在這個(gè)例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成電路(PIC)建模能力與Icepak強(qiáng)大的熱仿真能力相結(jié)合，用于仿真和設(shè)計(jì)波分復(fù)用(WDM)收發(fā)器，同時(shí)考慮封裝中其他區(qū)域（例如電子集成電路(EIC)、印刷電路板(PCB) 等）的發(fā)熱。

一、概述

本文以一個(gè)六通道WDM系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。該系統(tǒng)采用共封裝光學(xué)器件（CPO）設(shè)計(jì)，包含光電器件。由于電子集成電路（EIC）和印刷電路板（PCB）產(chǎn)生的熱量，緊湊型CPO內(nèi)部的溫度變化會(huì)影響硅光子元件的性能。本文旨在：1）通過(guò)熱仿真了解CPO內(nèi)部的溫度分布；2）找到電路板上WDM元件的理想位置，以減輕電子元件發(fā)熱帶來(lái)的不利影響。

首先，使用Icepak對(duì)整個(gè)封裝進(jìn)行熱仿真。然后可以生成光子（硅）層的溫度分布圖，并將其導(dǎo)出以用于光子電路仿真。

接下來(lái)，將溫度分布圖導(dǎo)入INTERCONNECT軟件。INTERCONNECT軟件針對(duì)晶圓上不同的光學(xué)元件位置運(yùn)行多次仿真。基于掃描結(jié)果，分析眼圖和誤碼率（BER）等性能指標(biāo)，以確定晶圓上光學(xué)元件的理想布局。

步驟 1：Icepak中進(jìn)行熱仿真

Icepak在運(yùn)行時(shí)計(jì)算封裝溫度，并導(dǎo)出硅晶片網(wǎng)格坐標(biāo)和相應(yīng)的溫度。

上圖展示了用于熱分析的PCB板設(shè)計(jì)示例。綠色層為硅片，棕色層為PCB板。PCB板與硅片之間采用球柵陣列（BGA）連接。透明框內(nèi)為位于PCB板頂部的集成電路（EIC），EIC用作熱源以啟動(dòng)PCB板的熱分析。在本例中，我們將EIC視為均勻熱源，用戶也可以加載EIC的功率分布圖以進(jìn)行更復(fù)雜的熱分析。

本次熱仿真中，EIC加熱數(shù)據(jù)來(lái)自芯片熱模型（CTM），焦耳加熱數(shù)據(jù)則來(lái)自SIwave。晶圓底部溫度設(shè)定為50℃，頂部采用自然對(duì)流換熱系數(shù)（HTC）。

注意：要導(dǎo)出溫度圖，用戶需要使用Icepak的“Write Thermal Loads”ACT擴(kuò)展。

步驟 2：在INTERCONNECT中進(jìn)行Circuit仿真

在INTERCONNECT中，WDM傳輸鏈路被用作測(cè)試平臺(tái)。INTERCONNECT導(dǎo)入上一步生成的溫度分布圖，并使用腳本在晶圓上分配WDM系統(tǒng)。WDM電路中光器件的溫度根據(jù)晶圓的溫度分布圖進(jìn)行設(shè)置。仿真中使用的緊湊模型（由CML Compiler生成）對(duì)溫度敏感，并會(huì)根據(jù)更新后的溫度調(diào)整模型的性能。然后，INTERCONNECT運(yùn)行電路仿真并獲得性能指標(biāo)結(jié)果（誤碼率和眼圖）。通過(guò)比較不同位置（以及相應(yīng)的不同溫度）的結(jié)果，我們可以確定PIC元件的理想位置。

二、運(yùn)行和結(jié)果

步驟 1：Icepak中進(jìn)行熱仿真

1. 在Icepak中打開(kāi)并運(yùn)行文件Thermal_simulation.aedtz。如果ACT擴(kuò)展被隱藏，請(qǐng)使用“Show/Hide ACT Extension”按鈕顯示它們。導(dǎo)航至“Write Thermal Loads”擴(kuò)展程序，并設(shè)置“Destination Folder”以保存溫度圖文件。點(diǎn)擊擴(kuò)展程序中的“Finish”，.txt格式的溫度圖將保存到指定的目標(biāo)文件夾。

