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RSoft_准确易上手的雷射系统仿真软件

        (本文转载自Cybernet Systems Taiwan 思渤科技股份有限公司,如需转载请注明出处)介绍利用RSoft LaserMOD与OptSim仿真半导体雷射的基本参数,藉以将设计之系统推往优化与准确化的境界。在使用方法上,则可以利用混合层级模型、雷射厂商所提供数据参数与实际实验量测数据为参考依据,进行雷射实际特性的仿真。

介绍
        现今光纤系统技术中,「光源」与「材料」是在设计接收器与系统表现的最重要两项元素。对「材料」而言,单模光纤有着线性、非线性与偏振效应,是最常被选择为光纤系统的基本材料。
        在大多数的设计中,光纤制造商针对其产品提供充足的讯息,例如屏蔽率和色散特性、线性与非线性特性和偏振相关色散性等,让使用者可以准确地估算其材料特性。然而,同样的状况却不能应用于「光源」的特性估算上。以垂直腔面雷射(Vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs)为例,出厂测试的参数数值通常无法准确地用于估算雷射真实表现上。如果光源的输出数值无法确切的估算,则其搭配的电路设计与系统表现也无法得到稳定的表现。
        有鉴于此,Synopsys着力于开发一套方法,得以准确地仿真出系统特性与雷射参数。在本篇文章中,首先描述一个理想混合层级(Mixed-level)雷射模型,利用该模型进行系统表现的估计。而后,利用厂商所提供的参数数据表,真实地去设计一个雷射系统。最后,利用实验数据仿真一套雷射的模型架构。

混合层级雷射模型设计
        RSoft LaserMOD是一项针对半导体雷射所设计的商用仿真软件,适用于雷射制造商或拥有制造激光技术的公司。在本文介绍中,LaserMOD提供一个参数化的计算机辅助设计平台(CAD),让用户便于设计光学主动组件,例如:Fabry-Perot共振腔、分布回馈型雷射(Distributed Feedback Laser)或垂直腔面雷射与半导体调变器。



图1

         LaserMOD针对主动组件提供了光学、电学与热学特性,以利使用者针对实际案例进行设计。例如设计雷射腔体中常见的复杂效应:空间烧洞效应(Spatial Hole Burning)。从LaserMOD中所仿真出的数据,皆可输出至另一套系统仿真软件OptSim中进行光纤系统与驱动电路系统的仿真,如图1所示。这项系统化设计流程的另一个好处是提供系统用户一个完整的雷射光源信息,不需要借助其它厂商所提供的数据参数表。因此,设计者可以依雷射的几何条件和物理特性建造一个蒙地卡罗(Monte Carlo)估算法来了解整个系统的表现。

雷射参数数据表设计
        利用OptSim,不同型态的半导体雷射可藉由引入雷射速率方程(rate equations)来模拟。然而若要精准地对雷射速率方程求解,须先对许多的物理参数有一番研究,才能仿真出雷射的光电特性。但其实这些参数皆可利用前述的混合层级模型而得到其数值,设计者所需的是原厂所提供的参数数据表。除此之外,藉由该模拟,设计者也可得到许多厂商不会提供的效率方程式参数。内建于OptSim的Best Fit Laser Toolkit模块便是设计于利用厂商提供的参数数据表即可求解效率方程的套装工具。
      设计者利用厂商提供的雷射数据参数表,在Best Fit Laser Toolkit中输入雷射的基本光电参数(例如Slope efficiency或截止电流)。Best Fit Laser Toolkit便会利用该参数与使用者定义的准确度去计算效率方程式所需的物理参数。这些参数可在OptSim中直接计算雷射系统表现,或利用这些参数产生驱动电路(包括p-n junction),如图2所示。

