【应用】Keysight ADS提供通用的PAM4 PRBS源和TX/RX模型助力光模块设计与仿真

时间： 2020-02-26 来源：Keysight

即便放眼全球，5G和云计算也都是日常霸屏的科技词汇，而在这些应用背后，都有一个默默奉献的身影——光通信。

光通信如今业已成为现代通信业的支柱，电信市场（典型如5G通讯）和数通市场（典型如大型互联网数据中心）是目前光通信的两大重要应用领域，而武汉恰恰是光通信产品设计和生产的一个大本营。

一场突如其来的疫情，为武汉按下了暂停键。光通信产业也多少受到了一些影响，但我们始终坚信：没有一个冬天不会过去，没有一个春天不会到来。技术宅要做的就是在冬天里储备好足够的知识技能，为即将到来的全面复产做好准备。

今天，我们就和武汉工程师易泽宇一起，学习一下高速光模块的电路设计与仿真。

文章主要目录如下：

01. 光模块概述

02. 光有源器件建模

03. PAM4 通道仿真

04. 光模块三维电磁场仿真

05. 信号完整性仿真在光模块上的其他应用

01. 光模块概述

光通信在应用过程中所涉及的产品主要包括光纤光缆、光模块、光通讯设备等。其中光模块是光通信系统的核心器件，主要用于光电转换。

光模块的工作原理是：在发送端，电信号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动控制电路，输出功率稳定的光信号。通过光纤传送后，在接收端，一定速率的光信号输入接收模块后由光探测器转换成电信号，再经前置放大器后输出相应速率的电信号。

光模块由多个光器件封装而成，一般包括光发射组件（TOSA，含激光器芯片）、光接收组件（ROSA，含光探测器芯片）、驱动电路和光、电接口、导热架、金属外壳等。

光通讯传输速率越来越高，100G、200G早已规模性使用，400G也早已有样品交付，甚至800G也已开始在实验室研发，而如何设计高质量的光模块，至关重要。传输速率的增加，给光模块的设计带来了全方面的挑战，如信号完整性、电磁兼容等。如何通过仿真，提高光模块设计能力，减少光模块产品设计迭代次数，缩短设计周期，是很多光模块公司关心的问题。

02. 光有源器件建模

光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，可谓是光传输系统的心脏。要想对整个光电链路进行仿真，就需要能够对光有源器件进行准确建模。

KEYSIGHT ADS是主流的搭建光有源器件等效电路模型的仿真软件。使用ADS，既可以对光有源器件进行小信号建模，也能进行非线性的建模，更准确的描述光器件行为。下图是在ADS里，对一个VCSEL激光器进行原理图建模并进行时域仿真验证的例子：

除了对光有源器件进行等效电路建模，我们还可以在Keysight SystemVue软件中，利用速率方程对光有源器件的测试数据(如LI，VI等)进行拟合，并生成IBIS ami格式的行为级模型，再放到ADS里完成全通道仿真。下图是对一个VCSEL激光器进行IBIS ami建模的例子：

应用此方法对不同温度下LI曲线的拟合结果：

生成IBIS ami模型后我们就可以在ADS里做通道仿真，得到眼图等关键信息：

03. PAM4 通道仿真

Keysight ADS一直是业内进行通道仿真的标杆工具，而其对通道仿真的强大支持不仅局限于传统的NRZ编码，对PAM4的支持也是全方位的。具体体现为：

1. 在设计初期，ADS提供通用的PAM4 PRBS源和TX/RX模型，既能支持瞬态仿真，也能支持通道仿真。

下图为ADS通道仿真面板中的PAM4 TX通用模型，该TX模型支持用户自定义均衡方式，并内置了基于OIF CEI等规范的CTLE传递函数，让用户可以在还没有准确的PAM4芯片模型时，就可以自己动手进行方便的通道仿真：

2. ADS支持包含PAM4芯片IBIS ami模型的全通道仿真。此外，在工程师还无法从供应商处拿到所用PAM4芯片的IBIS ami模型时，Keysight提供一组通用的PAM4 IBIS ami模型，仍能帮助工程师进行前期的通道评估。

下图是在ADS里进行含IBIS ami模型的通道仿真的案例，仿真结束后，我们可以查看PAM4眼图，浴盆曲线，BER contour等关系的指标：

下图是在DesignCon上，使用ADS进行PAM4通道仿真与实测的比对：

3. 众所周知，Keysight的采样示波器有非常强大的PAM4测试能力，其分析软件FlexDCA，更是内置了非常全面的PAM4测试项。

现在，ADS提供FlexDCA probe，当用户使用ADS完成PAM4的通道仿真后，通过该Probe可以直接实时的将仿真结果自动导入FlexDCA软件，从而允许用户一键查看诸如眼高、眼宽、线性度、消光比、OMA、TDECQ等指标。下图是一个很好的展示：

04. 光模块三维电磁场仿真

在光模块的仿真设计中，也有很多需要用到三维电磁场仿真的场景，例如TO封装的仿设计，光电连接头的仿真设计，光模块的EMI仿真设计等。这些三维电磁场仿真的应用，可以在Keysight EMPro中进行。

EMPro同时提供频域有限元FEM算法和时域有限差分FDTD算法，这就允许客户根据求解问题的复杂程度/端口数量/应用需求等条件，灵活选择合适的算法进行三维电磁场仿真。

例如下图是对一个TO封装进行S参数仿真的示例：

而下图是对同一个封装进行EMI仿真分析的示例：

05. 信号完整性仿真在光模块上的其他应用

除了以上一些光模块特有的仿真，光模块与很多其他的高速应用(如HDMI/USB/SATA等等)一样，会有许多高速信号的仿真需求，这些需求都可以在ADS/EMPro里得到满足。

例如光模块中的PCB的信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的仿真，生产良率/灵敏度/蒙特卡洛分析的仿真，分布式的仿真等等，这些在过往或今后的高速仿真专题中会有详细描述，这里不在赘述。

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