在此示例中，Ansys Circuit和INTERCONNECT用于對2.5D集成光收發器進行電光信號完整性仿真。該收發器由通過interposer層連接的電集成電路(EIC)和光子集成電路(PIC)組成。

Ansys Circuit用于對信號路徑的電學部分進行建模，INTERCONNECT用于對光學部分進行建模。單向信號傳輸用于連接信號路徑的電學部分和光學部分。Interposer層上的信號路徑使用Ansys HFSS 3D電磁仿真計算出的S參數進行建模。

概述

了解仿真工作流和關鍵結果。

收發器信號路徑始于EIC上的driver，該driver通過interposer將10Gb/sNRZ信號發送到PIC上的耗盡型環形調制器。調制后的光信號經過一個代表信道損耗的衰減器，到達接收器上的光電探測器。光電流驅動接收信號通過interposer層返回到EIC上的電阻。

步驟1：發射器電路

該電路用于仿真EIC上的driver和PIC上的環形調制器之間發射器信號路徑的電學部分。

發射器電路由代表調制器driver的電壓源、Interposer層的狀態空間模型單元以及環形調制器的等效電路組成。Interposer層狀態空間模型基于Ansys HFSS進行3D電磁仿真計算出的電S參數生成。

環形調制器等效電路由兩個電阻和一個電容組成，分別代表調制器PN結的電阻和電容。等效電路中結電容兩端的電壓保存在一個文本文件中，并在下一步中用作環形調制器光學模型的輸入。

步驟2：光信道

Lumerical INTERCONNECT用于模擬由激光源、發射器和接收器組成的光信道。

上一步中記錄在文本文件中的電壓由“Signal Voltage”元件讀取，并用于驅動發射器中的環形調制器模型。使用3dB衰減來模擬調制器和接收器上的光電探測器之間的光信道損耗。在光電探測器之后放置一個低通濾波器元件，以模擬光電探測器受載流子渡越時間限制的帶寬。接收器上的光電探測器產生的光電流由“PD Current”元件保存為文本文件，并用作下一步的輸入。

步驟3：接收器電路

與發射器電路類似，接收器的電學部分采用Ansys Circuit進行仿真。接收器電路由光電探測器的等效電路、Interposer層狀態空間模型以及EIC上用作跨阻放大器(TIA)的電阻組成。

INTERCONNECT仿真得到的光電流從文本文件中讀取，用于驅動光電探測器等效電路中的電流源。EIC負載電阻兩端產生的電壓被記錄下來，用于創建接收信號的眼圖。

運行和結果

步驟1：發射器電路

1. 打開Ansys Electronics Desktop，將存檔文件Optical_transceiver.aedtz解壓到包含示例文件的文件夾中。在項目管理器中右鍵單擊“Driver”電路，然后選擇分析以運行仿真。仿真運行完成后，右鍵單擊Results>RM_Voltage，然后選擇“Export…”。將結果保存為逗號分隔的數據文件(*.csv)，文件名為RM_Voltage.csv，并保存到包含示例文件的文件夾中。

RM_Voltage結果報告記錄了表示環形調制器結電容的電容器兩端的電壓，該電壓由與環形調制器電等效電路中的電容器并聯放置的差分眼圖探頭記錄下來。

該電壓被導出到名為RM_Voltage.csv的文本文件，以便下一步可以將其導入INTERCONNECT。

步驟2：光信道

1. 在INTERCONNECT中打開仿真文件Optical_channel.icp。在INTERCONNECT中運行腳本process_volt_data.lsf，將Circuit中的電壓數據轉換為正確的格式。在Optical_channel.icp中運行仿真。

process_voltage_data.lsf腳本會將上一步生成的RM_Voltage.csv文件中的電壓數據轉換為適合INTERCONNECT的格式，具體方法是刪除文件頭并將時間單位轉換為秒。更新后的數據將保存為名為RM_Voltage_processed.txt的文本文件。

