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]。
0 {- H: a9 E0 v6 k% Q" r! {
0 `/ X) n6 B  s6 K' m! 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：
: c8 J/ H, h- D5 K1.定义仿真背景参数
2.定义链路结构实体化参数
& H' I' w% m7 r( I3.调用软件内置函数创建仿真环境
3 t* a& v' {8 r% w" W) L. D; R( A4.定义优化相关参数

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( p) p% u9 Q0 c
创建链路结构
4 g' }2 j1 |) H6 q6 C( B; s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
, v9 \# \" m) u& a$ Z& \! p2.创建分光结构
. @) B# h: V$ r  _" E- U3.生成级联微环谐振器
4.对上述器件设置位置
" N; z6 u; Y, [- i. g5.对上述器件参数进行初始化

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添加光路连接
生成主体链路器件后，对各器件的接口连接：
1.连接光网络分析仪输出接口作为输入光
2 t( n8 C, M. W, D2.利用迭代变量连接各分束器件
# d: B$ H0 o, V& h& n; R3.连接级联微环谐振器
( G# \* A& [0 O5 R& N3 Z" y+ P4.经滤波后光连接至光网络分析仪输入端口
2 l; j- x: x" s* }1 V

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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。

调用优化算法最小化目标函数
# g1 N' p: _, V. i/ r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
1 d4 B" l2 v0 H/ X2.根据设计原理创建目标函数
* q- U  [! Y- o. b. I# P9 y3.调用pSim Plus环境中安装的库
0 F2 \) H$ X8 Q" K4.利用算法使目标函数最小化
4 g- o% H( v  P" v7 K9 F/ t

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利用链路数据重建未知光谱
3 E% s% V9 t1 w( j9 ~/ A. q+ G2 n" V将优化得到的滤波曲线用于光谱重建：
& z9 a% Q. h1 ?+ h" I1.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

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1 X0 m% U& a5 w2 o- l: }

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图2：对未知光谱宽谱及窄带的重建。

( U7 |* v$ m1 U( g) `' z, \1 [结论
- }% A4 J) @5 J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。

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。

4 B+ P! u4 F& H9 F. l% w9 f  S, S参考文献
[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)

2 r' N, l: Q& G; _  m6 U  P% x+ j& AEND

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