案例分享 | 使用pSim Plus實現(xiàn)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(xiàn)平臺。本文重點介紹如何利用pSim Plus中的單元結構及內(nèi)置函數(shù)，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(xiàn)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]。

& x- X. L7 w0 m" j0 Q) B初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境
7 v9 V2 `& h7 z# p2 y3 p0 z. }第一步涉及在pSim Plus中初始化鏈路參數(shù)及環(huán)境：
" c# M' W, _9 ~5 ^6 W1.定義仿真背景參數(shù)
2.定義鏈路結構實體化參數(shù)
3.調(diào)用軟件內(nèi)置函數(shù)創(chuàng)建仿真環(huán)境
4.定義優(yōu)化相關參數(shù)
! _0 x: z4 t9 V. K& {( n$ D

6 S+ r9 z8 P5 I3 i9 G; ^
創(chuàng)建鏈路結構
在完成鏈路參數(shù)及環(huán)境的初始化后，創(chuàng)建主體鏈路：
1.創(chuàng)建光網(wǎng)絡分析儀
2.創(chuàng)建分光結構
3.生成級聯(lián)微環(huán)諧振器
- b3 z$ ~1 s' z4.對上述器件設置位置
- @8 X2 f( f8 d$ n9 v5.對上述器件參數(shù)進行初始化
, V: c' w) d5 {9 ^& L% m8 D

- f2 l- S, v* k! }! D& p  t+ c, `. `添加光路連接
生成主體鏈路器件后，對各器件的接口連接：
1.連接光網(wǎng)絡分析儀輸出接口作為輸入光
2.利用迭代變量連接各分束器件
% X- P& h+ ^0 J" e! s3.連接級聯(lián)微環(huán)諧振器
8 Y( d4 o# z, n& R4.經(jīng)濾波后光連接至光網(wǎng)絡分析儀輸入端口

  @8 l' R, A$ l: Y: q' n; \
圖1：連接后的整體鏈路，包括光網(wǎng)絡分析儀、分光及濾波器件。
( U0 A2 l3 w8 u
+ ?+ d5 H! u1 `* l調(diào)用優(yōu)化算法最小化目標函數(shù)
讀取數(shù)據(jù)，調(diào)用算法進行目標函數(shù)優(yōu)化：
3 u* V, u8 W% C. h1.讀取光網(wǎng)絡分析儀得到數(shù)據(jù)
2.根據(jù)設計原理創(chuàng)建目標函數(shù)
0 t% n$ ?8 v6 z3.調(diào)用pSim Plus環(huán)境中安裝的庫
' V2 ^2 b' F# g: h; E4.利用算法使目標函數(shù)最小化
0 u. N, U  b' i# C' [" d# x$ f
/ q$ ?9 D# o, z

% b& E6 j+ |: t) d利用鏈路數(shù)據(jù)重建未知光譜
3 R& w+ ?0 T0 h將優(yōu)化得到的濾波曲線用于光譜重建：
1.創(chuàng)建新鏈路用于得到未知光譜
# s+ n* C% _& `- H! b8 \# a2.讀取鏈路濾波曲線數(shù)據(jù)作為采樣矩陣
3.利用cvxpy庫進行光譜重建

, j; Q. K* Y! l4 x0 G
7 u9 k% G! J+ x: T

5 l& y3 F; p% i! V( y* ?/ O圖2：對未知光譜寬譜及窄帶的重建。

& J' X2 p. N% k. u) G/ P# I結論
1 h) O$ f$ U8 w& B; D# y5 U" U: ?本文展示了使用pSim Plus實現(xiàn)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(xiàn)這些步驟并充分利用pSim Plus內(nèi)置器件及功能，設計者可以高效地設計目標鏈路。

% R' s7 V; k' v- A這種實現(xiàn)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(diào)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(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（https://www.xyda.cc/#/）索取。

/ |& t( U9 @7 w2 Z. E8 l& ]參考文獻
[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)

: y% k, r+ Y- V& @" [END

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