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陈昇祐，深圳逍遙科技CTO

摘要

本文介绍了光电协同设计和协同仿真方法，集成了光电子和电子器件。伪随机二进制序列(PRBS)发生器电路为pSim中仿真的马赫曾德调制器(MZM)光子集成链路提供调制信号。利用pSim光电链路仿真器模拟光电链路并且由光电检测器件输出到基于28nm CMOS工艺设计的跨阻放大器(TIA)进行Spice电路仿真。该电子-光子-电子仿真流程使用行业标准模拟器在电子、光子和集成电路领域进行了系统级验证。

Keywords:  光电协同设计、光电链路仿真、TIA、Spice电路仿真。

引言

高速光通信系统的开发需要电子与光子之间的紧密集成和协同设计。本文描述了电子-光子-电子(EPE)协同设计和协同仿真工作流程，使用行业标准仿真器将电子信号生成电路连接到光电调制器和检测器。包含马赫曾德调制器的光电集成链路在pSim中进行仿真。pSim是基于Python和C++的光电链路仿真器，利用了广泛的科学计算库和并行处理功能。其核心架构由无源光子器件模型、有源光子器件模型和光电链路仿真引擎组成。pSim中的无源光子器件包括波导、耦合器、分光器、合光器和谐振器，使用散射矩阵对输入和输出光场进行建模。pSim的光电链路仿真引擎将光子器件连接成一个链路并模拟光在系统中的传播，利用GPU的并行处理进行大规模链路的快速仿真。

系统由Verilog-A中设计的伪随机二进制序列(PRBS)发生器电路、pSim中仿真的马赫曾德调制器(MZM)光电集成链路和跨阻放大器(TIA)电路组成。PRBS发生器为MZM提供调制电信号，以在光载波上对信号进行编码。从模拟的MZM光电链路的光电检测电流输出然后被TIA放大，我们基于28nm CMOS工艺设计TIA，使用标准28nm CMOS 的BSIM晶体管模型在Spice电路仿真器中设计和验证。

这项工作演示了一种将电子和光学领域的设计结合在一起的协同仿真方法，以验证从信号生成到检测的整个系统功能。使用Spice仿真器对Verilog-A PRBS发生器进行模拟。得到的电波形在电路模拟器中连接到MZM光子器件紧凑模型，实现电子和光学领域的时域协同仿真。TIA接收机电路使用Spice电路仿真器进行设计和优化。Spice可以仿真TIA电路带宽、相位余量、跨阻抗和高速光链路所需的噪声性能。RFSpice将分析扩展到高频度量如相位噪声。pSim光电链路的光电检测输出连接到Spice TIA电路，创建一个完整的协同仿真，包括Verilog-A行为模型、光电子器件和纳米CMOS集成电路。这种异构仿真功能实现了关键电子、光子和晶体管电路领域的全面系统级验证和优化。该工作流程演示了使用成熟的行业标准工具进行光电协同设计的有效方法。

仿真方法

本节介绍实现EPE协同设计工作流所需的建模和仿真方法。研究系统由生成PRBS信号的数字逻辑、包含光学调制器的光电集成电路和光电转换的跨阻放大器组成。如下所述，使用行业标准的EDA和光子仿真工具对这些子系统进行建模。使用Verilog-A设计PRBS模式发生器，并在Spice电路模拟器中对其进行仿真。Verilog-A允许在高层次对模拟电路行为进行建模。PRBS发生器的输出是一种伪随机电波形，用于调制光电集成链路中的光载波。

包含MZM和无源器件的光电集成链路在pSim中进行仿真。如前所述，pSim利用Python和C++库以及GPU并行处理来实现光子系统的快速准确仿真。MZM紧凑模型将电信号应用于调制两条干涉臂中的光传输。如波导、耦合器和分光器等无源光子器件可从pSim模型库获得。MZM和其他光子器件连接以形成调制和传输光信号的电路。跨阻放大器电子电路使用标准的Spice进行设计和仿真。TIA将来自pSim输出的光电检测电流转换为电压波形。基于Spice的电子电路设计流程允许优化带宽、增益、噪声和其他关键的TIA性能指标。

为连接子系统模型，PRBS Verilog-A发生器的输出连接到pSim中模拟的MZM光电链路的电输入端。pSim的光输出信号连接到光电检波器电路模型，为TIA输入生成电流源。这实现了基于专业仿真器的闭环协同仿真。自定义协同仿真接口和工作流程已被开发以自动化这种多工具验证方法。

结果

如前所述对PRBS发生器、MZM光电链路和TIA放大器进行了建模和仿真。附图显示了从Verilog-A模型生成的PRBS电波形。该波形作为调制信号施加到MZM光电链路上。图中还显示了pSim对由PRBS输入驱动的MZM光电链路模型进行仿真获得的眼图输出。眼图开口清晰，表明无误码操作。最后，图中TIA接收机电路的输出眼图是通过将MZM的光电检测输出电流施加到TIA电路获得的。放大的电波形与光学领域性能相匹配，显示出清晰的开口眼图。

这些结果证明了从PRBS发生器到TIA接收器的完整EPE链路的成功协同仿真。使用适当的EDA或光子仿真工具对每个子系统进行建模，并协同仿真以验证系统级性能。这种协作仿真方法实现了对集成光电子系统至关重要的多学科快速验证。

结论

本文说明了电子-光子-电子协同设计和协同仿真方法，集成了电子和光子系统器件。使用Spice和pSim和对PRBS发生器、光学调制器集成链路和跨阻放大器进行了仿真。连接子系统仿真实现了高速光链路的系统级验证。该工作流程基于专业的行业标准工具,提供了一种有效的协同设计策略。后续工作可以将该平台应用于先进调制格式、DSP算法和完整光通信系统的仿真。