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

首先，一些背景：與IC設計中使用的典型電信號相比，光子信號相當復雜。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用到一個公共波導上是很常見的。最后，對于光子IC（PIC）設計，還必須理解信號雙向性，因為PIC內的反射非常常見，并且可能導致諧振和多徑干擾。這種復雜性轉化為光子域和電域的建模挑戰。

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。

有源器件由半導體制成，以促進能量轉移。在激光器中，施加的電場產生自由光子，而在光電探測器中，入射光產生自由電子。在調制器和有源光子濾波器中，施加的電場會導致材料折射率發生變化，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，可用于調制光以及調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據文件

無源光子器件（如陣列波導光柵 （AWG） 多路復用器、加、落減或加/插復用器）和組件的響應函數通常使用波長和模式相關散射矩陣 （S 矩陣） 進行建模。設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端口設備，其中任何端口的激勵都可以促進任何其他端口的響應，例如，在具有內部反射的組件中都會發生。

Synopsys OptSim Elite 為這種雙向多端口光設備提供了一個基元模型。該模型的數據可以通過測量或理論設備級仿真進行實驗推導。該模型支持單模或多模、單向或雙向以及偏振敏感或不敏感響應。散射矩陣數據的組織在概念上如圖1所示。

圖 1：雙向、多模、無源、NxM 多端口光學器件的 S 矩陣數據

隨著端口數量的增加，由于輸入-輸出關系的數量增加，S 矩陣數據文件的大小也會增加。對于具有偏振串擾的寬帶、多模光學器件，文件大小可能會變得更大。為了克服數據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 FileType 在基于矩陣和分析方程的數據文件之間進行選擇。

圖 2 總結了“分析”選項。第二個參數 FileName 指定一個文件，其中包含與波長相關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 矩陣數據的新選項

由此產生的新功能將文件大小減小了數量級，特別是對于高端口數設備。

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：

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

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

新的 1×1 和 2×1 光表達信號算子模型
有時需要創建自定義模型行為。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人員編寫函數表達式，這些表達式對模型的光輸入信號和放大的自發發射 （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，以便對更復雜的設備進行建模。

支持基于混合域EO協同仿真的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構。混合域仿真使用Synopsys 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 Synopsys OptSim Elite 使用多通道 Verilog-A 模型與 Synopsys PrimeSim SPICE 協同仿真時，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 當物理參數未知但測量可用時，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 曲線在參數文件中提供。參數是波長和溫度，它們控制工作點。輸入電流使用參數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據文件中的范圍，模型將生成警告，提醒設計人員超出范圍。

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 協同設計。這些改進以客戶為導向，所有 Synopsys OptSim Elite 用戶都可以利用。

審核編輯：郭婷