什么是硅光子？光子IC設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

什么是硅光子？

硅光子是一種利用光傳輸數(shù)據(jù)的IC技術(shù)，光通過光波導(dǎo)芯片進行傳播（圖1）。硅光子最廣為人知的用途是解決“高輸入/輸出帶寬”應(yīng)用問題。例如，由于數(shù)據(jù)中心對帶寬的需求持續(xù)增長，光纖收發(fā)器在電路板和IC芯片上的應(yīng)用越來越密切。不過，設(shè)計人員也將這種技術(shù)應(yīng)用于生物傳感器、醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測。無論何種應(yīng)用，光子IC總是需要集成到電子電路中，這就帶來了一些獨特的挑戰(zhàn)。光子集成電路（PIC）需要如下關(guān)鍵功能：

? 光的生成：利用激光或發(fā)光二極管（LED）作為外部光源，或者將其安裝在IC上，甚至與IC密集地集成；后面兩種情況越來越多。

? 光的調(diào)制：用于切換或調(diào)制光載波上的數(shù)據(jù)流。其原理是利用波導(dǎo)核心中電載流子（電子和空穴）的密度來調(diào)制光的相位，或者利用電吸收來調(diào)制光的振幅。

? 分割、耦合與交叉：光在路由過程中，常常需要分割出部分光功率以供監(jiān)控，與IC耦合和解耦，或者兩個波導(dǎo)交叉。

? 光的檢測：采用對光強度敏感的光電二極管。? 波長濾波：濾除特定波長的光，或者利用單個光波導(dǎo)將多個波長加以合并。

? 耦合到芯片周圍的系統(tǒng)：采用連接到光纖、電路板級波導(dǎo)或自由空間光學(xué)元件的光“探針焊盤”。

圖1：布置在波分復(fù)用鏈路中PIC的組件

光子IC設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

設(shè)計人員能夠?qū)嶋H設(shè)計和仿真的功能遠沒有發(fā)揮硅光子技術(shù)的潛力。造成此差距的原因是如下幾個重大挑戰(zhàn)：1. PIC的物理版圖。光子版圖與電子版圖大不相同。光子器件常常包含曲線形狀以定義光滑的波導(dǎo)彎曲。為了避免傳播損耗，此類波導(dǎo)需要滿足最小彎曲半徑要求。光子電路版圖通常是在一層上，而在單層上為復(fù)雜電路布線是很困難的，常常需要交叉互連，否則可能無法完成。

設(shè)計人員通常希望全面掌控版圖的每一個細節(jié)，但同時也期望更高程度的自動化。2. PIC的物理驗證。光子設(shè)計通常需要一套特殊的設(shè)計規(guī)則檢查（DRC），由于波導(dǎo)的曲線路徑，這些檢查可能不容易實現(xiàn)。一個很大挑戰(zhàn)是版圖與原理圖的比較（LVS）驗證。若不執(zhí)行全面的電磁仿真，要從PIC版圖獲知功能行為并不容易。簡單地檢查設(shè)計互連也是很困難的（圖2）。

圖2：（a）正確連接；（b）有物理接觸但角度不匹配，導(dǎo)致?lián)p耗和反射；（c）相鄰波導(dǎo)即使沒有物理接觸，也可能短暫耦合；（d）波導(dǎo)可以交叉，但沒有或只有很少的耦合。

3. 制造工藝的變化。硅光子的高折射率對比度將光限定在亞微米波導(dǎo)芯中。但是，有效折射率取決于橫截面的實際幾何形狀。關(guān)鍵尺寸在200nm上的納米級變化對光行為有相當大的影響。制造工藝的可變性效應(yīng)不僅是電路仿真高效性面臨的挑戰(zhàn)，而且這種可變性也是硅光子學(xué)領(lǐng)域相對不成熟的原因之一。

4. 硅光子設(shè)計的定制屬性。當今用于硅光子的晶圓代工廠工藝設(shè)計套件通常包含20~50個基本單元，其成熟度尚不是非常高。在第一次迭代之后，大多數(shù)IC設(shè)計的基本單元是定制設(shè)計的，需要進行大量器件仿真（電磁、電光和熱特性）。而且預(yù)計未來這種情況會持續(xù)下去。半導(dǎo)體工藝及器件仿真工具（TCAD）不僅是代工廠的領(lǐng)域，也是各設(shè)計團隊的主要工作。因此，器件TCAD必須與其他設(shè)計流程有效耦合。此外，設(shè)計人員通常希望全面掌控所有細節(jié)，而不是全盤利用自動化。

