Compact Modeling and Rapid Simulation of Silicon Photonic Micro-Disk and Ring Modulators
作者: Vishal Saxena, Md Jubayer Shawon
分类: eess.SY, physics.optics
发布日期: 2023-11-23
💡 一句话要点
提出紧凑模型以加速硅光微盘和环调制器的仿真
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 硅光子学 微盘调制器 微环调制器 紧凑模型 仿真技术 波长稳定 电光调制
📋 核心要点
- 现有的微盘和微环调制器模型在仿真速度和准确性上存在不足，难以满足快速设计需求。
- 论文提出了一种基于实验测量的紧凑模型，结合耦合微分方程与解析信号，显著提高仿真效率。
- 该模型实现了瞬态仿真时间的7倍提升，并能够同时支持微盘和微环调制器的建模，增强了应用灵活性。
📝 摘要（中文）
微盘或微环调制器（MDMs或MRMs）在活跃的硅光子学（SiP）铸造平台中实现紧凑的电光调制。这些共振调制器的一个关键优势是能够通过调谐和锁定MDMs/MRMs到密集波长分复用（DWDM）波长网格，从而实现光互连中的DWDM。对这些调制器的静态和瞬态动态进行紧凑建模对于与CMOS驱动器和波长稳定电路的共同仿真至关重要。本文首次提出了一种微盘调制器的紧凑模型，采用实验测量的新方法，允许快速且准确的仿真。该方法使用与解析信号相结合的耦合实值微分方程在Verilog-A中实现，相较于现有技术，瞬态仿真时间提高了7倍，同时增强了准确性。由于该模型是通用的，因此也可以对微环谐振器进行建模。该模型还包括带有嵌入式微加热器的MDM/MRM的热光调谐，这对于涉及共振波长稳定的仿真至关重要。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有微盘和微环调制器在仿真速度和准确性上的不足，现有方法在快速设计和波长稳定仿真中面临挑战。
核心思路：论文提出了一种新的紧凑模型，利用实验数据构建耦合的实值微分方程，结合解析信号进行建模，从而实现快速且准确的仿真。
技术框架：该模型的整体架构包括静态和瞬态动态的建模模块，采用Verilog-A进行实现，支持与CMOS驱动器和波长稳定电路的共同仿真。
关键创新：最重要的技术创新在于首次将实验测量与耦合微分方程相结合，显著提高了瞬态仿真速度，并增强了模型的准确性和通用性。
关键设计：模型设计中采用了热光调谐机制，集成了嵌入式微加热器，以支持对MDM/MRM的波长稳定仿真，确保了模型在实际应用中的有效性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的模型在瞬态仿真时间上实现了7倍的提升，相较于现有技术，准确性也得到了显著增强。这一进展为硅光子学领域的快速设计提供了新的可能性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括光通信、数据中心互连以及高性能计算等领域。通过提供快速且准确的调制器仿真，能够加速新型硅光子器件的设计与优化，推动相关技术的发展与应用。
📄 摘要（原文）
Microdisk or microring modulators (MDMs or MRMs) realize compact electro-optic modulation in active silicon photonics (SiP) foundry platforms. A key advantage of these resonant modulators is that they readily implement dense wavelength division multiplexing (DWDM) in optical interconnects by tuning and locking the MDMs/MRMs to the DWDM wavelength grid. Compact modeling of static and transient dynamics of these modulators is important for co-simulation with CMOS drivers and wavelength stabilization circuits. This work presents the first compact model for microdisk modulators with a novel approach that uses experimental measurements and allows rapid and accurate simulation. This approach employs coupled real-valued differential equations with analytic signals in Verilog-A, leading to a 7X speed up in transient simulation time over the current art while enhancing accuracy. Since the model is generalized, it can also model microring resonators in addition to MDMs. The model also includes thermo-optic tuning for MDM/MRM with an embedded microheater, which is essential for simulations involving resonant wavelength stabilization.