的直流电容。平板电阻是传输线与 PN 结连接在一起的均匀面形半导体区域所产生。由于 PN 结在反向偏压情况下电阻无穷大，其电容与频率相关性不高，故用一个直流电容来表示。
结果保存：稳态直流仿真的脚本将电压与电容关系保存于 tw_modulator_dc_C.mat 中；小信号仿真搭配脚本由阻抗推导电阻和电容（R 和 C 分别对应阻抗的实部和虚部），R 值保存到 tw_modulator_Rslab_tot.dat 中，供后续 MODE 和 INTERCONNECT 模拟使用。
步骤 3：光学波导特性
仿真工具与参数计算：使用 Lumerical 的 MODE FDE 模块计算掺杂硅材料波导的光学特性。形状建模后，用脚本导入步骤 1 算得的各偏压下的折射率分布，利用 Eigenmode 求解器算出波长 1.55um 下的基本模态信息，包括等效折射率、群折射率、损耗，以及估算有效调变长度为 4.5 毫米下的相移，并用脚本提取有效折射率相对于零偏差的变化（零偏差是 INTERCONNECT 中传输线幅度调制的参考（中间）偏差）。
结果保存：这些参数存成 tw_modulator_optical_data.mat，供稍后导入到步骤 5 的 INTERCONNECT 模块。
步骤 4：射频传输线特性
仿真工具与参数计算：继续使用 MODE FDE 模块的 Eigenmode 求解器计算射频特性。除定义浸没在氧化物中的金属射频共面传输线外，还需导入步骤 2 中计算的电阻和电容数据与结构，以表示传输线之间的平板电阻和 pn 结的紧凑模型。借助脚本调用 Eigenmode 求解器，采用零偏压下的电压相关电容，对频率 10GHz~100GHz（间隔为 10GHz）的每个频率求解等效折射率（虚部为损耗）和群折射率，再以脚本计算出基本模态的阻抗（实部为电阻，虚部为电抗）。
参数分配与结果保存：总电阻除以 2 并分配给 n 和 p 区域，结果存档成 tw_modulator_RF_data.mat，用于 INTERCONNECT 系统仿真。
步骤 5：紧凑模型和电路仿真
模型导入与仿真设置：使用前面步骤的仿真结果，为 INTERCONNECT 中构成完整调制器电路的波导、光调制器和行波电极导入紧凑模型参数。调制器本身包括输入波导 Y 分支、每个分支上的波导和光调制器以及输出 Y 分支，上调制器臂有行波电极（TWE），下臂保持零参考偏压。行波电极可调变光程极大为 5000um（假设 90% 有效），源端与输出端阻抗都设定为 50Ohm，系统器件的操作波长设为 1.55um，并设定 0V 偏压情况下对应的有效折射率、群折射率与损耗。
光传输分析：使用 INTERCONNECT 打开文件 tw_modulator_INTERCONNECT_ONA.icp，通过光网络分析仪（ONA）对系统的穿透波进行分析。ONA 源设定仿真波长为 1550 到 1650nm（共 1000 个波长点），在 DC_2 分别用 - 0.5、0、0.5 三电压条件控制行波电极，得到不同电压下穿透率随波长的变化，结果显示控制电压改变 1V 时穿透波长差异仅 0.8~0.9nm。
眼图分析：将整个行波马赫 - 曾德尔调制器放进眼图分析系统，使用 INTERCONNECT 打开文件 tw_modulator_INTERCONNECT_eye.icp。以连续波激光（CW Laser）为光源，控制行波电极的电信号为包含伪随机二元序列（PRBS）讯号搭配不归零（NRZ）脉冲发生器的时间脉冲发生器。PRBS 信号的比特率设置为 20Gbits/s，NRZ 脉冲发生器调制幅度为 1V，参考偏差为 - 0.5V（信号范围在 - 0.5 和 0.5V 之间），激光源功率为 10mW，激光源波长为 1552.5nm。仿真得到眼图，其消光比为 4.25dB。
带宽分析：在 Interconnect 中用电网络分析器（ENA）对行波电极进行带宽分析，设定 30GHz 的频率范围，结果显示 3db 的带宽约对应 15GHz。
总体而言，该仿真流程完整再现了行波 Mach-Zehnder 调制器的工作原理与性能表现，为相关器件的设计、优化与验证提供了可靠的数值仿真方法与参考依据。