應用分享 | 數據中心光互聯的光子集成電路（PIC）建模與優(yōu)化

     在AI、機器學習、云計算等技術驅動下，全球數據流量呈指數級增長。數據中心網絡面臨雙重挑戰(zhàn)：一方面需提升傳輸速率以滿足帶寬需求，另一方面需在能效與成本之間尋求最優(yōu)平衡。麥肯錫預計，到2030年全球數據中心電力需求將較2023年增長3到6倍，這對網絡架構設計提出了更高要求。

     隨著數據中心網絡架構愈發(fā)復雜，互聯需求正呈現出明顯的層級化特點：跨園區(qū)互聯，覆蓋范圍從數百至數千公里；園區(qū)內互聯，通常限于幾公里內的短距連接；數據中心內部互聯，包括骨干交換機與葉子交換機的高速組網，以及機架內服務器間的本地連接。不同場景下的連接需求在距離、帶寬、成本與功耗上差異顯著，需要定制化互聯解決方案。

光互聯技術路徑對比

     相干光互聯：適用于遠距離傳輸，采用高階調制方案，結合WDM技術提升頻譜利用率。但因系統復雜、需配備DSP，整體成本相對較高。

強度調制-直接檢測（IM-DD）：面向中短距連接，方案相對簡單、性價比高。隨著傳輸速率要求的持續(xù)提升，業(yè)界正密切關注相干技術向數據中心內部延伸的可能性。

     銅互聯：用于短距離連接，雖成本低、易部署，但隨著速率提升，其傳輸距離和能效限制日益突出，正逐步被光互聯取代。

光子集成電路（PIC）的作用

     隨著光互聯成為數據中心主流技術，光子集成電路（Photonic Integrated Circuits, PIC）的引入顯著提升了互聯系統的性能和集成度。

典型應用如電吸收調制激光器（EML）將DFB激光器與EA調制器單片集成，或在CPO（共封裝光學）方案中將光引擎直接與交換芯片共封裝，實現更低功耗和更緊密的集成。在AI訓練集群中，PIC可實現多個GPU之間的高速互聯，大幅提升模型訓練效率。例如Intel的OCI chiplet就展示了將PIC直接貼近處理核心的高效方案。

     PIC相較于傳統分立器件，提供了更高的帶寬密度、更低的能耗和更強的可擴展性，成為推動數據中心向更高速、更節(jié)能方向演進的關鍵力量。

PIC設計與優(yōu)化面臨的挑戰(zhàn)

     盡管PIC前景廣闊，其在實際系統中的設計與集成仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

     設計流程割裂：傳統PIC設計和系統級仿真通常由不同團隊完成，導致模型交接頻繁，溝通成本高。

     模型兼容問題：器件級模型嵌入系統仿真后常出現性能偏差，需反復調試，延長項目周期。

     系統級影響難預估：某些關鍵器件如微環(huán)調制器，其在系統層面可能引起性能下降，需要全面、協同的優(yōu)化方法。

VPIphotonics光子設計與仿真平臺

     為應對上述挑戰(zhàn)，VPIphotonics提供了完整的光子設計與仿真平臺——VPIphotonics Design Suite，將器件級建模與系統級仿真無縫集成，顯著提升協作效率和設計質量。

     VPIphotonics擁有超過25年的光子設計自動化經驗，產品涵蓋從光波導和光纖的物理器件仿真，到光子集成電路的組件設計，再到完整的光互聯系統傳輸設計，甚至包括光纖網絡的規(guī)劃和優(yōu)化，所有工具可以無縫集成，構建完整的光子設計流程。下面的仿真案例主要利用其中兩個核心工具：

     VPI TransmissionMaker Optical Systems：用于設計和仿真完整的光通信系統，可用于短距離光互聯，支持超長距的DWDM系統、RoF等多種應用場景，可模擬單模和多模光纖，探索各種編碼和調制方案，分析DSP算法、補償技術、均衡策略等。提供靈活的分析工具，生成眼圖、星座圖并評估誤碼率（BER）、TDECQ、消光比等關鍵性能指標。

     VPI ComponentMaker Photonic Circuits：適用于更小時間和空間尺度上的組件建模，偏向物理建模，支持有源元件、信號處理組件和無源電路。材料無關性，支持混合集成（Hybrid PIC）設計，可進行設計探索、容差分析、參數調優(yōu)和優(yōu)化。軟件包含光子傳輸線激光模型（TLLM），示例中展示的是一個可調諧的混合III-V/Si激光器，可準確模擬放大器（如SOA）與環(huán)形諧振腔之間的交互，支持模擬各種非理想效應，如反射、雙光子吸收、載流子動力學、四波混頻（FWM）等非線性效應。此外，軟件還支持不同代工廠的PDK，同時提供自定義PDK框架，可加密模型以保護知識產權，并與他人或客戶分享。

仿真案例分享與技術驗證

     在由PIC Magazine主辦的研討會上，VPIphotonics專家Eugene Sokolov和Nebras Deb詳細介紹了兩個典型的仿真案例：

IMDD | 800G PAM-4 DWDM System仿真案例

     工程師首先構建了一個基于PAM-4的DWDM系統，采用4 通道架構，每通道速率為 53 GBaud，通道間隔為200GHz，總速率為400Gbps。系統工作于O波段，傳輸距離為2公里。關鍵光子器件——硅基微環(huán)調制器與環(huán)形諧振腔濾波器，由光子元件庫中可自定義的模型實現。初步仿真結果（包括眼圖、TDECQ與 SER）表明系統性能良好。

