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光模块PCB和光器件的仿真属于高速串行数据链路(high speed serial data link)仿真的一个小分支,涉及的东西相对比较少,一般只要能扎实的练习一个光模块仿真例子,不管是QSFP28还是CFP2的,其他类型模块的仿真都能应付,毕竟模块里面的东西都是大同小异。稍微要注意的是,光器件的仿真设计到光电转换(EO\OE),如何在仿真上准确的复现这种转换过程,就需要一些经验的积累。

下图是总结的光模块PCB和光器件级联仿真需要掌握的知识,主要分三大块,一是软件操作的知识,虽然仿真的东西不多,用的软件却不少,有五个;第二是关于PCB(含FPC)仿真的内容,主要是PCB的导入和裁剪简化,以及PCB上常见阻抗不连续性结构的优化仿真;第三是光器件的仿真,主要是评估器件的EO和OE响应带宽、眼图等,“利用芯片外围封装来改善器件的性能”是这一节很重要的思想。

先来看看仿真用到的5个软件,分别是HFSS、HFSS 3D Layout、Q2D\Q3D和circuit simulator,涵盖电磁场和电路分析软件,场路协同仿真已经是一种很流行的趋势了。建议大家升级到最新的软件版本,因为新版本的软件已经引入了很多重要的功能,比如直接在HFSS中使用S parameter model、支持PAM4仿真,支持宽带扫描等。各软件的功能就不介绍了,网上资料很多,在仿真的过程中,要灵活交叉使用这几个软件,节省建模和求解时间,进而减轻自己的工作量。

第二,关于光模块PCB的仿真,只要能掌握下面7个基本互连结构的优化仿真,你就出师了,接下来的任务就是做校准测试板,来提升你仿真模型的准确度。

第三、光器件的仿真,重中之重,要拿到芯片的等效电路模型,没有这个模型,器件的仿真也就失去了灵魂。有了这个模型,就可以将器件里面所有跟高频相关的封装S参数提取出来做级联仿真观察眼图和带宽,当然你也可以直接import hfss或Q3D model,不用额外提取S参数。还是那句话,封装有时候对性能影响很大,要特别注意外围封装的设计。另外仿真出来的响应带宽要平坦,不能有过大的ripple,而且好的带宽一定是对应好的眼图,反之亦然,如果对应不上,肯定是仿真模型用得不到位。

以上即是光模块PCB和光器件级联仿真需要掌握的知识,跟芯片的封装以及板级PCB比起来,东西要少很多,而且由于光模块仿真重复的东西很多,因此要将经常用到的模型慢慢积累,变成自己的通用模型,后面再仿真,只需要随用随调即可,不需要每次都去重复上一次的仿真工作,下图是个人的一些仿真模型分类,供参考。

无源通道(passive)的仿真通常要占据大部分的工作时间,我们先从无源仿真开始来介绍下使用ANSYS AEDT来仿真光模块的基本流程。纯无源的仿真主要是优化和提取阻抗不连续结构、封装、PCB走线的S参数、调整通道阻抗,最终的目标是让通道的反射和串扰最小,带宽足够大。

无源通道的仿真分layout前仿真和layout后仿真,请参考下面红黑箭头指示方向,都是从PCB的导入开始的,layout前仿真是在HFSS 3D layout中,将各阻抗不连续结构(金手指、过孔、耦合电容、pcb和fpc的interface等)裁剪出来,然后export至HFSS中进行局部的优化,待优化好了之后,将相应的结构尺寸参数导给layout工程师,让他修改PCB。这里为什么不直接在HFSS 3D layout中进行优化呢,因为3D layout画图能力比较弱,尽管可以参数化设置一些变量,但是远不如在HFSS中优化方便,因此局部的优化都建议在HFSS中进行,其他的光器件和高速submount的仿真也需要在HFSS中进行。

但是layout后仿真我建议直接在3D layout中完成,当然你用HFSS也完全可以应付此工作,只不过又来一遍模型的导进导出,相对比较繁琐。在3D layout中,将需要分析的net裁剪出来后,你可以导入3d component,光模上常见的就是QSFP28 connector、SFP+ connector以及SMA转接头这些,这样就可以进行整个无源通路的仿真了,而且利用3d layout的phi mesh,在网格剖分上可以节省一点时间,毕竟layout后仿真,模型都比较大了,30万以上的网格数很常见。

无源仿真性能调整的差不多以后,就要进行整个TX和RX通道的级联仿真,属于有源仿真,需要观察通道的电压、电流波形、眼图以及EO/OE响应带宽等,下面是一个DML模型发射通道的整体仿真总结图示,也有一些细节需要自己小心处理,请参考下图中的文字说明。

上面即是光模块PCB和光器件仿真概述,要仿真的东西不多,要小心处理的地方却也不少,以上内容,只是我个人经验的一些总结,有错误的地方,请多包涵,谢谢!

以下文章来源于ANSYS老兵 ,作者刘星925

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