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引言

随着对更强计算能力的需求日益增长，需要在降低成本的同时增加互联带宽。PAM4(4级脉冲幅度调制)是数据通信中使用较多的调制格式之一。PAM4将两比特信息编码为四个强度电平(00，01，10或11)，因此与NRZ(非回到零)相比，每个时钟周期可传输信息量增加一倍，后者每个符号只传输1比特(0或1)。这使工程师能够使用更低成本的组件，同时与传统NRZ调制相比，传输信息量增加一倍。

相比NRZ和PAM，还有其他调制方案，如相干调制，可在更长距离上传输更多信息，但发送器和接收器设计变得复杂，增加了系统成本。由于PAM4是一种强度调制方法，直接检测接收器可以检测接收的PAM4信号，而不会增加相干接收器的复杂性和延迟。因此，PAM4在高速光互联应用(如PCIe6 [1])中得到了极大的关注。

NRZ发送器设计中两个最常见的性能指标是消光比和最大色散下的发送器色散损耗(TDP)。在PAM4发送器中，相当的量是光调制幅度(OMA)和四元发送器色散眼闭合损耗(TDECQ)[2]。

pSim光电链路仿真工具是PIC Studio工具链的一部分，使工程师能够快速准确地生成和验证复杂的光电芯片设计。pSim为光电芯片链路设计提供了一个熟悉的设计自动化环境，具有先进的功能，如使用pSim的光学和电学求解器进行电光联合仿真。该平台提高了结果的质量,并减少了人为错误，快速准确地预测电光系统的性能。设计人员还可以通过使用pSim成熟的光子IP设计库来优化光电链路性能。

链路搭建说明

要使用pSim进行PAM4 光电芯片仿真，工程师可以遵循以下步骤:

链路理论﹑工作原理和各器件参数设置请详见Whoscored中文官网的教程课件：”SiPh IC Design with pSim”或是中文版：”硅基光电子芯片设计-使用 pSim”。pSim提供了一个直观的图形用户界面,呈现可视化光电链路拓扑，用于生成眼图、频谱、波形等重要的性能指标。pSim还与 PhotoCAD版图工具结合提供强大的后仿真分析功能,图一所示是直观的图形用户界面中，使用pSim 仿真器进行PAM-4信号驱动的行波马曾调制器模拟结果： 

图一. 使用pSim 仿真器进行PAM-4信号驱动的行波马曾调制器模拟结果

图一中的眼图显示PAM4信号有一个开放清晰的眼图,表示信号质量良好。随着pSim的发展，像TDECQ这样的高级分析功能将被添加以实现对PAM4发送器的更深入性能表征。

总结

pSim提供了一个强大而易用的光电芯片链路仿真环境，用于设计和分析高速光互联。其中的联合仿真能力、广泛的器件库以及与成熟工艺设计套件的集成，使pSim非常适合当今复杂的PIC设计。作为一个成熟的商业工具，pSim能提高工程师的工作效率和设计质量。

参考文献

[1] Dana Neustadter, Gary Ruggles, and Priyank Shukla, “What is new in PCIe 6.0 Specification: Bandwidth and Security,” What’s New in the PCIe 6.0 Specification: Bandwidth & Security | Synopsys Blog, April 26, 2022.

[2] Jonathan King, “TDEC for PAM4 (TDECQ) – Changes to clause 123, to replace TDP with TDECQ, rev 1a,” TDEC for PAM4 (‘TDECQ’) (ieee.org), May 26, 2016