应用分享 | 数据中心光互联的光子集成电路（PIC）建模与优化

     在AI、机器学习、云计算等技术驱动下，全球数据流量呈指数级增长。数据中心网络面临双重挑战：一方面需提升传输速率以满足带宽需求，另一方面需在能效与成本之间寻求最优平衡。麦肯锡预计，到2030年全球数据中心电力需求将较2023年增长3到6倍，这对网络架构设计提出了更高要求。

     随着数据中心网络架构愈发复杂，互联需求正呈现出明显的层级化特点：跨园区互联，覆盖范围从数百至数千公里；园区内互联，通常限于几公里内的短距连接；数据中心内部互联，包括骨干交换机与叶子交换机的高速组网，以及机架内服务器间的本地连接。不同场景下的连接需求在距离、带宽、成本与功耗上差异显著，需要定制化互联解决方案。

光互联技术路径对比

     相干光互联：适用于远距离传输，采用高阶调制方案，结合WDM技术提升频谱利用率。但因系统复杂、需配备DSP，整体成本相对较高。

强度调制-直接检测（IM-DD）：面向中短距连接，方案相对简单、性价比高。随着传输速率要求的持续提升，业界正密切关注相干技术向数据中心内部延伸的可能性。

     铜互联：用于短距离连接，虽成本低、易部署，但随着速率提升，其传输距离和能效限制日益突出，正逐步被光互联取代。

光子集成电路（PIC）的作用

     随着光互联成为数据中心主流技术，光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PIC）的引入显著提升了互联系统的性能和集成度。

典型应用如电吸收调制激光器（EML）将DFB激光器与EA调制器单片集成，或在CPO（共封装光学）方案中将光引擎直接与交换芯片共封装，实现更低功耗和更紧密的集成。在AI训练集群中，PIC可实现多个GPU之间的高速互联，大幅提升模型训练效率。例如Intel的OCI chiplet就展示了将PIC直接贴近处理核心的高效方案。

     PIC相较于传统分立器件，提供了更高的带宽密度、更低的能耗和更强的可扩展性，成为推动数据中心向更高速、更节能方向演进的关键力量。

PIC设计与优化面临的挑战

     尽管PIC前景广阔，其在实际系统中的设计与集成仍面临诸多挑战：

     设计流程割裂：传统PIC设计和系统级仿真通常由不同团队完成，导致模型交接频繁，沟通成本高。

     模型兼容问题：器件级模型嵌入系统仿真后常出现性能偏差，需反复调试，延长项目周期。

     系统级影响难预估：某些关键器件如微环调制器，其在系统层面可能引起性能下降，需要全面、协同的优化方法。

VPIphotonics光子设计与仿真平台

     为应对上述挑战，VPIphotonics提供了完整的光子设计与仿真平台——VPIphotonics Design Suite，将器件级建模与系统级仿真无缝集成，显著提升协作效率和设计质量。

     VPIphotonics拥有超过25年的光子设计自动化经验，产品涵盖从光波导和光纤的物理器件仿真，到光子集成电路的组件设计，再到完整的光互联系统传输设计，甚至包括光纤网络的规划和优化，所有工具可以无缝集成，构建完整的光子设计流程。下面的仿真案例主要利用其中两个核心工具：

     VPI TransmissionMaker Optical Systems：用于设计和仿真完整的光通信系统，可用于短距离光互联，支持超长距的DWDM系统、RoF等多种应用场景，可模拟单模和多模光纤，探索各种编码和调制方案，分析DSP算法、补偿技术、均衡策略等。提供灵活的分析工具，生成眼图、星座图并评估误码率（BER）、TDECQ、消光比等关键性能指标。

     VPI ComponentMaker Photonic Circuits：适用于更小时间和空间尺度上的组件建模，偏向物理建模，支持有源元件、信号处理组件和无源电路。材料无关性，支持混合集成（Hybrid PIC）设计，可进行设计探索、容差分析、参数调优和优化。软件包含光子传输线激光模型（TLLM），示例中展示的是一个可调谐的混合III-V/Si激光器，可准确模拟放大器（如SOA）与环形谐振腔之间的交互，支持模拟各种非理想效应，如反射、双光子吸收、载流子动力学、四波混频（FWM）等非线性效应。此外，软件还支持不同代工厂的PDK，同时提供自定义PDK框架，可加密模型以保护知识产权，并与他人或客户分享。

仿真案例分享与技术验证

     在由PIC Magazine主办的研讨会上，VPIphotonics专家Eugene Sokolov和Nebras Deb详细介绍了两个典型的仿真案例：

IMDD | 800G PAM-4 DWDM System仿真案例

     工程师首先构建了一个基于PAM-4的DWDM系统，采用4 通道架构，每通道速率为 53 GBaud，通道间隔为200GHz，总速率为400Gbps。系统工作于O波段，传输距离为2公里。关键光子器件——硅基微环调制器与环形谐振腔滤波器，由光子元件库中可自定义的模型实现。初步仿真结果（包括眼图、TDECQ与 SER）表明系统性能良好。

