光子集成电路的建模改进

Synopsys 提供广泛的光子仿真功能，涵盖器件、电路和系统级设计。本文讨论了 2022 年底和 2023 年初使用 Synopsys OptSim 精英产品对电路级光子仿真进行的建模改进。

首先，一些背景：与IC设计中使用的典型电信号相比，光子信号相当复杂。光子信号可以以幅度、相位、偏振和空间模式传输信息。此外，使用多个波长的光将许多信号多路复用到一个公共波导上是很常见的。最后，对于光子IC（PIC）设计，还必须理解信号双向性，因为PIC内的反射非常常见，并且可能导致谐振和多径干扰。这种复杂性转化为光子域和电域的建模挑战。

PIC中的光子器件是无源和有源元件。无源元件由介电材料制成，用于引导光线。光的传播受介电材料的几何形状和类型的影响。

有源器件由半导体制成，以促进能量转移。在激光器中，施加的电场产生自由光子，而在光电探测器中，入射光产生自由电子。在调制器和有源光子滤波器中，施加的电场会导致材料折射率发生变化，这也会影响光信号的相位和振幅。这种行为可能取决于波长、偏振和温度，可用于调制光以及调整或选择所需的波长。

Synopsys OptSim Elite 为电路级光子仿真提供了许多工具;以下是值得注意的新功能和建模改进。

支持基于分析方程的数据文件

无源光子器件（如阵列波导光栅 （AWG） 多路复用器、加、落减或加/插复用器）和组件的响应函数通常使用波长和模式相关散射矩阵 （S 矩阵） 进行建模。设备上的所有端口都映射到矩阵的行和列。端口是双向的，因此允许模型表示N'M端口设备，其中任何端口的激励都可以促进任何其他端口的响应，例如，在具有内部反射的组件中都会发生。

Synopsys OptSim Elite 为这种双向多端口光设备提供了一个基元模型。该模型的数据可以通过测量或理论设备级仿真进行实验推导。该模型支持单模或多模、单向或双向以及偏振敏感或不敏感响应。散射矩阵数据的组织在概念上如图1所示。

图 1：双向、多模、无源、NxM 多端口光学器件的 S 矩阵数据

随着端口数量的增加，由于输入-输出关系的数量增加，S 矩阵数据文件的大小也会增加。对于具有偏振串扰的宽带、多模光学器件，文件大小可能会变得更大。为了克服数据文件非常大的潜在问题，Synopsys OptSim Elite 在 v2022.06 版本中增加了一个新选项来支持基于解析方程的 S 矩阵文件。选项参数 FileType 在基于矩阵和分析方程的数据文件之间进行选择。

图 2 总结了“分析”选项。第二个参数 FileName 指定一个文件，其中包含与波长相关的散射矩阵或一组用于计算矩阵的解析方程。

图 2：基于分析方程的 S 矩阵数据的新选项

由此产生的新功能将文件大小减小了数量级，特别是对于高端口数设备。

活动组件增强功能

Synopsys OptSim Elite 最近为有源组件添加了模型升级：

支持电吸收调制器 （EAM） 模型中
基于方程和参数文件的电压传递方程EAM是高速变送器的关键部件。除了对 EAM 分析建模的参数化支持外，新支持现在还增加了强大的功能，可通过 （i） 解析方程、（ii） 数据文件或 （iii） 多项式拟合来定制 EAM 的非线性调制响应和啁啾因子，以匹配观察到的行为。

新的光电探测器响应度、噪声和频率响应模型
将光电探测器的行为分解为功能块，可以更轻松地创建定制的光电二极管响应，以匹配实验观察到的行为。

新的 1×1 和 2×1 光表达信号算子模型
有时需要创建自定义模型行为。为了使这项工作更容易，Synopsys OptSim Elite 原语中添加了两个新模型。这些基元允许模型开发人员编写函数表达式，这些表达式对模型的光输入信号和放大的自发发射 （ASE） 进行操作。新型号采用 1×1 和 2×1 输入到输出配置，可与其他 OptSim 基元组合在原理图中，以便对更复杂的设备进行建模。

支持基于混合域EO协同仿真的PDK模型
此功能支持仿真基于代工厂PDK的PIC，这些PIC在原理图中同时具有电气和光子电路层次结构。混合域仿真使用Synopsys OptSim Elite进行光子电路仿真，使用Synopsys PrimeSim SPICE/HSPICE在同一仿真运行中进行电路仿真。

EO协同仿真
中的新多通道支持这一新功能允许仿真代工厂基于PDK的电子光子电路，该电路由支持多波长光信号的PDK模型组成。当 Synopsys OptSim Elite 使用多通道 Verilog-A 模型与 Synopsys PrimeSim SPICE 协同仿真时，此功能特别有用。

新增了对查找激光模型的电流超出范围警告的支持 当物理参数未知但测量可用时，行为模型
非常有用。查找激光模型是一种行为激光模型，其中 LI 曲线在参数文件中提供。参数是波长和温度，它们控制工作点。输入电流使用参数文件查找映射到输出光信号。在仿真过程中，如果输入电流高于或低于数据文件中的范围，模型将生成警告，提醒设计人员超出范围。

总之，在过去的两个版本中，Synopsys OptSim Elite 增加了多项新的建模改进，用于包含电子和光子无源和有源元件以及代工 PDK 的光子电路的 E-O 协同设计。这些改进以客户为导向，所有 Synopsys OptSim Elite 用户都可以利用。

审核编辑：郭婷