硅光LiDAR芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)展

最近，硅光領(lǐng)域的初創(chuàng)公司 SiLC Technologies 推出了一系列名為 Eyeonic Vision 的產(chǎn)品，可應(yīng)用于商用 FMCW 激光雷達(dá)。這些產(chǎn)品的工作范圍可覆蓋從幾十米到一公里的距離，這一創(chuàng)新標(biāo)志著硅光技術(shù)在商業(yè)激光雷達(dá)產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用邁出了重要的一步。

硅光技術(shù)在商用領(lǐng)域不斷成熟發(fā)展，這不僅得益于硅光芯片產(chǎn)線的不斷升級和良品率的提高，還得益于上游的設(shè)計(jì)工具(EDA/PDA)制造商和流片廠之間日益深入的合作。先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和高效的設(shè)計(jì)流程是縮短產(chǎn)品上市時間的關(guān)鍵因素。

在硅光 FMCW 激光雷達(dá)方案中，實(shí)現(xiàn)高密度的掃描和發(fā)射部件設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)點(diǎn)云質(zhì)量和擴(kuò)大探測距離的常見策略之一。在純固態(tài) FMCW 激光雷達(dá)中，通常以光學(xué)相控陣(OPA)作為掃描和發(fā)射部件,其主要原理是用熱光或者電光的器件動態(tài)調(diào)控各波導(dǎo)的光場相位，從而改變在發(fā)射器件中的光發(fā)射相位，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場中多波干涉加強(qiáng)后的光場打到被測物上的目的。利用不同格式的發(fā)射信號和檢測技術(shù)可以得到物體的位置和速度信息。以一維 OPA 為例，它通常由樹狀分光器(SplitterTree)、光相移器(PhaseShifter)、光發(fā)射天線(Optical Antenna)等模塊構(gòu)成。

OPA架構(gòu)示意圖

(圖片源于: LUCEDA 網(wǎng)站)

OPA 的設(shè)計(jì)是分層的，每個模塊均由不同的子器件和線路組成，提高掃描和發(fā)射部件的密度，意味著需要在有限芯片面積內(nèi)增加上述三個模塊中的器件及布線波導(dǎo)的數(shù)目，這將會大大增加整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此，要想獲得高密度且無誤的 OPA 設(shè)計(jì)版圖，引入版圖與原理圖對比(Layout Versus Schematic，LVS)是至關(guān)重要的。它不僅有助于設(shè)計(jì)師迅速檢查器件之間的連接性問題，還能根據(jù)實(shí)際需要靈活提取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

OPA版圖與原理圖對比

(圖片源于: LUCEDA 網(wǎng)站)

在 Luceda 設(shè)計(jì)平臺中，IPKISS Canvas 可以實(shí)現(xiàn)一鍵生成與版圖相對應(yīng)的原理圖，同時還提供了版圖參數(shù)反標(biāo)功能。所謂反標(biāo)的意思是，它可以將設(shè)計(jì)師關(guān)心的版圖結(jié)構(gòu)參數(shù)從 GDS 中提取出來，并且標(biāo)注在原理圖上，方便對關(guān)鍵版圖參數(shù)做復(fù)查，這樣就能滿足上述的復(fù)雜設(shè)計(jì)需求。

實(shí)現(xiàn)流程是，在完成版圖設(shè)計(jì)后，只需通過"to_canvas()" 語句，即可自動生成相應(yīng)的原理圖，從而可以在圖形化工具中直觀地檢查每一層子線路的連接性(包括光波導(dǎo)和金屬線)以及關(guān)鍵版圖參數(shù)，從而最大程度地降低設(shè)計(jì)錯誤的可能性。這里以樹狀分光器為例，LVS 實(shí)現(xiàn)過程如下：

目前 Luceda 平臺的 LVS 可以提供的復(fù)核內(nèi)容包括：

波導(dǎo)和金屬線的連接性，包括端口匹配、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的正確性等。

關(guān)鍵版圖參數(shù)的提取，包括波導(dǎo)彎曲半徑、波導(dǎo)長度和使用的波導(dǎo)類型。

子線路的參數(shù)是否正確，包括各器件模型信息、器件間距和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

在 OPA 版圖設(shè)計(jì)和仿真階段，IPKISS Canvas 提供了以標(biāo)準(zhǔn) PDK 框架出發(fā)的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，OPA 的設(shè)計(jì)可以直接從原理圖出發(fā)，幫助設(shè)計(jì)師快速進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和線路仿真，這個過程稱為原理圖驅(qū)動版圖設(shè)計(jì)(Schematic Driven Layout，SDL)。以 SplitterTree 為例，SDL 實(shí)現(xiàn)過程如下：

加載目標(biāo)流片廠的 PDK 庫。

通過拖拽的方式完成 SplitterTree 的原理圖設(shè)計(jì)。

調(diào)整每個器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

生成對應(yīng)的版圖代碼，并生成版圖。

生成仿真代碼，對原理圖性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

當(dāng)然，原理圖仿真和對應(yīng)版圖的生成是可以交替進(jìn)行的。這種方法可以用直觀和便捷的方式生成與目標(biāo)流片廠規(guī)則完全匹配的 SplitterTree 版圖。通過原理圖和版圖的自動相互綁定和轉(zhuǎn)換，不僅減少了不同設(shè)計(jì)工具之間的冗余操作，降低了人為誤差，還可以用一種弱代碼交互的方式快速生成理想的版圖設(shè)計(jì)。這種圖形化界面與代碼雙驅(qū)動的方式，可以滿足團(tuán)隊(duì)中不同設(shè)計(jì)師的需求和設(shè)計(jì)習(xí)慣。

另外，Luceda IPKISS 還提供了豐富的自動化設(shè)計(jì)函數(shù)，包含多種布線波導(dǎo)和彎曲優(yōu)化算法，可幫助設(shè)計(jì)師快速完成復(fù)雜的波導(dǎo)和金屬線布線，以滿足不同場景下的需求。常見自動化函數(shù)包括 Manhattan、SBend、ManhattanBundle、Partial Euler Bend、Partial Spline Bend 等。軟件的自動化功能與全球 20 多家不同材料平臺的流片廠設(shè)計(jì)規(guī)則相結(jié)合，可以幫助設(shè)計(jì)師輕松生成 可直接制造的 芯片設(shè)計(jì)版圖。

LUCEDA IPKISS中提供的自動布線函數(shù):

(圖片源于: LUCEDA 網(wǎng)站)

Luceda IPKISS 是一款強(qiáng)大的光電子芯片設(shè)計(jì)工具，支持不同材料平臺的流片廠工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，為設(shè)計(jì)師提供了高度自動化的工具和工作流程，包括原理圖設(shè)計(jì)、版圖生成和仿真驗(yàn)證等，使設(shè)計(jì)師能夠輕松生成可直接制造的芯片設(shè)計(jì)，從而加速產(chǎn)品開發(fā)。這個工具有助于促進(jìn)硅光技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域中的應(yīng)用和創(chuàng)新。

來源：光學(xué)小豆芽

審核編輯：湯梓紅