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
% s, X# H3 @5 |' Y9 K/ kpSim 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]。
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8 [5 _+ n) V% q! l2 G' Y初始化链路参数及环境
8 c) q, K* i: l% o8 ?8 @) |第一步涉及在pSim Plus中初始化链路参数及环境：
1.定义仿真背景参数
2.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
4.定义优化相关参数

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, W+ K5 F* v3 v  d8 @创建链路结构
0 |, q" Z; o& n) U在完成链路参数及环境的初始化后，创建主体链路：
, w2 e2 V8 _. s7 o5 Z1.创建光网络分析仪
2.创建分光结构
3.生成级联微环谐振器
4 d6 N. s( ], H: u. r4 M( {* b4 d# H4.对上述器件设置位置
& ^2 ?- Q% ]  y- i5.对上述器件参数进行初始化

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添加光路连接
9 F* B1 e, ]( }9 m4 Y0 q$ X生成主体链路器件后，对各器件的接口连接：
- O) N# T! t7 [% o  z1.连接光网络分析仪输出接口作为输入光
2.利用迭代变量连接各分束器件
3.连接级联微环谐振器
+ [# n0 N$ u6 F* B: e* W' E4.经滤波后光连接至光网络分析仪输入端口

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: H4 r, A8 b" j6 a- {+ G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。

( H" b0 ]: E4 C& ?调用优化算法最小化目标函数
读取数据，调用算法进行目标函数优化：
; Y! }: n: p- g9 D1.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
- [7 p. y. a) m3.调用pSim Plus环境中安装的库
4.利用算法使目标函数最小化

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7 G  |- |8 ?8 [  y, h
利用链路数据重建未知光谱
0 D$ Q& q5 K; u/ P  S将优化得到的滤波曲线用于光谱重建：
4 A7 R9 F- ~" F9 q3 J1.创建新链路用于得到未知光谱
- z4 Y  R. l4 o! [$ A2.读取链路滤波曲线数据作为采样矩阵
$ |1 C8 A' i+ j4 z7 J9 B3.利用cvxpy库进行光谱重建
) z2 R" v# i, D2 B/ T

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图2：对未知光谱宽谱及窄带的重建。

结论
1 j: a8 n/ ]4 O* P7 B% ~0 z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。
9 y1 ?! h9 ~& U# \: `
& {* y  O# i7 a/ z0 l6 d1 c; @3 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。

5 N# U/ M" R% ?% W. |, S" K6 B参考文献
' l$ C/ {  L/ {( ?) {0 H6 a. p. \. j[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)

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