图2

实验数据雷射模型设计
        在设计雷射系统的案件中,也许设计者无法拿到上述两种方法所需的数据,例如该雷射是一种未知的设计或是无法取得其参数数据表。除此之外,即便能拿到雷射的相关参数数据表,在雷射的制程上也有许多不可预测的变化导致雷射产品的表现有些许不同。因此,雷射的实际表现会跟当初设计的参数有所不同。在这类的案例中,利用测试实验中所得到的雷射参数,设计者可在OptSim上精准地模拟相关参数。
藉由实验量测雷射参数的方法有普遍的标准流程可以遵循。首先,我们会得到一组想要在模拟中重现的参数。接着定义因设备不同而产生的误差方程式与模拟参数。最后,藉由误差方程与模拟参数,我们将可模拟出误差值,藉此缩小实验与模拟的差别。
        以多重量子井雷射(Multiplequantum well laser, MQW)来说,OptSim内建一组MQW雷射的效率方程。而效率方程所需的参数则自动地由使用者汇入的实验量测档计算得出,其中包括输出功率与电流的关系(P-I)、小讯号振幅放大调变(AM)、小讯号频率放大调变、噪声强度曲线与雷射线宽曲线。对仿真雷射而言,P-I与AM关系是必要的参数,其它则是有助于提升模拟的准确度。
        相对而言,VCSELs则因其热效应与空间效应而使模拟困难度提高。在OptSim中内建一组VCSELs的效率方程,同样可得出增益、耗损、空间载子效应与自体加热效应。这组模型也可得出腔体的电流电压关系(I-V)与相关电学参数。然而因其热效应,若要得到相关参数则需要相关实验数据,例如在不同的温度下量测到的P-I关系将可计算出截止电流的温度敏感度;在不同温度下的雷射小讯号之S参数则可得出雷射的动态特性、松弛频率和3dB带宽。图3是利用OptSim依照已发表的模型参数所仿真的雷射特性,可看出有非常好的一致性。

图3

        当VCSEL需在雷射系统光源中仿真时,最终的电特性(不同温度下的IV曲线)是必要的。除此之外,不同温度下的雷射频谱与大讯号特性则可增加仿真的准确度。
        正如前段所提,雷射光源是在光纤系统中不可或缺的一环,并对整个系统表现有显著的影响。并如前段所述,雷射的制程中常造成其参数表现上的不稳定,是需要特别考虑的因素。正因如此,设计者需针对雷射成品,利用RSoft OptSim做不同的模拟测试。而最适合的测试步骤则取决于设计者现有的数据与工具,可选择使用理想模型、厂商提供的参数数据或实验量测到的参数。当设计者使用实验量测的参数时,将可获得对于该雷射更多的准确参数。而这些额外的参数,无庸置疑地,将有助于系统优化与改进整合。


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RSoft Design Group针对通讯与光电产业提供广泛的模拟设计套件和商业分析软件。RSoft Design Group 亦是世界上唯一提供一系列涵盖组件到网络层次的仿真设计软件与服务的公司。许多从事组件研究、有线宽带/无线网络规划的研究人员、厂商、系统整合与服务业者都使用 RSoft 所开发的产品。公司依托于众多美国顶尖大学和公司实验室,从客户的需求出发,设计开发相关的模拟软件,并为客户提供准确详尽的技术支持服务.

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Synopsys公司(Nasdaq: SNPS)是全球领先的电子设计自动化(EDA)软件工具领导厂商,为全球电子市场提供技术先进的集成电路(IC)设计与验证平台。2010年10月,Synopsys 收购了美国ORA(成立于1963)公司,成立Synopsys-OSG部门。在被收购之前ORA已经是全球领先的光学设计软件公司,20年前从服务于美国NASA计划开始,为光学行业提供几何光学,成像光学设计软件,以及光学工程的设计服务。其LightTools软件是全球背光设计优化的首选软件,10年前就在日本韩国和台湾获得了广泛的应用。Synopsys收购ORA,旨在加强半导体制造方面光学技术的最新突破,开发下一代半导体芯片。

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