Ansys Lumerical을 이용한 광소자 해석 및 회로 레벨 시뮬레이션 방법

 

Ansys Lumerical은 광소자의 물리적 특성을 해석하고, 이를 회로 레벨 시뮬레이션으로 연결해 시스템 성능까지 평가할 수 있는 시뮬레이션 솔루션이다. 이번 기술원고에서는 수동 광소자인 Y Branch Waveguide와 능동 광소자인 Mach-Zehnder Modulator(MZM)를 중심으로 광소자 해석부터 INTERCONNECT를 이용한 회로 및 QPSK 시스템 성능 평가까지의 과정을 살펴본다.

 

Ansys Lumerical은 어떻게 활용할 수 있을까?

광집적회로(PIC)는 여러 광소자가 연결되어 하나의 기능을 수행하기 때문에 개별 소자의 물리적 특성뿐만 아니라 소자 간 연결과 최종 시스템 성능을 함께 확인해야 한다. Ansys Lumerical은 FDTD, MODE, Multiphysics, INTERCONNECT 등의 해석 환경을 제공해 이러한 단계별 분석을 지원한다.

해석 단계	주요 목적	주요 기능
Device Level	개별 광소자의 물리적 특성 및 성능 해석	FDTD, MODE, Multiphysics
Circuit & System Level	광소자 간 연결을 통한 PIC 회로 동작 및 시스템 성능 평가	INTERCONNECT

[표 1] Ansys Lumerical Product

 

[그림 1] Ansys Lumerical 활용 예시

 

개별 광소자 해석부터 QPSK 시스템까지

이번 사례에서는 수동 광소자인 Y Branch Waveguide와 능동 광소자인 Mach-Zehnder Modulator를 각각 해석한 뒤, 해석 결과를 INTERCONNECT에 적용한다. 이후 QPSK 시스템을 구성해 Constellation Diagram, EVM, SER/BER, Eye Diagram 등의 지표를 통해 시스템 성능을 평가한다.

 

1. 수동 광소자: Y Branch Waveguide

Y Branch Waveguide는 하나의 입력 신호를 두 개의 출력으로 분배하는 대표적인 수동 광소자이다. 본 사례에서는 FDTD를 이용해 Y Branch의 전자기적 특성을 해석하고, 그 결과를 회로 레벨 시뮬레이션에 활용한다.

 

1.1 FDTD를 이용한 광특성 해석

FDTD를 활용하여 광도파로(Waveguide) 및 Y-Branch 구조를 모델링하고, 재료 특성, 광원, 경계조건, Mesh 및 Monitor 등 주요 해석 조건을 설정한다. 시뮬레이션을 통해 전자기장(E-field) 분포와 광투과율(Transmission)을 분석하고, Y-Branch에서의 광분배 및 전파 특성을 평가한다. 또한 Movie Monitor를 활용하여 광의 전파 과정을 시각적으로 확인한다.

[그림 2] E-Field 결과

[그림 3] Movie monitor 결과

 

 

1.2 S Parameter 추출 및 검증

Y-Branch의 FDTD 해석 결과로부터 S-Parameter를 추출하여 각 포트 간 광신호 전달 특성을 분석한다. S-Matrix 및 Transmission Spectrum을 통해 포트별 투과 특성을 확인하고, S-Parameter Diagnostics 기능을 활용하여 Passivity와 Reciprocity 조건을 검증한다.

[그림 4] Y branch waveguide (Passive Device) - FDTD

 

 

1.3 FDTD 결과를 INTERCONNECT로 연결

FDTD에서 얻은 S Parameter는 INTERCONNECT에서 Optical N Port S Parameter Element로 불러올 수 있다. 이후 ONA(Optical Network Analyzer)를 이용해 회로 레벨에서 특성을 확인하고, FDTD 결과와 INTERCONNECT 결과를 비교할 수 있다.
[그림 5] Y branch waveguide setting

 

2. 능동 광소자: Mach-Zehnder Modulator

Mach-Zehnder Modulator(MZM)는 전기 신호를 이용해 광신호의 특성을 변화시키는 능동 광소자이다. MZM은 하나의 해석 결과만으로 특성을 정의하기 어렵기 때문에 CHARGE, FDE, RF Traveling Wave 해석을 단계적으로 수행하고 그 결과를 연결한다.

