應(yīng)用分享 | 數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)的光子集成電路（PIC）建模與優(yōu)化

     在AI、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，全球數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(yù)計(jì)，到2030年全球數(shù)據(jù)中心電力需求將較2023年增長(zhǎng)3到6倍，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。

     隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，互聯(lián)需求正呈現(xiàn)出明顯的層級(jí)化特點(diǎn)：跨園區(qū)互聯(lián)，覆蓋范圍從數(shù)百至數(shù)千公里；園區(qū)內(nèi)互聯(lián)，通常限于幾公里內(nèi)的短距連接；數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)，包括骨干交換機(jī)與葉子交換機(jī)的高速組網(wǎng)，以及機(jī)架內(nèi)服務(wù)器間的本地連接。不同場(chǎng)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(lián)解決方案。

光互聯(lián)技術(shù)路徑對(duì)比

     相干光互聯(lián)：適用于遠(yuǎn)距離傳輸，采用高階調(diào)制方案，結(jié)合WDM技術(shù)提升頻譜利用率。但因系統(tǒng)復(fù)雜、需配備DSP，整體成本相對(duì)較高。

強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD）：面向中短距連接，方案相對(duì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。隨著傳輸速率要求的持續(xù)提升，業(yè)界正密切關(guān)注相干技術(shù)向數(shù)據(jù)中心內(nèi)部延伸的可能性。

     銅互聯(lián)：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(lián)取代。

光子集成電路（PIC）的作用

     隨著光互聯(lián)成為數(shù)據(jù)中心主流技術(shù)，光子集成電路（Photonic Integrated Circuits, PIC）的引入顯著提升了互聯(lián)系統(tǒng)的性能和集成度。

典型應(yīng)用如電吸收調(diào)制激光器（EML）將DFB激光器與EA調(diào)制器單片集成，或在CPO（共封裝光學(xué)）方案中將光引擎直接與交換芯片共封裝，實(shí)現(xiàn)更低功耗和更緊密的集成。在AI訓(xùn)練集群中，PIC可實(shí)現(xiàn)多個(gè)GPU之間的高速互聯(lián)，大幅提升模型訓(xùn)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(tǒng)分立器件，提供了更高的帶寬密度、更低的能耗和更強(qiáng)的可擴(kuò)展性，成為推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向更高速、更節(jié)能方向演進(jìn)的關(guān)鍵力量。

PIC設(shè)計(jì)與優(yōu)化面臨的挑戰(zhàn)

     盡管PIC前景廣闊，其在實(shí)際系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與集成仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

     設(shè)計(jì)流程割裂：傳統(tǒng)PIC設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)仿真通常由不同團(tuán)隊(duì)完成，導(dǎo)致模型交接頻繁，溝通成本高。

     模型兼容問(wèn)題：器件級(jí)模型嵌入系統(tǒng)仿真后常出現(xiàn)性能偏差，需反復(fù)調(diào)試，延長(zhǎng)項(xiàng)目周期。

     系統(tǒng)級(jí)影響難預(yù)估：某些關(guān)鍵器件如微環(huán)調(diào)制器，其在系統(tǒng)層面可能引起性能下降，需要全面、協(xié)同的優(yōu)化方法。

VPIphotonics光子設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)

     為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，VPIphotonics提供了完整的光子設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)——VPIphotonics Design Suite，將器件級(jí)建模與系統(tǒng)級(jí)仿真無(wú)縫集成，顯著提升協(xié)作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

     VPIphotonics擁有超過(guò)25年的光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品涵蓋從光波導(dǎo)和光纖的物理器件仿真，到光子集成電路的組件設(shè)計(jì)，再到完整的光互聯(lián)系統(tǒng)傳輸設(shè)計(jì)，甚至包括光纖網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化，所有工具可以無(wú)縫集成，構(gòu)建完整的光子設(shè)計(jì)流程。下面的仿真案例主要利用其中兩個(gè)核心工具：

