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)
$ `+ i" Y# O3 Z$ [5 n  DpSim 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(guò)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(lái)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]。
* K7 j* X9 s4 v: ?1 @9 B$ v4 j# @
" N5 a9 M5 Q. S% j4 J8 }" T3 L初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境
3 j4 d% e0 A# k% R7 H: D第一步涉及在pSim Plus中初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境：
1.定義仿真背景參數(shù)
, M% [% [6 {  r% Z. f2.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
% M! i, Q& X  a( ~1 b' V' W* E4.定義優(yōu)化相關(guān)參數(shù)


8 `* P( r: d* F* i2 X8 Y/ Z
創(chuàng)建鏈路結(jié)構(gòu)
! B: w8 A- g/ e7 I( r( N在完成鏈路參數(shù)及環(huán)境的初始化后，創(chuàng)建主體鏈路：
& ^. z- |8 q5 w5 R  ]( E1.創(chuàng)建光網(wǎng)絡(luò)分析儀
2.創(chuàng)建分光結(jié)構(gòu)
3.生成級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器
4.對(duì)上述器件設(shè)置位置
5.對(duì)上述器件參數(shù)進(jìn)行初始化
  M7 B% f1 O5 J9 r, Y2 k7 }0 ]

1 `2 A8 ]; w+ {添加光路連接
; o  u( r1 P( E2 O3 }生成主體鏈路器件后，對(duì)各器件的接口連接：
3 K2 f) A' R; D% Y1.連接光網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出接口作為輸入光
! U( z- }7 L' _# j) B- X; l1 p2.利用迭代變量連接各分束器件
3.連接級(jí)聯(lián)微環(huán)諧振器
& ^' G3 q* C- h# r6 c1 P- \4.經(jīng)濾波后光連接至光網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入端口


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。
6 v( O. i6 n0 `3 C
3 m6 ?+ Z1 C( J& }7 j. y7 R) f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：
% Q& P; n: i0 r8 @) h1.讀取光網(wǎng)絡(luò)分析儀得到數(shù)據(jù)
$ v9 ?  k" z) D  ]* V1 q$ m2.根據(jù)設(shè)計(jì)原理創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)
4 b2 p9 j, z# U$ O; y" u1 r. x3.調(diào)用pSim Plus環(huán)境中安裝的庫(kù)
4.利用算法使目標(biāo)函數(shù)最小化

2 T$ Y* z2 q- h
8 \& e' [  Z: O+ J1 h
利用鏈路數(shù)據(jù)重建未知光譜
2 U" y; Q/ m# H將優(yōu)化得到的濾波曲線(xiàn)用于光譜重建：
4 H* p! ?. R; ?! D1 i1.創(chuàng)建新鏈路用于得到未知光譜
2.讀取鏈路濾波曲線(xiàn)數(shù)據(jù)作為采樣矩陣
, |" O5 s1 s5 t/ a% N% ~5 p/ Q3.利用cvxpy庫(kù)進(jìn)行光譜重建
+ ]% @( q& H7 V1 Y7 V
; l+ r- S% D! M5 L/ n
9 p$ `1 c, }* A& Q' w1 ~1 q! t( Z

圖2：對(duì)未知光譜寬譜及窄帶的重建。
2 _2 N: w! Y# t
0 @) H6 {. s3 h$ O6 j結(jié)論
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(guò)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。
0 z& H4 I4 d6 Y5 e/ W2 y
5 q% ]; d3 o- {6 q" d! q3 d$ C: p! d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(hù)，歡迎通過(guò)問(wèn)答平臺(tái)（https://www.xyda.cc/#/）索取。

% v9 F" P" g: w! ?" Q參考文獻(xiàn)
5 L6 F1 k2 ?8 j. ^" L5 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)

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