pSim光电子链路级仿真软件与其他链路仿真软件的对比

  本文的链路设计案例的验证，将使用新型的光电子链路级仿真软件pSim。pSim可用于硅基光电子、化合物半导体光电子以及光互连模块、异质整合的设计，实现高效、准确的仿真结果。文中有展示在行波马赫·曾德尔(TW-MZM)调制器和相干光发射器(Tx)/接收器(Rx)架构中实际应用的仿真结果。与当今流行的欧美链路仿真软件相比，pSim不仅提供了准确的结果，而且在计算性能上也大大提高。

  链路级仿真背景的介绍

  摩尔定律已经接近到了它的极限。同时，新技术的应用(如物联网IoT、自动驾驶汽车、增强现实/虚拟现实AR/VR和人工智能AI)将导致更高的数据传输速率的要求。硅基光电子技术被认为是满足未来极高数据传输要求的潜在候选者。因此，我们开发了pSim的光电子链路级仿真软件，可用于准确分析仿真结果并有效降低开发成本。

  光调制器在硅基光电子技术的商业化中一直扮演着重要的角色，更大的调制带宽代表着更高的传输数据传输率。早在1987年，Soref和Bennet [1] 提出，硅的折射率可以通过改变载流子的浓度而改变，这被称为等离子体色散效应。硅基调制器中使用的调制方法通常是热光学和等离子体色散效应，后者提供高速信号调制。英特尔在2004年将电流调制转移到电压调制，实现了高速光相位调制 [2]，并实现了1GHz的调制带宽。2007年，Lipson等人 [3] 采用了一个微环形波分复用(WDM)架构，实现了40Gbit/s的数据速率，消光比为12dB。然而，微环的谐振腔对温度相当敏感，为了减少这种影响，每个比特需要pJ级别的热能来补偿温度效应。另一种被称为行波马赫·曾德尔调制器的光调制器对温度不敏感，而调制的能量消耗可达每比特几百fJ [4]。因此，Li等人[5]在2017年提出了一种块状行波调制器(TWM)，并将其能耗降低到21.5 fJ/bit。同时，在10欧姆阻抗驱动下实现了56Gbit/s的数据速率。较低的能耗使硅基光电子元件在整个行业中更具竞争力。

  与工艺技术相互匹配，形成设计平台的是链路仿真技术， pSim就是一款新颖的链路设计仿真软件，它为光电子芯片提供了一个快速而准确的链路级仿真环境。在本文中，我们将展示pSim在TW-MZM和相干C波段Tx/Rx架构中的仿真精度。但是要记住，pSim的应用不仅仅限于上述领域，还包括波分复用器、行波马赫·曾德尔调制器、光纤通信和PIN光电探测器等等领域。最后，从仿真所需要的时间来看，与流行的欧美链路仿真软件相比，pSim的计算性能有非常大的提高。

  二个链路级仿真的案例

  在TW-MZM的案例中第一部分，两个直流电源被设定为0 V，激光源为0 dBm。扫频的波长范围被设定为1548纳米至1558纳米。在图1(a)中，结果显示传输波长为1548.68纳米和1554.41纳米。传输功率约为-46 dB。在图1(b)中，与流行的欧美链路仿真软件相比，在相同的参数设置下，TW-MZM的pSim仿真结果达到了相同的精度水平。

  在TW-MZM的案例中第二部分，PAM-4信号被用来作为调制信号。CW激光器的中心波长被设定为1544.33纳米，比特率被设定为40 Gbit/s。在图2(a)中，pSim的结果显示，PAM-4的眼图是开放和清晰的。00级到11级的值是297μA，01级到10级的值是105μA，00级到01级的值是120μA。在图2(b)中，与流行的欧美链路仿真软件的结果相比，PAM-4的眼图是开放和清晰的。00级到11级的值是295μA，01级到10级的值是108μA，00级到01级的值是121μA。由此，pSim软件的准确性得到了证明。但是，如果考虑到计算效率，就可以看出其中的差别。图3显示了连续10次运行的结果，pSim和流行的欧美链路仿真软件的平均处理时间分别为12.5秒和64.2秒，证明了pSim具有更强大的计算性能。

图 1：仿真结果 (a) pSim, (b) 欧美链路仿真软件; Transmission spectra for TW-MZM by using two DC source.

图 2：仿真结果 (a) pSim, (b) 欧美链路仿真软件; Eye diagram for TW-MZM by using PAM-4 signal

图 3：仿真用时对比(秒) pSim v.s 欧美链路仿真软件

  在相干C波段Tx/Rx案例中，CW激光器的中心波长设定为1552.524 nm，功率为0 dBm，采样率为3.2e12 Hz，比特率为25 Gbit/s，模拟设置的时间窗口为1.6384e-7 s。PRBS_1和PRBS_2的值根据模拟设置来设定。NRZ_1到NRZ_4的振幅和偏置分别设置为(-2，2)、(2，2)、(-2，2)、(2，2)。PHS_1和PHS_2被设置为90度。对于光纤(FIBER_1)，长度为5公里，衰减为0.2分贝/公里，色散为16ps/nm/km，色散斜率为0.08ps/nm2/km，中心波长为1552.52nm。对于定向耦合器(C_1，C_2)，耦合比被设定为0.5。对于PIN光电探测器(从PIN_5到PIN_8)，响应率为1 A/W，热噪声设置为13-22 A/Hz0.5，射出噪声为开关状态，温度为300 K。在传输距离为5公里后，图4(a)显示的眼图被打开，而且很清晰。垂直开眼角约为275μW，水平开眼角约为25ps。图4(b)显示，流行的欧美链路仿真软件的垂直开眼角约为265μW，水平开眼角约为23ps。

  同样，我们来看计算效率。图5显示了连续10次运行的结果，pSim和流行的欧美链路仿真软件的平均处理时间分别为19.4秒和58.9秒，证明了pSim具有更强大的计算性能。

图 4：仿真结果 (a) pSim, (b)欧美链路仿真软件; Eye diagram for coherent C-band Tx/Rx after 5km optical fiber

图 5：仿真用时对比(秒) pSim v.s 欧美链路仿真软件

  结论

  本文展示了行波马赫·曾德尔(TW-MZM)调制器和相干C波段发射器(Tx)/接收器(Rx)架构的实际应用的仿真结果。在相同的参数下，使用PAM-4信号的TW-MZM架构中，pSim的平均仿真时间为12.5秒，而欧美链路仿真软件需要64.2秒;在相干C波段Tx/Rx架构中，pSim的平均仿真时间为19.4秒，而欧美链路仿真软件需要58.9秒，这说明了，pSim不仅能提供足够准确的仿真结果，而且还具有更强大的计算性能。

  参考文献：

  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.