下圖顯示了整個(gè)電路板的溫度。溫度分布圖文件保存了電路板的網(wǎng)格（x、y和z坐標(biāo)）及其對(duì)應(yīng)的溫度。

步驟 2：在INTERCONNECT中進(jìn)行Circuit仿真

Wafer上optical board默認(rèn)分配情況下的電路性能：

1. 打開(kāi)文件WDM_6_channel.icp。這是一個(gè)包含六通道WDM電路的測(cè)試平臺(tái)。其構(gòu)建組件來(lái)自Demo_CML緊湊模型庫(kù)(CML)。將Demo_CML.cml安裝到元素庫(kù)中的Design Kits文件夾，然后刷新（File/Refresh）該文件。在腳本編輯器中打開(kāi)并運(yùn)行temp_set_up.lsf腳本。該腳本將調(diào)用load_temp_map.lsf腳本，并根據(jù)整個(gè)晶圓上optical board x軸和y軸偏移量，設(shè)置電路中各元件的溫度。運(yùn)行INTERCONNECT仿真，繪制6個(gè)通道的眼圖，并在眼圖分析儀中記錄BER值。

temp_set_up.lsf腳本會(huì)生成指定z軸位置的晶圓溫度圖。由于光學(xué)元件的高度相對(duì)于整個(gè)電路板而言較矮，我們假設(shè)光學(xué)元件在z軸方向上的溫度分布均勻，并腳本中固定一個(gè)z值來(lái)生成溫度圖。圖中深藍(lán)色方框表示光學(xué)電路板，以便我們了解光學(xué)電路板在晶圓上的位置以及其在該位置的工作溫度。

默認(rèn)設(shè)置下，optical board位于晶圓上0mm處，該位置的工作溫度約為60攝氏度。考慮到其他布線限制和溫度因素（ring models的調(diào)諧功耗極小），這是optical board的理想放置位置之一。以下是通道1的眼圖和誤碼率(BER)：

改變optical board在wafer上的位置后Circuit性能的變化（對(duì)比結(jié)果）：

1. 打開(kāi)文件WDM_6_channel.icp。返回設(shè)計(jì)模式，在temp_set_up.lsf中，更新為-0.5mm(-0.5e-3m)。運(yùn)行INTERCONNECT仿真，繪制6個(gè)通道的眼圖，并在眼圖分析儀中記錄BER值。回到設(shè)計(jì)模式，打開(kāi)并運(yùn)行set_tunning_voltages.lsf腳本，為當(dāng)前溫度下的環(huán)形調(diào)制器和諧振器設(shè)置理想調(diào)諧電壓。重復(fù)步驟2并記錄結(jié)果。

Circuit中的環(huán)形調(diào)制器和諧振器均設(shè)計(jì)有熱調(diào)諧功能。set_tuning_voltages.lsf腳本會(huì)根據(jù)環(huán)形調(diào)制器和諧振器的工作溫度設(shè)置其調(diào)諧電壓。通過(guò)這種熱調(diào)諧功能，環(huán)形調(diào)制器和諧振器的性能能夠穩(wěn)定地適應(yīng)溫度變化。

將optical board放置在晶圓原點(diǎn)，工作溫度約為70攝氏度。以下是通道1在未進(jìn)行和進(jìn)行ring models熱調(diào)諧后的眼圖和誤碼率(BER)：

環(huán)形調(diào)制器和諧振器模型顯示了環(huán)的調(diào)諧電壓和功率。重新校準(zhǔn)環(huán)形調(diào)制器和諧振器分別需要約0.022W和0.015W的功率。

三、使用您的參數(shù)更新模型

使用新的CML：該電路的基本構(gòu)建模塊來(lái)自Demo_CML，而Demo_CML又基于lumfoundry_template CML。用戶可以將這些構(gòu)建模塊替換為其他CML中的模型，從而生成WDM電路。

自定義評(píng)價(jià)指標(biāo)：在本例中，我們使用誤碼率(BER)和信道眼圖作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)判斷電路性能。我們注意到，通過(guò)對(duì)環(huán)形調(diào)制器和諧振器進(jìn)行熱調(diào)諧，可以使電路在溫度范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。如果眼圖干凈且誤碼率接近于0，我們可以選擇其他評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如誤差矢量幅度(EVM)，作為判斷電路性能的標(biāo)準(zhǔn)。

四、進(jìn)一步拓展模型

集成多種工具進(jìn)行全電路優(yōu)化

在另一個(gè)例子中，我們演示了如何利用optiSlang互操作性對(duì)不同的Lumerical求解器進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化：Optimizing Traveling Wave MZM-optiSLang Interoperability。本示例中所示的工作流程可以進(jìn)行調(diào)整，以進(jìn)行基于optiSlang的全電路優(yōu)化，并考慮熱效應(yīng)。

Optimizing Traveling Wave MZM-optiSLang Interoperability

相關(guān)鏈接：https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/4403299362195

使用其他test-bench線路

本示例使用六通道WDM收發(fā)器作為溫度效應(yīng)的性能測(cè)試平臺(tái)。但它也可以適用于其他電路。您可以創(chuàng)建不同的測(cè)試平臺(tái)仿真文件，以便根據(jù)需要提取結(jié)果。

Ansys軟件試用，培訓(xùn)，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。

五、其他資源

• Wavelength division multiplexing

相關(guān)鏈接：https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042322774

• Optimizing Traveling Wave MZM - optiSLang Interoperability

相關(guān)鏈接：https://support.lumerical.com/h