     基于已有結構，工程師通過自動化腳本擴展系統規(guī)模至8通道，總速率提升至800Gbps。然而，擴展仿真結果暴露出性能瓶頸：第7和第8通道性能明顯下降，需深入分析關鍵器件光學行為以定位問題。

     為定位問題根因，工程師利用集成測試工具對微環(huán)調制器進行參數掃描，尤其關注其隨反向偏置電壓變化的傳輸函數響應。結果顯示，微環(huán)的自由光譜范圍（FSR）不足，無法容納8個200GHz間隔信道，導致部分通道落入非理想調制區(qū)間，引發(fā)信號失真。為此，工程師采用以下調優(yōu)方案：首先通過縮小微環(huán)半徑來增大FSR，以容納所需信道數量；重調激光源頻率與相位，修正環(huán)徑變化引發(fā)的共振漂移；調整衰減量以實現目標消光比；最后，通過施加微小的相位偏移使調制器稍微偏離共振點。

     在完成調制器調優(yōu)后，對環(huán)形諧振腔濾波器同步進行優(yōu)化，實現目標的平頂通帶響應，并對每個微環(huán)進行精確頻率與相位調諧，確保各通道濾波窗口精確匹配目標信道。

     優(yōu)化完成后，所有參數通過模型庫與自動化腳本同步回系統仿真環(huán)境。最終進行系統級仿真，最終仿真結果表明，所有信道的眼圖明顯開闊，TDECQ顯著降低，SER恢復至設計目標范圍內，系統穩(wěn)定實現800Gbps高速傳輸，驗證了物理建模與系統聯調的協同優(yōu)化能力。

     Coherent | 2 Tbps 32-QAM DWDM System仿真案例

     數據中心互聯的傳輸距離可從幾百米到幾十公里甚至更遠，因此系統設計需具備適應不同傳輸距離的能力。在高階調制與相干檢測支持下，系統可在速率與距離之間實現靈活折中：低階調制適合長距離傳輸，而高階調制可用于短距離高吞吐。

     本案例構建了一個2Tbps的相干DWDM系統。采用光頻梳產生8個光載波，信道間隔75GHz，工作于O波段。每個信道通過TFLN調制器進行32-QAM調制，波特率為56Gbaud，初始傳輸距離設定為500米。接收端采用典型的相干接收架構，包含基于MMI的90°混頻器、本振（LO）、平衡探測器、ADC等模塊。解調鏈路結合完整DSP流程，涵蓋 IQ 不平衡校正、時鐘恢復、時域均衡（TDE）以及載波頻率/相位恢復（CFR/CPR）等模塊。

     鑒于數據中心對空間與功耗的嚴格約束，關鍵組件（如光頻梳、調制器、90°混頻器等）均集成在光子芯片上，采用光子集成技術。相干接收器中的90°混頻器采用MMI結構實現。其原理通過將輸入信號與本振信號引入多模波導，并利用模式干涉效應在多個輸出端產生精確的相位差（0°，180°，+90°，-90°），從而實現I/Q分量的分離。軟件提供物理建模與理想建模兩種模式：理想模型忽略頻率依賴性，而物理模型則考慮頻率變化的影響。結果表明，MMI模塊能精確生成所需的四路相位差。

     調制器基于TFLN平臺，由兩個MZM組成。光路中引入MMI分光與合光器件，并采用行波電極（G-S-G）結構，確保電信號和光信號沿著波導和電極以相似的速度傳播，這對實現高速調制至關重要。通過研究電學和光學的群折射率參數評估速度失配的影響，通過電學模型計算沿波導的電壓，考慮到光學調制部分的實際位置和變化。該系統支持兩種電極模型：理想模型和基于S參數的物理模型。在測試過程中，工程師通過模擬不同電壓偏置和調制頻率，研究電極和光學組件對調制響應的影響。

     在系統級別，工程師通過將光子組件（如調制器和90°混頻器）集成到系統中，進行一系列測試。通過四個具體測試案例（背靠背傳輸有無光纖、不同調制格式、TDE 開關狀態(tài)等）分析得出，在理想組件下，光譜清晰，星座圖良好。使用物理模型后，由于非理想性（如電極不匹配、信號畸變），調制性能和誤碼表現顯著下降。啟用TDE后能有效補償這些物理缺陷，顯著提高系統性能。之后，通過調整調制格式（切換到16-QAM），測試不同調制階數對系統性能和傳輸距離的影響。16-QAM格式在較長距離（如10公里）下的性能表現更好，而32-QAM則在較短距離內提供更高的比特率。通過比較不同測試條件下的結果（如頻譜、星座圖、信道誤碼率），工程師能夠評估調制格式、光學組件和DSP技術對系統性能的影響。

     VPIphotonics Design Suite通過組件級建模、系統級仿真和參數優(yōu)化，為數據中心光互聯系統提供了一體化解決方案。隨著技術發(fā)展，該平臺將在更高帶寬、更長傳輸距離和更低功耗方面發(fā)揮重要作用，助力數據中心光互聯的未來創(chuàng)新。