在这个例子中，结合Ansys Lumerical INTERCONNECT在建模光子集成电路（PIC）方面的功能与Icepak强大的热仿真能力，仿真和设计一个波分复用（WDM）收发器，并考虑来自封装中其他因素，例如电子集成电路（EIC）、印刷电路板（PCB）等）对散热的影响。
本文基于六通道波分复用（WDM）系统，介绍了如何通过仿真热感知光子电路来优化共封装光学（Co-packaged Optics, CPO）设计。该系统使用CPO设计，集成了光学和电气元件。电子集成电路（EIC）和印刷电路板（PCB）产生的热量导致CPO内部的温度变化，这可能会影响硅光子元件的性能。因此，本文的目标是：（1）通过热仿真了解CPO中的温度分布；（2）找到WDM元件在板上的最佳位置，以减轻电气元件散热带来的不利影响。
首先，使用Icepak对整个封装进行热仿真，生成并导出光子（硅）层的温度图用于光子电路仿真。
接下来，将温度图导入INTERCONNECT。在INTERCONNECT中运行多次仿真，以模拟光学元件在晶圆上的不同位置。通过分析眼图和误码率（BER）等性能指标，确定光学元件在晶圆上的最佳布局。
步骤1：在Icepak中进行热仿真
Icepak计算封装在工作时的温度，导出硅晶圆网格坐标及其对应的温度。
上图展示了用于热分析的PCB板，绿色层为硅晶圆，棕色层为PCB板，PCB与硅晶圆之间的连接采用球栅阵列。透明盒子是板上的EIC，EIC被用作启动热分析的热源。在此示例中，我们将EIC视为均匀热源，用户也可以加载EIC功率图以进行更复杂的热分析。
对于热仿真，EIC的热量来自芯片热模型（CTM）和从SIwave导入的焦耳热。晶圆底部的温度设置为50℃，顶部设置自然对流换热系数（HTC）。
注意：导出温度图需要使用Icepak的“Write Thermal Loads”ACT扩展。
步骤2：在 INTERCONNECT 中进行电路仿真
WDM传输链路在INTERCONNECT中用作测试平台。在INTERCONNECT中导入上一步生成的温度图，使用脚本在晶圆上设置WDM系统，并根据晶圆的温度图设置WDM电路中光学元件的温度。仿真中使用对温度敏感的紧凑模型（由CML编译器生成），可以根据更新的温度调整模型性能。之后运行INTERCONNECT电路仿真并获取性能指标的结果（BER和眼图）。通过比较不同位置（因此温度不同）的仿真结果，我们可以确定PIC元件的最佳位置。
步骤1：在Icepak中进行热仿真
1. 在Icepak中设置仿真，使用“Show/Hide ACT Extension”按钮显示隐藏的 ACT 扩展。
2. 导航到“Write Thermal Loads”扩展，并设置“目标文件夹”以保存温度图文件。
3. 在扩展中点击“完成”，温度图文件（.txt格式）将被保存到指定的目标文件夹。
整个板的温度如下所示，温度图文件保存了板网格（x、y和z坐标）及其对应的温度。
步骤2：在 INTERCONNECT 中进行电路仿真
光学板在晶圆上使用默认布局时的电路性能：
1. 在INTERCONNECT中设置WDM电路测试平台，该平台包含六个通道，可以使紧凑模型库构建所需组件。
2. 将.cml文件安装到Design Kits文件夹中。
3. 使用脚本设置光学器件位置，根据光学板在整个晶圆上的x和y偏移量，设置电路各组件的温度。
4. 运行INTERCONNECT仿真，绘制6个通道的眼图，并在眼图分析器中记录BER值。
脚本为指定的z位置生成晶圆的温度图。由于光学元件的高度相对于整个板较短，我们假设光学元件在z方向上具有均匀的温度分布，并在脚本中固定一个z值以生成温度图。光学板在图中用深蓝色的框表示，可以直观地看到光学板在晶圆上的布局位置以及该位置在工作时的温度。
在默认设置下，光学板放置在晶圆的0mm、0mm位置，工作温度约为60摄氏度。这是在考虑其他布线限制和温度的情况下，光学板的最佳布局之一（环模型的调谐功率最小）。以下是通道1的眼图和BER：
光学板在晶圆上移动位置后的电路性能（对比结果）：
1. 在设计脚本中更新光学板的位置。
2. 运行INTERCONNECT仿真， 绘制6个通道的眼图，并在眼图分析器中记录BER值。
3. 返回设计模式，运行脚本设置当前温度下环形调制器和共振器的最佳调谐电压。
4. 重复步骤2并记录结果。
电路中设计的环形调制器和共振器具有热调谐能力，使用脚本根据运行温度设置调制器的调谐电压，并通过热调谐使谐振器的性能保持稳定。
当光学板放置在晶圆原点处，工作温度约为70摄氏度，以下是通道1在未进行热调谐和进行热调谐后的眼图和BER：
环形调制器和共振器模型显示了环的调谐电压和功率，重新对环形调制器和共振器进行调整分别需要约0.022W和0.015W的功率。
● 使用新的CML：
构建电路的模块来自基于lumfoundry_template CML的Demo_CML。用户可以将构建模块替换为其他CML中的模型，以生成所需的WDM电路。
● 自定义性能指标：
在本例中，我们使用通道的误码率和眼图作为电路的性能指标。通过环形调制器和共振器的热调谐，可以使电路在相对稳定的温度下工作。如果眼图清晰且误码率几乎为零，我们可以选择其他性能指标作为衡量电路性能的标准，例如误差矢量幅度（EVM）。
● 多工具集成的全电路优化
在附录的示例中，我们展示了不同Lumerical求解器与optiSLang的协同优化：与optiSLang联合优化行波马赫-曾德尔调制器。本例中展示的流程可以适应于由optiSLang驱动的全电路优化，同时考虑了热效应。
● 使用其他测试平台电路
本例使用六通道WDM收发器作为温度效应的性能测试平台，但也可以用于其他电路。可以创建不同测试平台的仿真文件，根据需要的结果选择性使用。
附录：