pSim光電子鏈路級仿真軟件與其他鏈路仿真軟件的對比

  本文的鏈路設(shè)計案例的驗證，將使用新型的光電子鏈路級仿真軟件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，實現(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，而且在計算性能上也大大提高。

  鏈路級仿真背景的介紹

  摩爾定律已經(jīng)接近到了它的極限。同時，新技術(shù)的應(yīng)用(如物聯(lián)網(wǎng)IoT、自動駕駛汽車、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實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，實現(xiàn)了高速光相位調(diào)制 [2]，并實現(xiàn)了1GHz的調(diào)制帶寬。2007年，Lipson等人 [3] 采用了一個微環(huán)形波分復(fù)用(WDM)架構(gòu)，實現(xiàn)了40Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，消光比為12dB。然而，微環(huán)的諧振腔對溫度相當(dāng)敏感，為了減少這種影響，每個比特需要pJ級別的熱能來補償溫度效應(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，在10歐姆阻抗驅(qū)動下實現(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行業(yè)中更具競爭力。

  與工藝技術(shù)相互匹配，形成設(shè)計平臺的是鏈路仿真技術(shù)， pSim就是一款新穎的鏈路設(shè)計仿真軟件，它為光電子芯片提供了一個快速而準(zhǔn)確的鏈路級仿真環(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光電探測器等等領(lǐng)域。最后，從仿真所需要的時間來看，與流行的歐美鏈路仿真軟件相比，pSim的計算性能有非常大的提高。

  二個鏈路級仿真的案例

  在TW-MZM的案例中第一部分，兩個直流電源被設(shè)定為0 V，激光源為0 dBm。掃頻的波長范圍被設(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信號被用來作為調(diào)制信號。CW激光器的中心波長被設(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級到11級的值是297μA，01級到10級的值是105μA，00級到01級的值是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級到11級的值是295μA，01級到10級的值是108μA，00級到01級的值是121μA。由此，pSim軟件的準(zhǔn)確性得到了證明。但是，如果考慮到計算效率，就可以看出其中的差別。圖3顯示了連續(xù)10次運行的結(jié)果，pSim和流行的歐美鏈路仿真軟件的平均處理時間分別為12.5秒和64.2秒，證明了pSim具有更強大的計算性能。

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：仿真用時對比(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)置的時間窗口為1.6384e-7 s。PRBS_1和PRBS_2的值根據(jù)模擬設(shè)置來設(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。對于光纖(FIBER_1)，長度為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，中心波長為1552.52nm。對于定向耦合器(C_1，C_2)，耦合比被設(shè)定為0.5。對于PIN光電探測器(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，我們來看計算效率。圖5顯示了連續(xù)10次運行的結(jié)果，pSim和流行的歐美鏈路仿真軟件的平均處理時間分別為19.4秒和58.9秒，證明了pSim具有更強大的計算性能。

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：仿真用時對比(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)的實際應(yīng)用的仿真結(jié)果。在相同的參數(shù)下，使用PAM-4信號的TW-MZM架構(gòu)中，pSim的平均仿真時間為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的平均仿真時間為19.4秒，而歐美鏈路仿真軟件需要58.9秒，這說明了，pSim不僅能提供足夠準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，而且還具有更強大的計算性能。

  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.