摘自：深圳逍遙科技有限公司
本文介绍了基于Python以及C++的光电集成芯片仿真工具 pSim，以及在频域和时域对O波段 CWDM 系统进行了分析。在频域，准确表征了传输波长和插入损耗。在时域，在 2km 传输后获得了清晰的眼图开口。与对标商业软件相比，pSim 提供了 1.7 倍的加速，证明了它在 CWDM 收发器时频域分析中的快速准确仿真能力。
摘要
Keywords: 光电集成芯片、仿真工具、O 波段、CWDM
集成多个光学器件在单一芯片上的光电子集成芯片(PICs)对于电信和光互连越来越关键[1]。一个关键的应用是用于光通信的粗波长分复用 (CWDM)收发器。在设计阶段，准确和高性能的光电集成芯片模拟是至关重要的，用于表征这些复杂的光系统并确保它们在制造之前符合规格。
时域和频域模拟提供了互补的见解。CWDM复用器/解复用器的频域分析揭示了波长依赖的传输、损耗和串扰。时域分析使得提取调制光数据链路的关键性能指标成为可能，包括在光检测后的眼图。虽然存在一些商业模拟器，但它们可能运行速度慢或依赖于简化的近似，这会影响准确性[2]。
在本文中，我们描述了基于Python以及C++的光电集成芯片仿真工具pSim。pSim实现了无源和有源光电子器件的数值精确模型，同时利用GPU加速提供快速的模拟运行时间。
我们通过在频域和时域模拟O波段CWDM系统来展示pSim的能力。频域分析包括一个4通道CWDM复用/解复用器，其通道间隔为3.5 THz。时域模拟演示了一个完整的链路，包括NRZ-OOK调制和通过2公里光纤的传输。在这两种情况下，pSim比对标商业工具提供了更高的准确性和更快的模拟。
本文首先介绍了pSim软件架构及其实现的概述，然后分别介绍了频域和时域系统分析，最后总结了pSim为光电子集成芯片模拟所带来的关键创新和益处。
pSim是用Python以及C++实现的，利用了其广泛的科学计算库和并行处理能力。核心架构由无源光子器件模型、有源光子器件模型、以及链路模拟引擎组成。
pSim中的被动光子组件包括波导、耦合器、分路器、合路器和谐振器，它们使用散射矩阵进行建模，该散射矩阵关联输入和输出的光场。通过对特定组件几何形状使用矢量有限差分模式解算器数值求解麦克斯韦方程，来计算散射矩阵元素。这确保了相对于解析近似的精度。
pSim中的链路模拟引擎将光子器件连接成一个链路，并模拟通过系统的光 + 电信号传播。它利用并行GPU处理来快速模拟大型电路。同时支持时域和频域分析。
pSim的关键能力包括：
任意光电链路连接，
混合信号模拟 - 光学，电子，射频都在一个平台上，
时域波形和眼图分析，
参数扫描和统计分析。
pSim引擎可以完全用Python脚本化，以实现最大的灵活性。用户可以通过图形用户界面构建电路，或以编程方式组装系统和处理模拟结果。pSim提供了设计、优化和评估大规模光电子集成链路所需的精度和速度。
为了展示pSim的频域建模能力，我们模拟了一个4通道的CWDM复用/解复用系统。 复用器将四个频率间隔为3.5 THz的激光源合并到一个单一的输出波导中。然后，解复用器将各个波长分离到单独的输出端口。
光电子集成链路是在pSim中构建的，使用可调谐激光源、波导、和从包含的库中的光子复用/解复用器件。频域传输S参数从1.27到1.35微米计算，分辨率为1皮米。
图1显示了模拟的CWDM复用/解复用的传输光谱。观察到四个间隔为3.5 THz的传输峰值，对应于定义的激光源。峰值波长精确匹配指定的激光频率，且解复用通道在相邻频带之间提供了>40 dB的隔离。插入损耗在-6 dB左右，与复用/解复用的属性一致。
图1. 模拟的CWDM复用/解复用的传输光谱
这证明了pSim可以准确地模拟基于所包含器件的频率依赖行为的多通道光子系统的光谱响应。利用GPU加速的引擎能够在不到1分钟内模拟高分辨率的波长扫描。
为了补充频域结果，我们对一个完整的O波段CWDM链路进行了时域模拟。该模型包括NRZ-OOK调制、通过光纤的传输和光检测。链路包含可调谐激光器、调制器、波导、光检测器和光纤。 25 Gbps的NRZ-OOK信号被调制到每个CWDM载波上。合并的光通道在光检测和眼图分析之前通过2公里的单模光纤传播。图2显示了每个CWDM通道在光检测后的结果眼图。眼睛明显开着，逻辑1级的光功率约为1.2 mW。水平眼开度大约为12皮秒。这证实了在通过CWDM系统模型传播后的良好信号完整性。
图2. 光检测后每个CWDM通道的眼图。
总的来说，频域和时域模拟展示了pSim提供快速和准确模拟复杂光电子系统的能力，这些系统涉及高分辨率的光谱和时间效应。基于pSim的架构使得灵活构建光电集成芯片模型成为可能，同时利用并行处理加速计算。pSim可以作为优化设计面向CWDM应用的硅基光电子集成系统的强大工具 [3]。
本文介绍了pSim，一个基于Python以及C++的光子集成电路模拟器，以CWDM光互连应用的系统的时频域分析为例。
pSim的关键创新包括：
基于麦克斯韦方程求解器的数值精确的无源光子器件模型，确保相比于解析近似更高的精度。
为诸如调制器和光检测器等有源光子器件提供的紧凑参数模型，使系统级信号完整性模拟成为可能。
灵活的链路模拟引擎，可以连接任意组合的光电子器件，并支持频域和时域混合信号分析。
利用并行GPU处理加速模拟时间，相比于商业工具可加速高达1.7倍。
使用Python进行完全编程并与科学计算生态系统集成，以实现最大的灵活性。
我们通过模拟O波段CWDM复用/解复用器来表征频率响应，以及一个完整的链路模型，包括调制、传输和光检测，以分析信号完整性，展示了pSim的能力。模拟结果符合预期结果，同时受益于更快的运行时间。
pSim为光电集成芯片设计者提供了一个重要的模拟工具，可以在预制造阶段模拟、优化和评估他们的设计。这种精度、速度和灵活性的结合为更快的设计迭代和CWDM以及其他应用中硅光子电路的创新铺平了道路。随着器件模型的进一步开发和光子构建模块的增加，pSim可以继续成熟为行业领先的光电子集成芯片设计平台。
[1] Thomson, D. (2016). Roadmap on silicon photonics. Journal of Optics, 18(7), 073003.
[2] Chrostowski, L., & Hochberg, M. (2015). Silicon photonics design: from devices to systems. Cambridge University Press.
[3] Chen, T.S.-Y. (2023). Silicon Photonics Process Design Kit (PDK) Creation Checklist. Latitude Design Automaion.
文章转载自微信公众号：北京光博会订阅号