5. 復(fù)雜光子電路與電子電路集成的協(xié)同設(shè)計。由于光子電路和電子電路性質(zhì)大不相同，這給兩種電路的版圖組合提出了一些挑戰(zhàn)。電子電路的布線不得影響光行為，反之亦然。更大的挑戰(zhàn)是光子電路和電子電路的協(xié)同仿真，因為光波是超高頻電磁波（300THz）。電路仿真通常利用仿真器來執(zhí)行，其采用的形式體系與電子仿真所用的SPICE仿真器非常不同。

6. 從學(xué)術(shù)成果到生產(chǎn)級IC的設(shè)計流程升級?？煽康脑O(shè)計流程要求將應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的光子功能集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境中。版圖、建模和功能測試不僅要納入單一流程中，而且要集成到已有的使用設(shè)計人員熟知范例的電子設(shè)計環(huán)境中。

IPKISS.EDA設(shè)計框架解決方案

由于PIC設(shè)計人員需要全面掌控其設(shè)計框架以確保制造的IC與其設(shè)計完全一致，并且需要克服光子電路挑戰(zhàn)，Luceda Photonics為此創(chuàng)建了IPKISS.eda設(shè)計框架（圖3）。此框架建立在Tanner L-Edit版圖編輯器之上，可與Tanner Calibre? One物理驗證套件無縫銜接。L-Edit 豐富的版圖功能與IPKISS參數(shù)化光子器件庫和工藝開發(fā)套件（PDK）相結(jié)合，使設(shè)計人員能夠?qū)⒐庾悠骷戏诺狡浒鎴D中并立即通過波導(dǎo)相連，并且可以全面操控橫截面形狀、彎曲和軌跡。通過仿真考量布線后效應(yīng)，例如波導(dǎo)交叉引起的反射和衰減等。IPKISS.eda含有一個用于光學(xué)域的簡化模型仿真器CAPHE，它可以處理大型光學(xué)電路，包括高度非線性的器件和反饋。器件模型以及版圖與模型視圖之間的緊密耦合會考慮電路的實際版圖。設(shè)計流程支持DRC工具，以確保提交給晶圓代工廠的設(shè)計具有高質(zhì)量。在IPKISS.eda中，設(shè)計人員可以通過Python腳本語言精細控制設(shè)計流程的每一個方面。

圖3：IPKISS.eda PIC設(shè)計流程Luceda Photonics首席技術(shù)官Pieter Dumon表示：“光子IC設(shè)計人員越發(fā)迫切希望能夠一次設(shè)計便獲成功，就像電子IC設(shè)計人員那樣。因此，我們把可信賴的IPKISS光子IC設(shè)計工具集成到L-Edit中，使得光子IC設(shè)計人員能將專業(yè)PIC知識結(jié)合到可靠的電子設(shè)計流程中，從而提高其設(shè)計良率。我們選擇與Tanner團隊合作的原因是L-Edit功能與PIC設(shè)計契合得非常好，并且他們的熱情支持能為他們的工具帶來創(chuàng)新的解決方案。

”L-Edit支持由Si2管理的OpenAccess數(shù)據(jù)庫標準，該組織宣稱：“OpenAccess數(shù)據(jù)庫是全球使用最廣泛的IC設(shè)計開放參考數(shù)據(jù)庫，支持標準API。其開發(fā)宗旨是在EDA公司、半導(dǎo)體設(shè)計人員和制造商之間創(chuàng)造真正的互操作性。它的運用已提高了全行業(yè)的設(shè)計流程效率?！盠-Edit與IPKISS.eda的集成是利用OpenAccess插件實現(xiàn)的，它將IPKISS對象轉(zhuǎn)換為OpenAccess對象。通過該插件，IPKISS.eda框架可以從OpenAccess數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生參數(shù)化單元（P-Cell）的實例。設(shè)計人員在L-Edit中通過OpenAccess API透明地實例化IPKISS P-Cell，從而在L-Edit和IPKISS.eda中的單元與參數(shù)之間形成一對一映射。該框架還對OpenAccess數(shù)據(jù)庫中的組合層進行編碼，以便其能被L-Edit讀取。

此插件采用Si2 oaScript，其在Python腳本語言與OpenAccess數(shù)據(jù)庫之間提供一個接口。IPKISS.eda框架包括自定義L-Edit宏，其提供光子專用功能以設(shè)計光子電路，例如布線和繪制波導(dǎo)等。這些宏直接使用L-Edit用戶可編程接口（UPI）和OpenAccess數(shù)據(jù)庫。UPI提供一組強大的工具用以自動化、定制和擴展L-Edit命令及功能。這些自定義宏利用Python寫成，所以該框架在L-Edit中嵌入了一個Python解釋器。案例說明了解該解決方案的概要步驟最好的方法是通過一個案例說明：設(shè)計一個2 x 2光學(xué)縱橫交換器（圖4），它能擴展為一個完整的N x N交叉連接矩陣。有4個光柵耦合器，用于將光信號連接到光纖，以及連接用于電子轉(zhuǎn)換信號和接地信號的焊盤。