處理后的電壓數據由分段線性導入元件“Signal Voltage”讀取，并用于驅動環形調制器。分段線性導出元件“PD Current”會自動將光電探測器電流信號導出到名為PIN_output.txt的文本文件中，該文件位于與仿真文件相同的文件夾中。該文件可以在下一步中重新導入到Ansys Circuit的接收器電路中。

眼圖分析儀會創建光電探測器產生的電信號眼圖。

注意：此步驟中的腳本和仿真文件假定它們與上一步中的RM_Voltage.csv文件一樣放置在工作目錄中。您可以使用工具欄中的File>Change working directory來設置當前工作目錄。“Signal Voltage”的filename屬性必須指向process_voltage_data.lsf腳本創建的RM_Voltage_processed.txt文件，該文件由腳本放置在當前工作目錄中。

步驟3：接收器電路

1. 返回Ansys Electronics Desktop中的Optical_transceiver.aedt項目。雙擊項目管理器中的“Receiver”電路，打開接收器電路原理圖。右鍵單擊項目管理器中的“Receiver”電路，然后選擇Analyze以運行仿真。

I_PD分段線性電流源將從上一步INTERCONNECT仿真中保存的PIN_output.txt文本文件中導入光電探測器電流。VL電壓表將記錄負載電阻兩端的電壓。該電壓的眼圖將自動繪制在原理圖上。

注意：接收器電路中I_PD元件的PWLFILE屬性必須指向上一步中由INTERCONNECT創建的PIN_output.txt文件。默認情況下，它設置為指向與AEDT項目文件相同的位置。

重要模型設置

數據交換的文件路徑

在此工作流程中，AEDT和INTERCONNECT之間通過文本文件交換電信號。如果文件不在預期位置，工作流程將無法運行。上文“Run and Results”部分中描述的步驟假設此工作流程的所有文件都位于同一文件位置。

對于從AEDT到INTERCONNECT的交換，生成文件的文件名和路徑由在項目管理器中右鍵單擊Results>RM_Voltage并選擇Export…時打開的對話框窗口決定。用作腳本process_voltage_data.lsf輸入的文件是腳本第8行中指定的文件：

voltage_filename="RM_Voltage";

默認情況下，此文件位于INTERCONNECT的當前工作目錄中。腳本的第10行會將“.csv”文件擴展名附加到此文件的名稱中。腳本輸出的文本文件將使用相同的名稱，并在其后附加“_processed”，并放置在與輸入文件相同的位置。

然后，INTERCONNECT仿真中的“Signal Voltage”元件（它是一個分段線性導入元件）會讀取此文件中的數據。此元件讀取的文件是使用filename屬性設置的。

運行INTERCONNECT仿真時，“PD Current”元件（它是一個分段線性導出元件）會自動將其輸入端口的電信號值導出到其filename屬性指定的文本文件中。

分段線性導出元件導出的數據格式已經適合導入AEDT，因此無需進行任何編輯。該文件的數據由AEDT接收器電路中的“I_PD”元件（它是一個分段線性電流源）讀取。讀取的文件由該元件的PWLFILE屬性指定。

電等效模型

調制器和光電探測器等光電元件的負載效應可以通過等效電路建模。這些電路通常由電阻、電容、電感和二極管等基本電子元件組成。這些元件的數值可以通過仿真計算得出，也可以從實驗測量中提取。

在本工作流程中，調制器和光電探測器使用相對簡單的等效電路來表示這些器件的電阻和電容。根據器件設計的具體細節，可以使用包含其他寄生電效應的更詳細的等效電路。

進一步研究模型

多通道仿真

通過復制本例中使用的元件，可以擴展此工作流程以包含多個通道。每個通道將有單獨的文本文件用于在AEDT和INTERCONNECT之間傳輸信號，并且每個電路中都有單獨的對應元件用于導出/導入信號。

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參考文獻

Signal Integrity Analysis in a Co-packaged Optics System using RaptorX-Spectre-INTERCONNECT InteropThermally aware photonic circuit simulation of a WDM transceiver – Icepak integrationLayout-aware statistical yield analysis – WDM transceiverWavelength division multiplexing