摘要
随着芯片集成度的不断提高，硅基光电子芯片因为其小型化和集成优势而备受关注。为了有效设计硅基光电子芯片，需要一个强大的系统仿真平台。本白皮书说明的pSim仿真软件采用图形化界面，内置众多系统库，可以灵活进行时域和频域分析。通过微环调制器进行的调制带宽扫描表明，pSim能够准确获取30 GHz 的-3dB调制带宽。与L软件的结果进行比较后发现，pSim能提供较高精度的仿真结果。另外，pSim解决了数据后处理困难的问题,通过设置脚本，可以自动找到波长的-6dB点。总体而言，pSim在调制特性分析方面表现突出。本软件为未来硅基光电子芯片的优化设计提供了一个强有力的仿真工具。
Keywords: 硅基光电子芯、pSim、微环调制器、调制带宽。
引言
随着科技的进步, 硅基光电子芯片作为一种新型光电子集成技术，得到了广泛的关注与研究。相比III-V族化合物半导体，硅具有成本低廉,制作工艺成熟,与电子集成电路兼容等优势。然而长期以来,由于硅的带隙间接特性，使其在发光与调制方面存在困难，这也限制了硅基光电子芯片的发展。
20世纪90年代，一系列重要的技术突破打开了硅基光电子芯片的大门。2006年，英特尔公司实现了第一代硅基调制器和光子探测器，标志着硅基光电子芯片技术进入实用化阶段。随后，学术界和业界围绕硅基光电子芯片进行了大量研究与应用探索。目前, 硅基光电子芯片已在互联网数据中心、高性能计算、光通信等方面得到应用,相关产业呈现高速发展态势。当前,硅基光电子芯片已实现了基本的光子元件，包括光子晶体、光子线路、调制器、探测器等，并积极向光电子集成电路系统方向发展。随着CMOS工艺的进步和新材料的应用，硅基光电子芯片的性能也在不断提高。未来有望实现与电子集成电路同等的大规模集成，对光电子融合技术产生深远影响。
尽管取得长足进展，但高性能硅基光电子芯片的设计与优化仍面临诸多挑战。首先，CMOS兼容工艺使硅基光电子芯片制作成本降低，但也限制了材料和工艺的选择余地。另外，与III-V材料相比,Si材料的光学性能较弱。调制器和探测器效率较低，光损耗较大。这些因素导致硅基光电子芯片的性能难以与III-V材料匹敌。此外，大规模集成也带来设计难题。随着集成度提高，器件的参数差异和制程变异导致性能不一致，使设计难度增加。复杂电路的寄生效应也难以预估。为实现高性能、高可靠性的硅基光电子芯片，设计人员面临巨大挑战。
为解决硅基光电子芯片设计中的难题，仿真技术的应用势在必行。但是，现有软件往往局限于特定方面，无法兼顾系统功能和算法性能。 本文介绍的pSim软件，通过采用灵活的仿真框架,图形化的设计环境，以及强大的后处理脚本，实现了硅基光电子芯片各方面需求的有机结合。相比现有软件，pSim在提高设计效率和优化性能方面具有独特优势。
pSim用户交互界面
通过点击工具栏和器件库中的器件图标，用户可以将各种光电子器件拖放到画布中，再通过连线工具连接器件，就可以搭建出不同的光电子系统。每个器件都包含可视化的参数面板进行属性设置。软件将模拟结果实时显示在输出窗口中。直观的图形界面降低了用户的学习成本，用户无需掌握编程语言就可以完成系统搭建。同时也提高了效率，设计流程一目了然。这对于提升设计体验至关重要。
pSim超越现行商业软件其中之一的优势在于提供了强大的Python脚本接口，用户可以通过脚本驱动仿真过程，以及编写后处理流程进行结果分析。利用Python的丰富模块和函数，可以灵活编写后处理流程。如利用NumPy进行矩阵操作，Matplotlib绘制图表，提高了结果的可视化效果。脚本支持大幅提高了pSim的可编程性，用户可以根据需求自定义仿真流程和结果分析方法。这对提高研发效率大有裨益。
调制带宽分析
调制带宽是评估调制器性能的关键指标之一。利用pSim可以进行调制带宽的准确测量。微环调制器（MRM_1）可以通过pSim中的自定义器件完成，它由两个直波导、一个耦合器和一个光调制器（OM） 组成。正弦波被用来从1 GHz到50 GHz扫频，以获得-3dB的调制带宽。调制带宽是调制器最重要的性能指标之一，它可以表达光波传输数据容量的大小[1][2]。如Fig. 1 (a), 通过导入python文件进行链路逆向设计，可以灵活地获得30 GHz的带宽。
如Fig. 1(b)，直流源(DC_1)给予电压，并用光网络分析仪（ONA_1）在频域上分析微环调制器，得到穿透光谱（增益：-20.664 dB，波长：1278.794 nm）。导入的Python文件被用来自动寻找1278.752纳米和1278.889纳米的两个波长值，即-6 dB。这两个波长值的斜率陡峭，这也代表了较优化的调制效应[3]。如Fig. 1(c)，对于时域分析，伪随机比特序列（PRBS_1）和不归零（NRZ_1）被用来产生随机通断键（OOK）信号[4]。在不归零之后，一部分被送到眼图作为参考信号，另一部分被送到微环调制器（MRM_1）的电口，通过整个系统到眼图作为接收信号。连续波激光器（CWL_1）被用作光源，发射到微环调制器的光口。经过光调制后，连续波激光器以1278.752纳米的波长传输64Gbit/s的NRZ-OOK信号。这个波长是通过频域分析选定的。光电探测器(PIN_1)用于检测接收的信号，并将 信号类型从光信号转为电信号。最后，利用眼图来分析传输信号的质量。
如Tab. 1, 眼图在无杂讯影响的结果显示，消光比为6.828，最小误码率（BER）为1.613x10-24，最大 Q因子为10.153，开口因子为0.9。眼图是开放的、清晰的。因此，pSim软件实现了调制带宽测量和时/频域分析的灵活性。
结论
本文研究开发了pSim这一硅基光电子芯片设计仿真软件，通过灵活的框架设计、先进的仿真算法和强大的可编程能力，在提高设计效率和优化性能方面实现突破。pSim采用前后端分离、模块化的软件框架，使仿真流程清晰，易于维护升级。先进的物理模型算法确保了仿真精度，与商用软件对比结果吻合良好。直观的图形界面降低了使用难度，脚本支持进一步增强了可编程性。通过环调制器调制带宽分析、时频域仿真、多波长传输系统建模等实例验证了pSim在硅基光电子芯片设计中的优势。该软件的开发填补了当前硅基光电子芯片集成链路仿真领域的空白，对促进硅基光电子芯片技术发展意义重大。
参考文献
[1] A. Samani et al., “A low-voltage 35-GHz silicon photonic modulator enabled 112-Gb/s transmission system,” IEEE Photon. J., vol. 7, no. 3, pp. 1–13, Jun. 2015.
[2] S. Jie et al., “A 128 Gb/s PAM4 Silicon Microring Modulator with Integrated Thermo-Optic Resonance Tuning,” Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 1, pp 110-115, Jan. 2019.
[3] X. Xiao et al., “60 Gbit/s silicon modulators with enhanced electro-optical efficiency,” Optical Fiber Commun. Conf. Expo., pp. 1-3, Mar. 2013.
[4] M. Pantouvaki et al., “Active components for 50 Gb/s NRZ-OOK optical interconnects in a silicon photonics platform,” Journal of Lightwave Technology., vol. 35, no.4, pp. 631-638, Feb. 2017
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