     VPI TransmissionMaker Optical Systems：用于設(shè)計(jì)和仿真完整的光通信系統(tǒng)，可用于短距離光互聯(lián)，支持超長(zhǎng)距的DWDM系統(tǒng)、RoF等多種應(yīng)用場(chǎng)景，可模擬單模和多模光纖，探索各種編碼和調(diào)制方案，分析DSP算法、補(bǔ)償技術(shù)、均衡策略等。提供靈活的分析工具，生成眼圖、星座圖并評(píng)估誤碼率（BER）、TDECQ、消光比等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

     VPI ComponentMaker Photonic Circuits：適用于更小時(shí)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(hào)處理組件和無(wú)源電路。材料無(wú)關(guān)性，支持混合集成（Hybrid PIC）設(shè)計(jì)，可進(jìn)行設(shè)計(jì)探索、容差分析、參數(shù)調(diào)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(gè)可調(diào)諧的混合III-V/Si激光器，可準(zhǔn)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(yīng)，如反射、雙光子吸收、載流子動(dòng)力學(xué)、四波混頻（FWM）等非線性效應(yīng)。此外，軟件還支持不同代工廠的PDK，同時(shí)提供自定義PDK框架，可加密模型以保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并與他人或客戶分享。

仿真案例分享與技術(shù)驗(yàn)證

     在由PIC Magazine主辦的研討會(huì)上，VPIphotonics專家Eugene Sokolov和Nebras Deb詳細(xì)介紹了兩個(gè)典型的仿真案例：

IMDD | 800G PAM-4 DWDM System仿真案例

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

     基于已有結(jié)構(gòu)，工程師通過(guò)自動(dòng)化腳本擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模至8通道，總速率提升至800Gbps。然而，擴(kuò)展仿真結(jié)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(guān)鍵器件光學(xué)行為以定位問(wèn)題。

     為定位問(wèn)題根因，工程師利用集成測(cè)試工具對(duì)微環(huán)調(diào)制器進(jìn)行參數(shù)掃描，尤其關(guān)注其隨反向偏置電壓變化的傳輸函數(shù)響應(yīng)。結(jié)果顯示，微環(huán)的自由光譜范圍（FSR）不足，無(wú)法容納8個(gè)200GHz間隔信道，導(dǎo)致部分通道落入非理想調(diào)制區(qū)間，引發(fā)信號(hào)失真。為此，工程師采用以下調(diào)優(yōu)方案：首先通過(guò)縮小微環(huán)半徑來(lái)增大FSR，以容納所需信道數(shù)量；重調(diào)激光源頻率與相位，修正環(huán)徑變化引發(fā)的共振漂移；調(diào)整衰減量以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)消光比；最后，通過(guò)施加微小的相位偏移使調(diào)制器稍微偏離共振點(diǎn)。

     在完成調(diào)制器調(diào)優(yōu)后，對(duì)環(huán)形諧振腔濾波器同步進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的平頂通帶響應(yīng)，并對(duì)每個(gè)微環(huán)進(jìn)行精確頻率與相位調(diào)諧，確保各通道濾波窗口精確匹配目標(biāo)信道。

     優(yōu)化完成后，所有參數(shù)通過(guò)模型庫(kù)與自動(dòng)化腳本同步回系統(tǒng)仿真環(huán)境。最終進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，最終仿真結(jié)果表明，所有信道的眼圖明顯開(kāi)闊，TDECQ顯著降低，SER恢復(fù)至設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)800Gbps高速傳輸，驗(yàn)證了物理建模與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的協(xié)同優(yōu)化能力。

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

     數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的傳輸距離可從幾百米到幾十公里甚至更遠(yuǎn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需具備適應(yīng)不同傳輸距離的能力。在高階調(diào)制與相干檢測(cè)支持下，系統(tǒng)可在速率與距離之間實(shí)現(xiàn)靈活折中：低階調(diào)制適合長(zhǎng)距離傳輸，而高階調(diào)制可用于短距離高吞吐。

