随着对更高带宽、更低功耗和更短延迟的需求不断增加，超大规模数据中心正在重新定义数据传输技术的极限。通过先进的仿真工作流程和多物理场集成，工程师可以为新一代数据中心设计、优化和验证光耦合系统。利用Ansys光学软件对光子芯片组件以及光纤到芯片（fiber-to-chip）耦合进行仿真，工程师能够以创新的、仿真驱动的方法，来加速设计流程并提高系统性能。本白皮书概述了使用Ansys光学产品解决光纤到芯片耦合问题的关键仿真解决方案。
数据连接是当今技术时代的决定性因素之一
数据生成与消耗的爆炸式增长正在挑战我们现有网络和计算基础设施的极限，尤其是在超大规模数据中心中。移动通信（5G+）、元宇宙、人工智能（AI）、物联网（IoT）和科学计算等常见应用，是主要驱动因素。
Ansys光学产品的作用
Ansys光学仿真工具产品组合包括：用于光子芯片（组件和电路级）的Ansys Lumerical产品套件，以及用于封装级光纤到芯片耦合的Ansys Zemax OpticStudio™软件。通过与EIC仿真生态系统伙伴合作，并结合Ansys面向电子、半导体、流体和结构力学仿真的完整产品组合，可以对CPO和OIO系统涉及的所有不同物理效应进行分析。此外，Ansys optiSLang® 软件可以协调这些工具之间的复杂工作流程，并利用AI和机器学习（ML）技术执行系统优化。
选择合适的光纤到芯片耦合机制
优化光纤到芯片耦合至关重要，因为它会直接影响系统的功耗效率、可靠性和带宽能力。核心问题在于光纤与PIC波导之间的尺度差异，其既体现在物理组件的尺寸方面，也体现在内部光模场上。因此，需要一个涵盖从晶圆到封装级元件的完整子系统来解决这个问题。该系统通常由三个主要部分组成：片上耦合器、中间区域和光纤连接件。
设计和优化片上耦合器
Ansys Lumerical FDTD软件中的时域有限差分（FDTD）求解器是一款通用、全矢量3D电磁求解器，非常适用于垂直耦合中使用的复杂光栅几何结构。然而，FDTD软件在长距离传播（在边缘耦合所采用的SSC中较常见）应用中效率较低。在这种情况下，如果光主要沿单一方向传播，则MODE软件中的本征模展开（EME）求解器可能是更高效的选择。
(a.) SSC图，显示了倒锥形在模场转换中的作用；(b) 沿传播方向的场分布和代表性横截面，显示了模场演变
系统优化
然而，优化此系统仍然是一项艰巨的任务。对于需要多个求解器和多个仿真阶段的系统优化问题，我们需要使用optiSLang软件等专用工具，该工具有助于实现仿真工作流程自动化，从而改进优化流程。通过利用optiSLang软件中的Lumerical和OpticStudio模块，我们可以在统一的设计环境中设置整个工作流程。
optiSLang软件中一个展示系统输出与输入之间关系的响应曲面示例
通过公差分析提高良率
优化阶段得到的最优设计，未必是实际实施的最优方案。这是因为，与任何系统一样，光耦合系统在制造过程和运行过程中都会经历变化。这些变化可能会影响片上耦合器、微光学元件的设计参数，或两者之间的相对位置，导致片上耦合器效率下降、光束进出光纤的聚焦不良，以及两者之间的失准。所有这些都会导致耦合损耗增加，需要通过向激光源提供更高功率，或在系统中采用更复杂的纠错电路来补偿，以抵消额外损耗所引起的误差。这样，就背离了使用共封装光学器件的初衷。
单光纤到多光纤阵列
现代数据中心和高性能计算机互连的数据传输要求很高，因此在CPO中必须使用大量光学通道来满足带宽需求。这意味着我们不仅需要设计单根光纤到芯片的耦合，而且还需要设计光纤阵列到芯片的耦合。虽然，在理想情况下，多光纤阵列中每根光纤的基准设计应与单光纤耦合系统相同，但由于阵列中相邻光纤之间可能存在相关性，多光纤阵列的公差分析可能要复杂得多。此外，鉴于系统的庞大规模，对涉及光纤阵列的耦合系统进行物理仿真可能不切实际，甚至无法实现。此时，我们可以利用紧凑模型来高效设计光纤阵列。
多物理场考量因素
在确定多光纤光耦合系统的最优设计后，我们需要开始考虑多芯片CPO封装中来自其他组件的、可能影响耦合效率的因素。这些影响可能包括：封装中其他部分产生的热效应通过折射率调制影响芯片上耦合器的性能，以及机械应力和振动导致的光子芯片翘曲及多光纤阵列变形。Ansys光学产品与Ansys的多物理场工具套件集成，包括Synopsys RedHawk‑SC Electrothermal™软件、Ansys Icepak®软件和Ansys Mechanical™软件，可用于评估这些效应对光耦合系统性能的影响。
光子学通过实现高速、低损耗和大带宽数据通信通道，成为了开启人工智能时代的关键。无论是通过CPO、NPO、OBO还是其组合来实现，我们都必须解决设计稳健且高效的光耦合系统这一挑战。Ansys光学产品凭借其丰富的仿真工具，以及与更广泛的Ansys多物理场仿真产品组合的紧密集成，为应对这一挑战提供了卓越的解决方案。
关于新科益
新科益系统与咨询（上海）有限公司作为Ansys Elite Partner全球精英级合作伙伴，致力于CAE仿真领域30余年，拥有资深的技术服务团队以及完整的培训和服务体系，为客户提供基于Ansys仿真平台多学科的仿真支持，包含：结构、碰撞、流体与热、电磁、光学、功能安全、材料数据管理等全线仿真领域；在新加坡、北京、上海、深圳、等都有本地的技术服务团队，为用户提供业界领先的仿真技术和及时专业的服务。
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