圖4：2 x 2交叉連接開關(guān)架構(gòu)設(shè)計的主要構(gòu)造塊是1 x 2熱光Mach-Zehnder干涉儀（MZI）開關(guān)（圖5）。1 x 2分光器將光信號分離到MZI的兩條臂中。臂中的加熱器由電信號操控。兩臂中的信號耦合到2 x 2組合器中以便饋入下一級。

圖5：熱光MZI開關(guān)為了設(shè)計此交換器，設(shè)計人員可執(zhí)行下列步驟：1. 運用L-Edit，設(shè)計人員從庫中拖放MZI開關(guān)的實例，然后設(shè)置器件參數(shù)，以便構(gòu)造該交換器。庫中還包含預(yù)定義波導(dǎo)、光纖耦合器、濾波器、光子晶體、I/O元件和容器，可實現(xiàn)扇出和光端接等功能。

2. 運用L-Edit All Angle Wire工具，設(shè)計人員用飛線連接端口。

3. 然后，設(shè)計人員通過自動布線或手動布線來產(chǎn)生控制形狀和彎曲的波導(dǎo)。IPKISS.eda負責(zé)精準對齊光纖端口，且匹配精度達到納米水平。

4. 在L-Edit中，設(shè)計人員調(diào)整波導(dǎo)路徑并分析或引入交叉。光子電路通常是在單個布線層中實現(xiàn)，因此版圖中關(guān)于電路拓撲的即時視覺反饋（例如不需要的交叉）可以減少設(shè)計時間和潛在錯誤。如需要，設(shè)計人員可手動從庫中插入交叉元件，并將其連接到對應(yīng)的開關(guān)。IPKISS.eda隨后生成新的波導(dǎo)。

5. 然后，設(shè)計人員增加焊盤，并利用L-Edit Orthogonal Wire工具連接焊盤。

6. 利用L-Edit與Tanner Calibre One nmDRC?，設(shè)計人員可以輕松地根據(jù)晶圓代工廠提供的規(guī)則驗證電路有無DRC違規(guī)，并與結(jié)果輸出的瀏覽器和版圖進行交互。不過，IPKISS.eda中嵌入的規(guī)則屬性可避免許多曲線形狀布線所造成的常見DRC違規(guī)。

7. 關(guān)于功能驗證，設(shè)計人員可以利用IPKISS.eda中的CAPHE光學(xué)電路仿真器來驗證器件的參數(shù)更改、交叉的連接或插入如何影響功能行為。CAPHE仿真器可在頻域或時域中構(gòu)建并仿真光學(xué)電路。執(zhí)行布線后仿真時，版圖編輯器和光學(xué)仿真器之間需要頻繁互動，而CAPHE已與IPKISS有緊密的集成。設(shè)計人員可以靈活利用這種集成。例如，設(shè)計人員可以構(gòu)建版圖以利用電路仿真完成自身設(shè)計。比方說，環(huán)的半徑可以利用電路仿真來計算，使之與某一光諧振匹配。因為這種集成，參數(shù)化元件可以具有很高的智能，并且可以從L-Edit直接訪問這種智能。如需要，IPKISS.eda可以深入物理域并啟動各個單元的電磁仿真，從而構(gòu)建器件模型。

結(jié)語

IPKISS設(shè)計框架支持將光子集成電路的電路仿真與版圖設(shè)計流程緊密集成。光子IC設(shè)計人員非常熟悉從版圖開始設(shè)計，因為設(shè)計復(fù)雜性源于單元的多樣性、復(fù)雜性以及單元的互連，而非單元的數(shù)目。由于版圖和具體實施方案的選擇對電路行為影響甚大，因此設(shè)計人員需要IPKISS.eda提供的精細控制。該框架與L-Edit的集成有助于定義和反復(fù)迭代物理版圖的連接，分析DRC結(jié)果，以及高效執(zhí)行布線后功能驗證，所有這一切都是在同一設(shè)計環(huán)境中完成。

關(guān)于Luceda Photonics

Luceda Photonics希望讓光子IC工程師擁有與電子IC工程師一樣的“一次設(shè)計成功”的設(shè)計體驗。Luceda Photonics的工具和服務(wù)植根于其在光子集成電路（PIC）設(shè)計領(lǐng)域50余年的經(jīng)驗。該團隊在工藝設(shè)計套件（PDK）開發(fā)和光子集成電路設(shè)計與驗證方面的專長，已被全球多家研究機構(gòu)和工業(yè)研發(fā)團隊采用。麥姆斯咨詢和Mentor建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，麥姆斯咨詢代理銷售Tanner系列EDA軟件，并開展專題研討會及培訓(xùn)課程。