     本案例構(gòu)建了一個(gè)2Tbps的相干DWDM系統(tǒng)。采用光頻梳產(chǎn)生8個(gè)光載波，信道間隔75GHz，工作于O波段。每個(gè)信道通過(guò)TFLN調(diào)制器進(jìn)行32-QAM調(diào)制，波特率為56Gbaud，初始傳輸距離設(shè)定為500米。接收端采用典型的相干接收架構(gòu)，包含基于MMI的90°混頻器、本振（LO）、平衡探測(cè)器、ADC等模塊。解調(diào)鏈路結(jié)合完整DSP流程，涵蓋 IQ 不平衡校正、時(shí)鐘恢復(fù)、時(shí)域均衡（TDE）以及載波頻率/相位恢復(fù)（CFR/CPR）等模塊。

     鑒于數(shù)據(jù)中心對(duì)空間與功耗的嚴(yán)格約束，關(guān)鍵組件（如光頻梳、調(diào)制器、90°混頻器等）均集成在光子芯片上，采用光子集成技術(shù)。相干接收器中的90°混頻器采用MMI結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其原理通過(guò)將輸入信號(hào)與本振信號(hào)引入多模波導(dǎo)，并利用模式干涉效應(yīng)在多個(gè)輸出端產(chǎn)生精確的相位差（0°，180°，+90°，-90°），從而實(shí)現(xiàn)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(jié)果表明，MMI模塊能精確生成所需的四路相位差。

     調(diào)制器基于TFLN平臺(tái)，由兩個(gè)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(jié)構(gòu)，確保電信號(hào)和光信號(hào)沿著波導(dǎo)和電極以相似的速度傳播，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制至關(guān)重要。通過(guò)研究電學(xué)和光學(xué)的群折射率參數(shù)評(píng)估速度失配的影響，通過(guò)電學(xué)模型計(jì)算沿波導(dǎo)的電壓，考慮到光學(xué)調(diào)制部分的實(shí)際位置和變化。該系統(tǒng)支持兩種電極模型：理想模型和基于S參數(shù)的物理模型。在測(cè)試過(guò)程中，工程師通過(guò)模擬不同電壓偏置和調(diào)制頻率，研究電極和光學(xué)組件對(duì)調(diào)制響應(yīng)的影響。

     在系統(tǒng)級(jí)別，工程師通過(guò)將光子組件（如調(diào)制器和90°混頻器）集成到系統(tǒng)中，進(jìn)行一系列測(cè)試。通過(guò)四個(gè)具體測(cè)試案例（背靠背傳輸有無(wú)光纖、不同調(diào)制格式、TDE 開(kāi)關(guān)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(hào)畸變），調(diào)制性能和誤碼表現(xiàn)顯著下降。啟用TDE后能有效補(bǔ)償這些物理缺陷，顯著提高系統(tǒng)性能。之后，通過(guò)調(diào)整調(diào)制格式（切換到16-QAM），測(cè)試不同調(diào)制階數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能和傳輸距離的影響。16-QAM格式在較長(zhǎng)距離（如10公里）下的性能表現(xiàn)更好，而32-QAM則在較短距離內(nèi)提供更高的比特率。通過(guò)比較不同測(cè)試條件下的結(jié)果（如頻譜、星座圖、信道誤碼率），工程師能夠評(píng)估調(diào)制格式、光學(xué)組件和DSP技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

     VPIphotonics Design Suite通過(guò)組件級(jí)建模、系統(tǒng)級(jí)仿真和參數(shù)優(yōu)化，為數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)系統(tǒng)提供了一體化解決方案。隨著技術(shù)發(fā)展，該平臺(tái)將在更高帶寬、更長(zhǎng)傳輸距離和更低功耗方面發(fā)揮重要作用，助力數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)的未來(lái)創(chuàng)新。