     基于已有结构，工程师通过自动化脚本扩展系统规模至8通道，总速率提升至800Gbps。然而，扩展仿真结果暴露出性能瓶颈：第7和第8通道性能明显下降，需深入分析关键器件光学行为以定位问题。

     为定位问题根因，工程师利用集成测试工具对微环调制器进行参数扫描，尤其关注其随反向偏置电压变化的传输函数响应。结果显示，微环的自由光谱范围（FSR）不足，无法容纳8个200GHz间隔信道，导致部分通道落入非理想调制区间，引发信号失真。为此，工程师采用以下调优方案：首先通过缩小微环半径来增大FSR，以容纳所需信道数量；重调激光源频率与相位，修正环径变化引发的共振漂移；调整衰减量以实现目标消光比；最后，通过施加微小的相位偏移使调制器稍微偏离共振点。

     在完成调制器调优后，对环形谐振腔滤波器同步进行优化，实现目标的平顶通带响应，并对每个微环进行精确频率与相位调谐，确保各通道滤波窗口精确匹配目标信道。

     优化完成后，所有参数通过模型库与自动化脚本同步回系统仿真环境。最终进行系统级仿真，最终仿真结果表明，所有信道的眼图明显开阔，TDECQ显著降低，SER恢复至设计目标范围内，系统稳定实现800Gbps高速传输，验证了物理建模与系统联调的协同优化能力。

     Coherent | 2 Tbps 32-QAM DWDM System仿真案例

     数据中心互联的传输距离可从几百米到几十公里甚至更远，因此系统设计需具备适应不同传输距离的能力。在高阶调制与相干检测支持下，系统可在速率与距离之间实现灵活折中：低阶调制适合长距离传输，而高阶调制可用于短距离高吞吐。

     本案例构建了一个2Tbps的相干DWDM系统。采用光频梳产生8个光载波，信道间隔75GHz，工作于O波段。每个信道通过TFLN调制器进行32-QAM调制，波特率为56Gbaud，初始传输距离设定为500米。接收端采用典型的相干接收架构，包含基于MMI的90°混频器、本振（LO）、平衡探测器、ADC等模块。解调链路结合完整DSP流程，涵盖 IQ 不平衡校正、时钟恢复、时域均衡（TDE）以及载波频率/相位恢复（CFR/CPR）等模块。

     鉴于数据中心对空间与功耗的严格约束，关键组件（如光频梳、调制器、90°混频器等）均集成在光子芯片上，采用光子集成技术。相干接收器中的90°混频器采用MMI结构实现。其原理通过将输入信号与本振信号引入多模波导，并利用模式干涉效应在多个输出端产生精确的相位差（0°，180°，+90°，-90°），从而实现I/Q分量的分离。软件提供物理建模与理想建模两种模式：理想模型忽略频率依赖性，而物理模型则考虑频率变化的影响。结果表明，MMI模块能精确生成所需的四路相位差。

     调制器基于TFLN平台，由两个MZM组成。光路中引入MMI分光与合光器件，并采用行波电极（G-S-G）结构，确保电信号和光信号沿着波导和电极以相似的速度传播，这对实现高速调制至关重要。通过研究电学和光学的群折射率参数评估速度失配的影响，通过电学模型计算沿波导的电压，考虑到光学调制部分的实际位置和变化。该系统支持两种电极模型：理想模型和基于S参数的物理模型。在测试过程中，工程师通过模拟不同电压偏置和调制频率，研究电极和光学组件对调制响应的影响。

     在系统级别，工程师通过将光子组件（如调制器和90°混频器）集成到系统中，进行一系列测试。通过四个具体测试案例（背靠背传输有无光纤、不同调制格式、TDE 开关状态等）分析得出，在理想组件下，光谱清晰，星座图良好。使用物理模型后，由于非理想性（如电极不匹配、信号畸变），调制性能和误码表现显著下降。启用TDE后能有效补偿这些物理缺陷，显著提高系统性能。之后，通过调整调制格式（切换到16-QAM），测试不同调制阶数对系统性能和传输距离的影响。16-QAM格式在较长距离（如10公里）下的性能表现更好，而32-QAM则在较短距离内提供更高的比特率。通过比较不同测试条件下的结果（如频谱、星座图、信道误码率），工程师能够评估调制格式、光学组件和DSP技术对系统性能的影响。

     VPIphotonics Design Suite通过组件级建模、系统级仿真和参数优化，为数据中心光互联系统提供了一体化解决方案。随着技术发展，该平台将在更高带宽、更长传输距离和更低功耗方面发挥重要作用，助力数据中心光互联的未来创新。