基于pSim的波分復(fù)用鏈路參數(shù)自動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  pSim 光電協(xié)同鏈路仿真工具，可驗(yàn)證多模、雙向和多通道光電鏈路，在時(shí)域或頻域進(jìn)行光子及電子信號(hào)處理和分析。其設(shè)計(jì)環(huán)境類似于傳統(tǒng)EDA電子電路的仿真工具，方便設(shè)計(jì)采用多種器件組成的光電協(xié)同鏈路；其分層設(shè)計(jì)環(huán)境及可視化直觀操作接口使得設(shè)計(jì)者可以方便的將各個(gè)器件相互連接，并仿真分析整體系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)在時(shí)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(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，搭建鏈路、設(shè)置仿真、進(jìn)行后處理。設(shè)計(jì)者還可導(dǎo)入豐富的第三方智能代碼庫(kù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)輔助逆向設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析、良率分析等，支持方便靈活的二次開(kāi)發(fā)。

  本案例基于微環(huán)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)設(shè)計(jì)，旨在設(shè)計(jì)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(cè)》。下面將從設(shè)計(jì)思路、算法實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行描述。

  圖1. 微環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

  設(shè)計(jì)思路

  設(shè)計(jì)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(jí)聯(lián)微環(huán)結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

  基本的鏈路創(chuàng)建完成之后，進(jìn)入到自動(dòng)設(shè)計(jì)鏈路參數(shù)的部分。我們需要有明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并將其以數(shù)值或者數(shù)學(xué)模型的方式給出，方便算法明確優(yōu)化方向，以便做出進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)器件參數(shù)的自動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖2. 設(shè)計(jì)思路與算法實(shí)現(xiàn)流程

  算法實(shí)現(xiàn)

  本案例選用遺傳算法作為優(yōu)化方法自動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)，本案例中的遺傳算法直接調(diào)用sko庫(kù)實(shí)現(xiàn)，下面分別介紹適應(yīng)度函數(shù)求解以及庫(kù)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(jià)值函數(shù)，在此我們選取目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)。本案例的目標(biāo)是設(shè)計(jì)密集波分復(fù)用鏈路，波峰分別位于1542nm/1544nm/1546nm/1548nm，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

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

  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(jì)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(jì)仿真結(jié)果展示

  最終的仿真結(jié)果顯示，最終設(shè)計(jì)的參數(shù)符合我們的目標(biāo)要求，并且通過(guò)這種算法自動(dòng)設(shè)置參數(shù)的方式我們可以任意選擇通道進(jìn)行相應(yīng)波長(zhǎng)范圍信號(hào)的提取。上述結(jié)果還表明了逆向設(shè)計(jì)對(duì)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?？偠灾惴ㄅcpSim 的結(jié)合，使集成鏈路設(shè)計(jì)變得更加便捷和高效。