基于pSim的波分復(fù)用鏈路參數(shù)自動設(shè)計與實現(xiàn)

  pSim 光電協(xié)同鏈路仿真工具，可驗證多模、雙向和多通道光電鏈路，在時域或頻域進行光子及電子信號處理和分析。其設(shè)計環(huán)境類似于傳統(tǒng)EDA電子電路的仿真工具，方便設(shè)計采用多種器件組成的光電協(xié)同鏈路；其分層設(shè)計環(huán)境及可視化直觀操作接口使得設(shè)計者可以方便的將各個器件相互連接，并仿真分析整體系統(tǒng)，驗證系統(tǒng)在時域及頻域上的響應(yīng)。pSim使用者除了利用GUI，還可以充分利用Python 3編程語言的優(yōu)勢，搭建鏈路、設(shè)置仿真、進行后處理。設(shè)計者還可導(dǎo)入豐富的第三方智能代碼庫進行機器學習輔助逆向設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、統(tǒng)計分析、良率分析等，支持方便靈活的二次開發(fā)。

  本案例基于微環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用遺傳算法進行參數(shù)自動設(shè)計，旨在設(shè)計密集波分復(fù)用鏈路，波峰分別位于1542nm/1544nm/1546nm/1548nm。微環(huán)的模型由定向耦合器和波導(dǎo)構(gòu)成，關(guān)于定向耦合器和波導(dǎo)的具體參數(shù)設(shè)置可以參照《pSim使用手冊》。下面將從設(shè)計思路、算法實現(xiàn)分別進行描述。

  圖1. 微環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

  設(shè)計思路

  設(shè)計思路如圖2所示，首先需要初始化鏈路模型，創(chuàng)建基礎(chǔ)的鏈路結(jié)構(gòu)，此處選用級聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)，具體實現(xiàn)代碼如下。

  基本的鏈路創(chuàng)建完成之后，進入到自動設(shè)計鏈路參數(shù)的部分。我們需要有明確的設(shè)計目標，并將其以數(shù)值或者數(shù)學模型的方式給出，方便算法明確優(yōu)化方向，以便做出進一步的優(yōu)化。除此之外，我們還需要設(shè)置部分初始值，主要包括仿真環(huán)境相關(guān)的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)器件的參數(shù)，需要保證這些參數(shù)處于合理的范圍。完成以上步驟以后，我們要選擇合適的優(yōu)化算法，來實現(xiàn)器件參數(shù)的自動設(shè)計。

圖2. 設(shè)計思路與算法實現(xiàn)流程

  算法實現(xiàn)

  本案例選用遺傳算法作為優(yōu)化方法自動設(shè)計參數(shù)，本案例中的遺傳算法直接調(diào)用sko庫實現(xiàn)，下面分別介紹適應(yīng)度函數(shù)求解以及庫的安裝與調(diào)用。

  適應(yīng)度函數(shù)是遺傳算法是否滿足輸出條件判斷的價值函數(shù)，在此我們選取目標函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)。本案例的目標是設(shè)計密集波分復(fù)用鏈路，波峰分別位于1542nm/1544nm/1546nm/1548nm，具體實現(xiàn)代碼如下。

  調(diào)用遺傳算法首先需要確保安裝sko庫，安裝完成之后調(diào)用即可實現(xiàn)參數(shù)自動設(shè)計。

  func為適應(yīng)度函數(shù)，n_dim為參數(shù)維度，size_pop為種群大小，max_iter為最大迭代次數(shù)，lb為參數(shù)起始邊界，ub為參數(shù)最大值邊界，precision為設(shè)計精度。

(a) [10.50475133, 19.08075549, 27.36347612, 14.86935732]

(b) [11.81670232, 14.8363411 , 28.62451997, 20.48715841]

(c) [10.85719129, 10.1782227 , 22.79970474, 11.53963126]

圖3.最終設(shè)計仿真結(jié)果展示

  最終的仿真結(jié)果顯示，最終設(shè)計的參數(shù)符合我們的目標要求，并且通過這種算法自動設(shè)置參數(shù)的方式我們可以任意選擇通道進行相應(yīng)波長范圍信號的提取。上述結(jié)果還表明了逆向設(shè)計對于集成波分復(fù)用鏈路的可行性。除此之外，本案列還可以移植到任何光電集成鏈路中使用。總而言之，算法與pSim 的結(jié)合，使集成鏈路設(shè)計變得更加便捷和高效。