 

2.1 Charge 해석: Carrier Distribution 확인

먼저 PN 구조를 기반으로 Charge 해석을 수행한다. Electric Boundary Condition과 Monitor를 설정해 Carrier Distribution을 확인하고, 전압 변화에 따른 전하 분포 특성을 분석한다.

또한 CV 및 AC Impedance를 계산해 전기적 특성을 확인할 수 있다. AC 해석에서는 약 1 MHz부터 10 GHz 범위에서 특성을 확인하며, 여기서 얻은 R/C 특성은 이후 RF 전극 해석에 활용된다.

[그림 6] Bias 전압에 따른 PN 접합 전자 농도 분포

 

2.2 FDE 해석: 유효 굴절률과 위상 변화 계산

CHARGE 해석에서 얻은 Carrier Density를 FDE 해석에 전달한다. np Density Grid Attribute를 이용해 Carrier Density를 불러오고, Soref-Bennett 모델을 적용해 전하 분포 변화가 광학 특성에 미치는 영향을 계산한다.

FDE 해석을 통해 Effective Index, Group Index, Phase Shift, Loss 등의 결과를 얻을 수 있으며, 이러한 결과는 INTERCONNECT에서 MZM 모델을 구성하는 데 활용된다.

[그림 7] MZM[Mach-Zehnder Modulator](Active)-FDE 1

 

2.3 Traveling Wave Electrode 해석

MZM의 RF 전극 특성을 확인하기 위해 Traveling Wave 해석을 수행한다. 약 10 kHz부터 100 GHz 범위에서 RF Loss, RF Group Index, Characteristic Impedance 등을 확인하고, 해석 결과를 INTERCONNECT로 전달한다.

[그림 8] MZM[Mach-Zehnder Modulator](Active)-FDE 2

 

3. INTERCONNECT에서 MZM 특성 적용

CHARGE, FDE, RF Traveling Wave 해석에서 얻은 결과를 INTERCONNECT의 MZM 모델에 적용하면 실제 소자의 물리적 특성을 회로 모델 수준에서 반영할 수 있다.

 

3.1 광학 특성 확인

파장과 DC Bias 변화에 따른 Optical Transmission을 확인해 MZM의 변조 특성을 분석할 수 있다.

[그림 9] INTERCONNECT MZM 구성

 

[그림 10] DC바이어스 전압에 따른 MZM 광 투과 결과

 

3.2 전기적 대역폭 및 Eye Diagram 분석

ENA를 이용해 MZM의 주파수 응답을 확인할 수 있으며, 사례에서는 약 15 GHz 수준의 -3 dB Bandwidth를 확인했다. 또한 Eye Diagram을 통해 BER, Q-Factor, Extinction Ratio, RMS Jitter, Peak-to-Peak Jitter 등의 성능 지표를 확인할 수 있다.

[그림 11] 결과

 

[그림 12] Eye diagram 결과

 

4. QPSK System Level 해석

개별 광소자의 해석 결과를 INTERCONNECT에 적용한 뒤에는 여러 광소자를 연결해 실제 통신 시스템 수준의 성능을 평가할 수 있다. 본 사례에서는 Y Branch Waveguide와 MZM 등의 소자를 활용해 QPSK 시스템을 구성했다.

QPSK 시스템에서는 VSA(Virtual Signal Analyzer)를 이용해 Constellation Diagram, EVM, SER/BER, Eye Diagram 등을 확인할 수 있다. 이를 통해 개별 소자의 특성이 최종 통신 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는지 평가할 수 있다.

평가 항목	확인 내용
Constellation Diagram	QPSK 신호의 심볼 분포
EVM	변조 신호의 품질
SER / BER	심볼 및 비트 오류 성능
Eye Diagram	신호 품질 및 타이밍 특성

[표 2] 평가 항목별 확인 내용

 

[그림 13] QPSK[Quadrature Phase-Shift Keying] - INTERCONNECT

 

[그림 14] Constellation Diagram & Symbol map, Eyediagram 결과

맺음말

이번 사례에서는 Ansys Lumerical을 이용해 광소자의 물리적 특성을 해석하고, 해석 결과를 INTERCONNECT에 연결해 회로 레벨 및 시스템 레벨까지 확장하는 과정을 살펴봤다. Y Branch Waveguide의 S Parameter 해석부터 MZM의 CHARGE·FDE·RF 해석, 그리고 QPSK 시스템의 성능 평가까지 단계적으로 연결함으로써 Device Level의 해석 결과가 Circuit Level과 System Level의 성능 분석으로 이어지는 과정을 확인할 수 있다.