光收发器信号完整性分析（包含封装效应）-AEDT-INTERCONNECT互操作性

Ansys Circuit用于对信号路径的电学部分进行建模，INTERCONNECT用于对光学部分进行建模。单向信号传输用于连接信号路径的电学部分和光学部分。Interposer层上的信号路径使用Ansys HFSS 3D电磁仿真计算出的S参数进行建模。

了解仿真工作流和关键结果。

收发器信号路径始于EIC上的driver，该driver通过interposer将10Gb/sNRZ信号发送到PIC上的耗尽型环形调制器。调制后的光信号经过一个代表信道损耗的衰减器，到达接收器上的光电探测器。光电流驱动接收信号通过interposer层返回到EIC上的电阻。

步骤1：发射器电路

该电路用于仿真EIC上的driver和PIC上的环形调制器之间发射器信号路径的电学部分。

发射器电路由代表调制器driver的电压源、Interposer层的状态空间模型单元以及环形调制器的等效电路组成。Interposer层状态空间模型基于Ansys HFSS进行3D电磁仿真计算出的电S参数生成。

环形调制器等效电路由两个电阻和一个电容组成，分别代表调制器PN结的电阻和电容。等效电路中结电容两端的电压保存在一个文本文件中，并在下一步中用作环形调制器光学模型的输入。

步骤2：光信道

Lumerical INTERCONNECT用于模拟由激光源、发射器和接收器组成的光信道。

上一步中记录在文本文件中的电压由“Signal Voltage”元件读取，并用于驱动发射器中的环形调制器模型。使用3dB衰减来模拟调制器和接收器上的光电探测器之间的光信道损耗。在光电探测器之后放置一个低通滤波器元件，以模拟光电探测器受载流子渡越时间限制的带宽。接收器上的光电探测器产生的光电流由“PD Current”元件保存为文本文件，并用作下一步的输入。

步骤3：接收器电路

与发射器电路类似，接收器的电学部分采用Ansys Circuit进行仿真。接收器电路由光电探测器的等效电路、Interposer层状态空间模型以及EIC上用作跨阻放大器(TIA)的电阻组成。

INTERCONNECT仿真得到的光电流从文本文件中读取，用于驱动光电探测器等效电路中的电流源。EIC负载电阻两端产生的电压被记录下来，用于创建接收信号的眼图。

步骤1：发射器电路

1. 打开Ansys Electronics Desktop，将存档文件Optical_transceiver.aedtz解压到包含示例文件的文件夹中。

2. 在项目管理器中右键单击“Driver”电路，然后选择分析以运行仿真。

3. 仿真运行完成后，右键单击Results>RM_Voltage，然后选择“Export…”。

4. 将结果保存为逗号分隔的数据文件(*.csv)，文件名为RM_Voltage.csv，并保存到包含示例文件的文件夹中。

RM_Voltage结果报告记录了表示环形调制器结电容的电容器两端的电压，该电压由与环形调制器电等效电路中的电容器并联放置的差分眼图探头记录下来。

该电压被导出到名为RM_Voltage.csv的文本文件，以便下一步可以将其导入INTERCONNECT。

步骤2：光信道

1. 在INTERCONNECT中打开仿真文件Optical_channel.icp。

2. 在INTERCONNECT中运行脚本process_volt_data.lsf，将Circuit中的电压数据转换为正确的格式。

3. 在Optical_channel.icp中运行仿真。

process_voltage_data.lsf脚本会将上一步生成的RM_Voltage.csv文件中的电压数据转换为适合INTERCONNECT的格式，具体方法是删除文件头并将时间单位转换为秒。更新后的数据将保存为名为RM_Voltage_processed.txt的文本文件。

处理后的电压数据由分段线性导入元件“Signal Voltage”读取，并用于驱动环形调制器。分段线性导出元件“PD Current”会自动将光电探测器电流信号导出到名为PIN_output.txt的文本文件中，该文件位于与仿真文件相同的文件夹中。该文件可以在下一步中重新导入到Ansys Circuit的接收器电路中。

眼图分析仪会创建光电探测器产生的电信号眼图。

注意：此步骤中的脚本和仿真文件假定它们与上一步中的RM_Voltage.csv文件一样放置在工作目录中。您可以使用工具栏中的File>Change working directory来设置当前工作目录。“Signal Voltage”的filename属性必须指向process_voltage_data.lsf脚本创建的RM_Voltage_processed.txt文件，该文件由脚本放置在当前工作目录中。

步骤3：接收器电路

1. 返回Ansys Electronics Desktop中的Optical_transceiver.aedt项目。

2. 双击项目管理器中的“Receiver”电路，打开接收器电路原理图。

3. 右键单击项目管理器中的“Receiver”电路，然后选择Analyze以运行仿真。

I_PD分段线性电流源将从上一步INTERCONNECT仿真中保存的PIN_output.txt文本文件中导入光电探测器电流。VL电压表将记录负载电阻两端的电压。该电压的眼图将自动绘制在原理图上。

注意：接收器电路中I_PD元件的PWLFILE属性必须指向上一步中由INTERCONNECT创建的PIN_output.txt文件。默认情况下，它设置为指向与AEDT项目文件相同的位置。

数据交换的文件路径

在此工作流程中，AEDT和INTERCONNECT之间通过文本文件交换电信号。如果文件不在预期位置，工作流程将无法运行。上文“Run and Results”部分中描述的步骤假设此工作流程的所有文件都位于同一文件位置。

对于从AEDT到INTERCONNECT的交换，生成文件的文件名和路径由在项目管理器中右键单击Results>RM_Voltage并选择Export…时打开的对话框窗口决定。用作脚本process_voltage_data.lsf输入的文件是脚本第8行中指定的文件：

voltage_filename="RM_Voltage";

默认情况下，此文件位于INTERCONNECT的当前工作目录中。脚本的第10行会将“.csv”文件扩展名附加到此文件的名称中。脚本输出的文本文件将使用相同的名称，并在其后附加“_processed”，并放置在与输入文件相同的位置。

然后，INTERCONNECT仿真中的“Signal Voltage”元件（它是一个分段线性导入元件）会读取此文件中的数据。此元件读取的文件是使用filename属性设置的。

运行INTERCONNECT仿真时，“PD Current”元件（它是一个分段线性导出元件）会自动将其输入端口的电信号值导出到其filename属性指定的文本文件中。

分段线性导出元件导出的数据格式已经适合导入AEDT，因此无需进行任何编辑。该文件的数据由AEDT接收器电路中的“I_PD”元件（它是一个分段线性电流源）读取。读取的文件由该元件的PWLFILE属性指定。

电等效模型

调制器和光电探测器等光电元件的负载效应可以通过等效电路建模。这些电路通常由电阻、电容、电感和二极管等基本电子元件组成。这些元件的数值可以通过仿真计算得出，也可以从实验测量中提取。

在本工作流程中，调制器和光电探测器使用相对简单的等效电路来表示这些器件的电阻和电容。根据器件设计的具体细节，可以使用包含其他寄生电效应的更详细的等效电路。

多通道仿真

通过复 制本例中使用的元件，可以扩展此工作流程以包含多个通道。每个通道将有单独的文本文件用于在AEDT和INTERCONNECT之间传输信号，并且每个电路中都有单独的对应元件用于导出/导入信号。

参考文献

1. Signal Integrity Analysis in a Co-packaged Optics System using RaptorX-Spectre-INTERCONNECT Interop

2. Thermally aware photonic circuit simulation of a WDM transceiver – Icepak integration

3. Layout-aware statistical yield analysis – WDM transceiver

4. Wavelength division multiplexing