光子集成電路的建模改進

Synopsys 提供廣泛的光子仿真功能，涵蓋器件、電路和系統(tǒng)級設(shè)計。本文討論了 2022 年底和 2023 年初使用 Synopsys OptSim 精英產(chǎn)品對電路級光子仿真進行的建模改進。

首先，一些背景：與IC設(shè)計中使用的典型電信號相比，光子信號相當(dāng)復(fù)雜。光子信號可以以幅度、相位、偏振和空間模式傳輸信息。此外，使用多個波長的光將許多信號多路復(fù)用到一個公共波導(dǎo)上是很常見的。最后，對于光子IC（PIC）設(shè)計，還必須理解信號雙向性，因為PIC內(nèi)的反射非常常見，并且可能導(dǎo)致諧振和多徑干擾。這種復(fù)雜性轉(zhuǎn)化為光子域和電域的建模挑戰(zhàn)。

PIC中的光子器件是無源和有源元件。無源元件由介電材料制成，用于引導(dǎo)光線。光的傳播受介電材料的幾何形狀和類型的影響。

有源器件由半導(dǎo)體制成，以促進能量轉(zhuǎn)移。在激光器中，施加的電場產(chǎn)生自由光子，而在光電探測器中，入射光產(chǎn)生自由電子。在調(diào)制器和有源光子濾波器中，施加的電場會導(dǎo)致材料折射率發(fā)生變化，這也會影響光信號的相位和振幅。這種行為可能取決于波長、偏振和溫度，可用于調(diào)制光以及調(diào)整或選擇所需的波長。

Synopsys OptSim Elite 為電路級光子仿真提供了許多工具;以下是值得注意的新功能和建模改進。

支持基于分析方程的數(shù)據(jù)文件

無源光子器件（如陣列波導(dǎo)光柵 （AWG） 多路復(fù)用器、加、落減或加/插復(fù)用器）和組件的響應(yīng)函數(shù)通常使用波長和模式相關(guān)散射矩陣 （S 矩陣） 進行建模。設(shè)備上的所有端口都映射到矩陣的行和列。端口是雙向的，因此允許模型表示N'M端口設(shè)備，其中任何端口的激勵都可以促進任何其他端口的響應(yīng)，例如，在具有內(nèi)部反射的組件中都會發(fā)生。

Synopsys OptSim Elite 為這種雙向多端口光設(shè)備提供了一個基元模型。該模型的數(shù)據(jù)可以通過測量或理論設(shè)備級仿真進行實驗推導(dǎo)。該模型支持單?；蚨嗄?、單向或雙向以及偏振敏感或不敏感響應(yīng)。散射矩陣數(shù)據(jù)的組織在概念上如圖1所示。

圖 1：雙向、多模、無源、NxM 多端口光學(xué)器件的 S 矩陣數(shù)據(jù)

隨著端口數(shù)量的增加，由于輸入-輸出關(guān)系的數(shù)量增加，S 矩陣數(shù)據(jù)文件的大小也會增加。對于具有偏振串?dāng)_的寬帶、多模光學(xué)器件，文件大小可能會變得更大。為了克服數(shù)據(jù)文件非常大的潛在問題，Synopsys OptSim Elite 在 v2022.06 版本中增加了一個新選項來支持基于解析方程的 S 矩陣文件。選項參數(shù) FileType 在基于矩陣和分析方程的數(shù)據(jù)文件之間進行選擇。

圖 2 總結(jié)了“分析”選項。第二個參數(shù) FileName 指定一個文件，其中包含與波長相關(guān)的散射矩陣或一組用于計算矩陣的解析方程。

圖 2：基于分析方程的 S 矩陣數(shù)據(jù)的新選項

由此產(chǎn)生的新功能將文件大小減小了數(shù)量級，特別是對于高端口數(shù)設(shè)備。

活動組件增強功能

Synopsys OptSim Elite 最近為有源組件添加了模型升級：

支持電吸收調(diào)制器 （EAM） 模型中
基于方程和參數(shù)文件的電壓傳遞方程EAM是高速變送器的關(guān)鍵部件。除了對 EAM 分析建模的參數(shù)化支持外，新支持現(xiàn)在還增加了強大的功能，可通過 （i） 解析方程、（ii） 數(shù)據(jù)文件或 （iii） 多項式擬合來定制 EAM 的非線性調(diào)制響應(yīng)和啁啾因子，以匹配觀察到的行為。

新的光電探測器響應(yīng)度、噪聲和頻率響應(yīng)模型
將光電探測器的行為分解為功能塊，可以更輕松地創(chuàng)建定制的光電二極管響應(yīng)，以匹配實驗觀察到的行為。

新的 1×1 和 2×1 光表達(dá)信號算子模型
有時需要創(chuàng)建自定義模型行為。為了使這項工作更容易，Synopsys OptSim Elite 原語中添加了兩個新模型。這些基元允許模型開發(fā)人員編寫函數(shù)表達(dá)式，這些表達(dá)式對模型的光輸入信號和放大的自發(fā)發(fā)射 （ASE） 進行操作。新型號采用 1×1 和 2×1 輸入到輸出配置，可與其他 OptSim 基元組合在原理圖中，以便對更復(fù)雜的設(shè)備進行建模。

支持基于混合域EO協(xié)同仿真的PDK模型
此功能支持仿真基于代工廠PDK的PIC，這些PIC在原理圖中同時具有電氣和光子電路層次結(jié)構(gòu)?；旌嫌蚍抡媸褂肧ynopsys OptSim Elite進行光子電路仿真，使用Synopsys PrimeSim SPICE/HSPICE在同一仿真運行中進行電路仿真。

EO協(xié)同仿真
中的新多通道支持這一新功能允許仿真代工廠基于PDK的電子光子電路，該電路由支持多波長光信號的PDK模型組成。當(dāng) Synopsys OptSim Elite 使用多通道 Verilog-A 模型與 Synopsys PrimeSim SPICE 協(xié)同仿真時，此功能特別有用。

新增了對查找激光模型的電流超出范圍警告的支持 當(dāng)物理參數(shù)未知但測量可用時，行為模型
非常有用。查找激光模型是一種行為激光模型，其中 LI 曲線在參數(shù)文件中提供。參數(shù)是波長和溫度，它們控制工作點。輸入電流使用參數(shù)文件查找映射到輸出光信號。在仿真過程中，如果輸入電流高于或低于數(shù)據(jù)文件中的范圍，模型將生成警告，提醒設(shè)計人員超出范圍。

總之，在過去的兩個版本中，Synopsys OptSim Elite 增加了多項新的建模改進，用于包含電子和光子無源和有源元件以及代工 PDK 的光子電路的 E-O 協(xié)同設(shè)計。這些改進以客戶為導(dǎo)向，所有 Synopsys OptSim Elite 用戶都可以利用。

審核編輯：郭婷