pSim光電子鏈路級(jí)仿真軟件與其他鏈路仿真軟件的對(duì)比

  本文的鏈路設(shè)計(jì)案例的驗(yàn)證，將使用新型的光電子鏈路級(jí)仿真軟件pSim。pSim可用于硅基光電子、化合物半導(dǎo)體光電子以及光互連模塊、異質(zhì)整合的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。文中有展示在行波馬赫·曾德爾(TW-MZM)調(diào)制器和相干光發(fā)射器(Tx)/接收器(Rx)架構(gòu)中實(shí)際應(yīng)用的仿真結(jié)果。與當(dāng)今流行的歐美鏈路仿真軟件相比，pSim不僅提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，而且在計(jì)算性能上也大大提高。

  鏈路級(jí)仿真背景的介紹

  摩爾定律已經(jīng)接近到了它的極限。同時(shí)，新技術(shù)的應(yīng)用(如物聯(lián)網(wǎng)IoT、自動(dòng)駕駛汽車、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)AR/VR和人工智能AI)將導(dǎo)致更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。硅基光電子技術(shù)被認(rèn)為是滿足未來(lái)極高數(shù)據(jù)傳輸要求的潛在候選者。因此，我們開發(fā)了pSim的光電子鏈路級(jí)仿真軟件，可用于準(zhǔn)確分析仿真結(jié)果并有效降低開發(fā)成本。

  光調(diào)制器在硅基光電子技術(shù)的商業(yè)化中一直扮演著重要的角色，更大的調(diào)制帶寬代表著更高的傳輸數(shù)據(jù)傳輸率。早在1987年，Soref和Bennet [1] 提出，硅的折射率可以通過(guò)改變載流子的濃度而改變，這被稱為等離子體色散效應(yīng)。硅基調(diào)制器中使用的調(diào)制方法通常是熱光學(xué)和等離子體色散效應(yīng)，后者提供高速信號(hào)調(diào)制。英特爾在2004年將電流調(diào)制轉(zhuǎn)移到電壓調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了高速光相位調(diào)制 [2]，并實(shí)現(xiàn)了1GHz的調(diào)制帶寬。2007年，Lipson等人 [3] 采用了一個(gè)微環(huán)形波分復(fù)用(WDM)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了40Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，消光比為12dB。然而，微環(huán)的諧振腔對(duì)溫度相當(dāng)敏感，為了減少這種影響，每個(gè)比特需要pJ級(jí)別的熱能來(lái)補(bǔ)償溫度效應(yīng)。另一種被稱為行波馬赫·曾德爾調(diào)制器的光調(diào)制器對(duì)溫度不敏感，而調(diào)制的能量消耗可達(dá)每比特幾百fJ [4]。因此，Li等人[5]在2017年提出了一種塊狀行波調(diào)制器(TWM)，并將其能耗降低到21.5 fJ/bit。同時(shí)，在10歐姆阻抗驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了56Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。較低的能耗使硅基光電子元件在整個(gè)行業(yè)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

  與工藝技術(shù)相互匹配，形成設(shè)計(jì)平臺(tái)的是鏈路仿真技術(shù)， pSim就是一款新穎的鏈路設(shè)計(jì)仿真軟件，它為光電子芯片提供了一個(gè)快速而準(zhǔn)確的鏈路級(jí)仿真環(huán)境。在本文中，我們將展示pSim在TW-MZM和相干C波段Tx/Rx架構(gòu)中的仿真精度。但是要記住，pSim的應(yīng)用不僅僅限于上述領(lǐng)域，還包括波分復(fù)用器、行波馬赫·曾德爾調(diào)制器、光纖通信和PIN光電探測(cè)器等等領(lǐng)域。最后，從仿真所需要的時(shí)間來(lái)看，與流行的歐美鏈路仿真軟件相比，pSim的計(jì)算性能有非常大的提高。

  二個(gè)鏈路級(jí)仿真的案例

  在TW-MZM的案例中第一部分，兩個(gè)直流電源被設(shè)定為0 V，激光源為0 dBm。掃頻的波長(zhǎng)范圍被設(shè)定為1548納米至1558納米。在圖1(a)中，結(jié)果顯示傳輸波長(zhǎng)為1548.68納米和1554.41納米。傳輸功率約為-46 dB。在圖1(b)中，與流行的歐美鏈路仿真軟件相比，在相同的參數(shù)設(shè)置下，TW-MZM的pSim仿真結(jié)果達(dá)到了相同的精度水平。

