案例分享 | 使用pSim Plus實現基于多通道級聯(lián)硅微環(huán)諧振器的計算光譜儀

逍遙設計自動化

【引言：了解設計目標
pSim Plus為復雜光電子集成鏈路設計提供了便捷的實現平臺。本文重點介紹如何利用pSim Plus中的單元結構及內置函數，構建基于多通道級聯(lián)硅微環(huán)諧振器的鏈路設計，并通過算法優(yōu)化實現計算光譜儀。本示例利用的結構，來自北京郵電大學集成電路學院近期發(fā)表在Optics Letters的工作[1]。

初始化鏈路參數及環(huán)境
& j' d) C! `: v& j; _第一步涉及在pSim Plus中初始化鏈路參數及環(huán)境：
8 s4 B7 Y1 W  v4 v' I1.定義仿真背景參數
2.定義鏈路結構實體化參數
3 b) j) O9 ~0 P& l) P1 U3.調用軟件內置函數創(chuàng)建仿真環(huán)境
4.定義優(yōu)化相關參數

9 n. Q1 C2 X6 F" M& H" u& }' c! }

創(chuàng)建鏈路結構
在完成鏈路參數及環(huán)境的初始化后，創(chuàng)建主體鏈路：
) M+ R2 z2 `, L! c: n) p9 U1.創(chuàng)建光網絡分析儀
2.創(chuàng)建分光結構
  r  F/ H2 b1 _" G, X! X- K% V3.生成級聯(lián)微環(huán)諧振器
/ P# C* Q+ R! C% D, F+ y4.對上述器件設置位置
3 K6 s5 r8 H; N" L. ^4 h8 o0 Q5 |5 c5.對上述器件參數進行初始化

# j) e& S* T+ w8 p4 l# P
添加光路連接
% h& ]5 i: W& e2 G生成主體鏈路器件后，對各器件的接口連接：
/ a2 W4 |- ~& |1 \5 }  N+ o1.連接光網絡分析儀輸出接口作為輸入光
6 M* E7 c/ u: o5 ]2.利用迭代變量連接各分束器件
% S( k" N$ O0 m& _4 K3.連接級聯(lián)微環(huán)諧振器
4.經濾波后光連接至光網絡分析儀輸入端口
/ f7 f- s% _" H, K
# z1 t( a' l' S; u8 r
! A( T( G  w4 M! }5 H$ n圖1：連接后的整體鏈路，包括光網絡分析儀、分光及濾波器件。
4 c6 K+ U0 X' |7 x! G
調用優(yōu)化算法最小化目標函數
2 x- O7 P0 J! I讀取數據，調用算法進行目標函數優(yōu)化：
1.讀取光網絡分析儀得到數據
( ~& o: a4 s" Z2.根據設計原理創(chuàng)建目標函數
  o3 |' b# {% v" U4 l9 P3.調用pSim Plus環(huán)境中安裝的庫
) h( A6 V: ^) R4.利用算法使目標函數最小化

+ P! ~2 E8 t- q& P5 L! m

利用鏈路數據重建未知光譜
將優(yōu)化得到的濾波曲線用于光譜重建：
  x9 P! y0 U# d. E8 o1 s/ q$ {3 o8 O1.創(chuàng)建新鏈路用于得到未知光譜
2.讀取鏈路濾波曲線數據作為采樣矩陣
+ e4 O! r2 `! h! M/ j9 \& @, p3.利用cvxpy庫進行光譜重建
1 W+ F, \- }8 v$ [* e+ C
5 A! t* |) X8 Z
# S" @+ ^, E0 \2 H. W

圖2：對未知光譜寬譜及窄帶的重建。

5 F# V4 V1 r: u# z結論
4 I# i0 L0 E! {* ^, j$ e) r( g- G/ k本文展示了使用pSim Plus實現基于多通道級聯(lián)硅微環(huán)諧振器的計算光譜儀的系統(tǒng)方法。通過實現這些步驟并充分利用pSim Plus內置器件及功能，設計者可以高效地設計目標鏈路。
! }+ E3 f6 f: [- ~, h1 V
* ^# m* s" r. s+ c) M這種實現方法展示了pSim Plus在處理復雜鏈路設計的能力。軟件的python環(huán)境不僅可以讓我們調用不同的算法對目標進行優(yōu)化，而且可以使用很多工具使鏈路設計實現一體化。本案例使用的pSim Plus版本為1.1.1。需要本案例的用戶，歡迎通過問答平臺（https://www.xyda.cc/#/）索取。

/ o2 m0 Q8 e. U6 ]& [- b3 V9 N4 x" S6 u參考文獻
5 n; G+ `; q$ |8 |! D[1] Kai Wang, Zeruihong She, Hongren Tan, Tianyue Zhang, and Lei Zhang, "Computational spectrometer with multi-channel cascaded silicon add-drop micro-ring resonators," Opt. Lett. 49, 6041-6044 (2024)
+ R. U/ J. B. ^% T; I2 w
END
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