案例分享 | 使用pSim Plus实现基于多通道级联硅微环谐振器的计算光谱仪

逍遥设计自动化

【引言：了解设计目标
pSim Plus为复杂光电子集成链路设计提供了便捷的实现平台。本文重点介绍如何利用pSim Plus中的单元结构及内置函数，构建基于多通道级联硅微环谐振器的链路设计，并通过算法优化实现计算光谱仪。本示例利用的结构，来自北京邮电大学集成电路学院近期发表在Optics Letters的工作[1]。
4 a2 ~5 }3 v) f5 Q3 Y! d2 E0 j
) f1 Y& A( Z6 I. x6 y' D初始化链路参数及环境
第一步涉及在pSim Plus中初始化链路参数及环境：
  B2 |2 g: z( Z) b  j1.定义仿真背景参数
! p2 y# ]5 s4 x) H( b2.定义链路结构实体化参数
3.调用软件内置函数创建仿真环境
1 ~* u4 R; T3 d' y) U4.定义优化相关参数

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1 C! |4 u$ C) ]* G8 I) F
创建链路结构
在完成链路参数及环境的初始化后，创建主体链路：
1.创建光网络分析仪
2.创建分光结构
8 k" M. [* z# J( V8 c3.生成级联微环谐振器
  N$ a3 i" S# [* O  q! F6 ~! E# b; y5 p  B, v4.对上述器件设置位置
7 {; J) g* T, j/ b( d- ^5.对上述器件参数进行初始化
( M4 G3 J# Q: w

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添加光路连接
1 a3 o- B: d) G$ m+ T* |生成主体链路器件后，对各器件的接口连接：
( x# ]2 |% D4 C& F* l1 Y; P: E) Z1.连接光网络分析仪输出接口作为输入光
; V6 z; W4 q" s$ v2.利用迭代变量连接各分束器件
% M% N' B* B( v3.连接级联微环谐振器
4.经滤波后光连接至光网络分析仪输入端口

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3 o9 c& ]% O; D2 J+ M  I) K  {9 |图1：连接后的整体链路，包括光网络分析仪、分光及滤波器件。
  S. Q2 m- L0 q% l' [
- m* q# ~* i. h" X' }调用优化算法最小化目标函数
0 m/ u0 J: R( z: s! A& \) E读取数据，调用算法进行目标函数优化：
1.读取光网络分析仪得到数据
2.根据设计原理创建目标函数
) O* V8 [2 Q8 f7 |$ D3.调用pSim Plus环境中安装的库
4.利用算法使目标函数最小化
0 d6 o" E7 b9 m  Z1 E

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" @; e! ^& B- U# R% ~

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( m' b/ y$ |! z3 B& f$ J4 `/ M
利用链路数据重建未知光谱
将优化得到的滤波曲线用于光谱重建：
) p, b9 J. {4 h1.创建新链路用于得到未知光谱
2.读取链路滤波曲线数据作为采样矩阵
3.利用cvxpy库进行光谱重建
0 j# Q$ h" T# Q

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% {* n- g1 V% N" c7 L4 N( |

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( c+ Y8 r7 P- U3 p! F3 c0 [/ o/ L/ T

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图2：对未知光谱宽谱及窄带的重建。

结论
本文展示了使用pSim Plus实现基于多通道级联硅微环谐振器的计算光谱仪的系统方法。通过实现这些步骤并充分利用pSim Plus内置器件及功能，设计者可以高效地设计目标链路。
5 j8 ?4 _& m, N1 y2 H
: c$ [5 n1 q  {2 m7 Y3 Q这种实现方法展示了pSim Plus在处理复杂链路设计的能力。软件的python环境不仅可以让我们调用不同的算法对目标进行优化，而且可以使用很多工具使链路设计实现一体化。本案例使用的pSim Plus版本为1.1.1。需要本案例的用户，欢迎通过问答平台（https://www.xyda.cc/#/）索取。
" Z( U, A* a5 P4 H2 E6 ~$ R4 v
参考文献
7 X" {  T7 R' N  `[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)

END
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