  在TW-MZM的案例中第二部分，PAM-4信號(hào)被用來(lái)作為調(diào)制信號(hào)。CW激光器的中心波長(zhǎng)被設(shè)定為1544.33納米，比特率被設(shè)定為40 Gbit/s。在圖2(a)中，pSim的結(jié)果顯示，PAM-4的眼圖是開放和清晰的。00級(jí)到11級(jí)的值是297μA，01級(jí)到10級(jí)的值是105μA，00級(jí)到01級(jí)的值是120μA。在圖2(b)中，與流行的歐美鏈路仿真軟件的結(jié)果相比，PAM-4的眼圖是開放和清晰的。00級(jí)到11級(jí)的值是295μA，01級(jí)到10級(jí)的值是108μA，00級(jí)到01級(jí)的值是121μA。由此，pSim軟件的準(zhǔn)確性得到了證明。但是，如果考慮到計(jì)算效率，就可以看出其中的差別。圖3顯示了連續(xù)10次運(yùn)行的結(jié)果，pSim和流行的歐美鏈路仿真軟件的平均處理時(shí)間分別為12.5秒和64.2秒，證明了pSim具有更強(qiáng)大的計(jì)算性能。

圖 1：仿真結(jié)果 (a) pSim, (b) 歐美鏈路仿真軟件; Transmission spectra for TW-MZM by using two DC source.

圖 2：仿真結(jié)果 (a) pSim, (b) 歐美鏈路仿真軟件; Eye diagram for TW-MZM by using PAM-4 signal

圖 3：仿真用時(shí)對(duì)比(秒) pSim v.s 歐美鏈路仿真軟件

  在相干C波段Tx/Rx案例中，CW激光器的中心波長(zhǎng)設(shè)定為1552.524 nm，功率為0 dBm，采樣率為3.2e12 Hz，比特率為25 Gbit/s，模擬設(shè)置的時(shí)間窗口為1.6384e-7 s。PRBS_1和PRBS_2的值根據(jù)模擬設(shè)置來(lái)設(shè)定。NRZ_1到NRZ_4的振幅和偏置分別設(shè)置為(-2，2)、(2，2)、(-2，2)、(2，2)。PHS_1和PHS_2被設(shè)置為90度。對(duì)于光纖(FIBER_1)，長(zhǎng)度為5公里，衰減為0.2分貝/公里，色散為16ps/nm/km，色散斜率為0.08ps/nm2/km，中心波長(zhǎng)為1552.52nm。對(duì)于定向耦合器(C_1，C_2)，耦合比被設(shè)定為0.5。對(duì)于PIN光電探測(cè)器(從PIN_5到PIN_8)，響應(yīng)率為1 A/W，熱噪聲設(shè)置為13-22 A/Hz0.5，射出噪聲為開關(guān)狀態(tài)，溫度為300 K。在傳輸距離為5公里后，圖4(a)顯示的眼圖被打開，而且很清晰。垂直開眼角約為275μW，水平開眼角約為25ps。圖4(b)顯示，流行的歐美鏈路仿真軟件的垂直開眼角約為265μW，水平開眼角約為23ps。

  同樣，我們來(lái)看計(jì)算效率。圖5顯示了連續(xù)10次運(yùn)行的結(jié)果，pSim和流行的歐美鏈路仿真軟件的平均處理時(shí)間分別為19.4秒和58.9秒，證明了pSim具有更強(qiáng)大的計(jì)算性能。

圖 4：仿真結(jié)果 (a) pSim, (b)歐美鏈路仿真軟件; Eye diagram for coherent C-band Tx/Rx after 5km optical fiber

圖 5：仿真用時(shí)對(duì)比(秒) pSim v.s 歐美鏈路仿真軟件

  結(jié)論

  本文展示了行波馬赫·曾德爾(TW-MZM)調(diào)制器和相干C波段發(fā)射器(Tx)/接收器(Rx)架構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用的仿真結(jié)果。在相同的參數(shù)下，使用PAM-4信號(hào)的TW-MZM架構(gòu)中，pSim的平均仿真時(shí)間為12.5秒，而歐美鏈路仿真軟件需要64.2秒;在相干C波段Tx/Rx架構(gòu)中，pSim的平均仿真時(shí)間為19.4秒，而歐美鏈路仿真軟件需要58.9秒，這說(shuō)明了，pSim不僅能提供足夠準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，而且還具有更強(qiáng)大的計(jì)算性能。

  參考文獻(xiàn)：

  1. Soref R, Bennet B, A survey of integrated optics. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1987, 23: 123-129.

  2. Liu A, Jones R, Liao L, et al. A high-speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor. Nature 2004, 427: 615-618.3. Manipatruni S, Xu Q F, Lipson M. PINIP based high-speed high-extinction ratio micron-size silicon electro-optic modulator. Optics Express, 2007, 15: 13035-13042.4. Baehr-Jones T, Ding R, Liu Y, Ayazi A, et al. Ultralow drive voltage silicon traveling-wave modulator. Optics Express, 2012, 20(11): 12014-12020.

  5. Li X, Yang F, Fang Z. et al, Single-drive high-speed lumped depletion-type modulators toward 10 fJ/bit energy consumption. Photonics Research, 2017, 5(2): 134-142.