案例分享 | 使用pSim Plus實(shí)現(xiàn)基于多通道級(jí)聯(lián)硅微環(huán)諧振器的計(jì)算光譜儀

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

【引言：了解設(shè)計(jì)目標(biāo)
pSim Plus為復(fù)雜光電子集成鏈路設(shè)計(jì)提供了便捷的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。本文重點(diǎn)介紹如何利用pSim Plus中的單元結(jié)構(gòu)及內(nèi)置函數(shù)，構(gòu)建基于多通道級(jí)聯(lián)硅微環(huán)諧振器的鏈路設(shè)計(jì)，并通過算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)計(jì)算光譜儀。本示例利用的結(jié)構(gòu)，來自北京郵電大學(xué)集成電路學(xué)院近期發(fā)表在Optics Letters的工作[1]。
8 `$ \- x: x. a' `' c
# j% G  I+ g7 [' q( K; s' R初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境
/ e& t* T5 r( S* s4 G+ ]& U7 D第一步涉及在pSim Plus中初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境：
& n0 F! `) B0 C# M$ p3 o1.定義仿真背景參數(shù)
) i7 t; \' c7 U+ k2.定義鏈路結(jié)構(gòu)實(shí)體化參數(shù)
3.調(diào)用軟件內(nèi)置函數(shù)創(chuàng)建仿真環(huán)境
4 b, j" Z& }  F  R( E, n4.定義優(yōu)化相關(guān)參數(shù)
5 N+ }4 L( g1 K4 m  A. K% W
) F. n5 ~( [' v) b0 S

* T. y6 Z, G) |  }! v創(chuàng)建鏈路結(jié)構(gòu)
在完成鏈路參數(shù)及環(huán)境的初始化后，創(chuàng)建主體鏈路：
7 |5 \$ C2 r  }7 R* [* o1 X' S1.創(chuàng)建光網(wǎng)絡(luò)分析儀
2.創(chuàng)建分光結(jié)構(gòu)
) R+ |$ v7 d" A7 n+ c3.生成級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器
" R' f$ S( V5 [" N" q' R4.對(duì)上述器件設(shè)置位置
+ l+ Y/ `" V" k! K. Y5.對(duì)上述器件參數(shù)進(jìn)行初始化


添加光路連接
3 }7 z! e3 W0 X, U- a生成主體鏈路器件后，對(duì)各器件的接口連接：
+ b) q9 M0 g, d2 K# c: S- J7 b1.連接光網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出接口作為輸入光
! @0 G! H4 u& B, O2.利用迭代變量連接各分束器件
( ^2 ^7 F& |& Y( g4 ~- @3.連接級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器
4.經(jīng)濾波后光連接至光網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口

) M. T1 \5 V; p6 O8 E$ U1 Y
圖1：連接后的整體鏈路，包括光網(wǎng)絡(luò)分析儀、分光及濾波器件。
" |+ z* U7 Q$ D) m6 k* ^' G7 m9 `: j8 J
# m5 `' ]- _3 D; `6 K調(diào)用優(yōu)化算法最小化目標(biāo)函數(shù)
讀取數(shù)據(jù)，調(diào)用算法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化：
1.讀取光網(wǎng)絡(luò)分析儀得到數(shù)據(jù)
2.根據(jù)設(shè)計(jì)原理創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)
3.調(diào)用pSim Plus環(huán)境中安裝的庫
4.利用算法使目標(biāo)函數(shù)最小化


9 J$ N8 l: g; x" i
利用鏈路數(shù)據(jù)重建未知光譜
將優(yōu)化得到的濾波曲線用于光譜重建：
4 Z/ i* i, {: @) O) H) B0 x/ [1.創(chuàng)建新鏈路用于得到未知光譜
) n% M) w1 l8 t- _: k! U- ^- d2.讀取鏈路濾波曲線數(shù)據(jù)作為采樣矩陣
6 Q7 a8 U( A0 H5 g5 u0 L3.利用cvxpy庫進(jìn)行光譜重建

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2 q& q8 Y; }" j8 |2 a  E

" n  F, P+ ?% Y/ C' y圖2：對(duì)未知光譜寬譜及窄帶的重建。

* A5 E! c. m; B# y- X: \結(jié)論
2 m5 \; ?0 B  k: R4 B; P6 \5 ^本文展示了使用pSim Plus實(shí)現(xiàn)基于多通道級(jí)聯(lián)硅微環(huán)諧振器的計(jì)算光譜儀的系統(tǒng)方法。通過實(shí)現(xiàn)這些步驟并充分利用pSim Plus內(nèi)置器件及功能，設(shè)計(jì)者可以高效地設(shè)計(jì)目標(biāo)鏈路。

這種實(shí)現(xiàn)方法展示了pSim Plus在處理復(fù)雜鏈路設(shè)計(jì)的能力。軟件的python環(huán)境不僅可以讓我們調(diào)用不同的算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而且可以使用很多工具使鏈路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(tái)（https://www.xyda.cc/#/）索取。

  \& @0 L, z8 o4 p參考文獻(xiàn)
[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)

END


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