硅光LiDAR芯片設計的進展

最近，硅光領域的初創(chuàng)公司 SiLC Technologies 推出了一系列名為 Eyeonic Vision 的產(chǎn)品，可應用于商用 FMCW 激光雷達。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)新標志著硅光技術在商業(yè)激光雷達產(chǎn)品中的廣泛應用邁出了重要的一步。

硅光技術在商用領域不斷成熟發(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，還得益于上游的設計工具(EDA/PDA)制造商和流片廠之間日益深入的合作。先進的設計工具和高效的設計流程是縮短產(chǎn)品上市時間的關鍵因素。

在硅光 FMCW 激光雷達方案中，實現(xiàn)高密度的掃描和發(fā)射部件設計是提高系統(tǒng)點云質(zhì)量和擴大探測距離的常見策略之一。在純固態(tài) FMCW 激光雷達中，通常以光學相控陣(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，最終實現(xiàn)遠場中多波干涉加強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 的設計是分層的，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的數(shù)目，這將會大大增加整體設計的復雜性。因此，要想獲得高密度且無誤的 OPA 設計版圖，引入版圖與原理圖對比(Layout Versus Schematic，LVS)是至關重要的。它不僅有助于設計師迅速檢查器件之間的連接性問題，還能根據(jù)實際需要靈活提取關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便設計師進行設計驗證。

OPA版圖與原理圖對比

(圖片源于: LUCEDA 網(wǎng)站)

在 Luceda 設計平臺中，IPKISS Canvas 可以實現(xiàn)一鍵生成與版圖相對應的原理圖，同時還提供了版圖參數(shù)反標功能。所謂反標的意思是，它可以將設計師關心的版圖結(jié)構(gòu)參數(shù)從 GDS 中提取出來，并且標注在原理圖上，方便對關鍵版圖參數(shù)做復查，這樣就能滿足上述的復雜設計需求。

實現(xiàn)流程是，在完成版圖設計后，只需通過"to_canvas()" 語句，即可自動生成相應的原理圖，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(包括光波導和金屬線)以及關鍵版圖參數(shù)，從而最大程度地降低設計錯誤的可能性。這里以樹狀分光器為例，LVS 實現(xiàn)過程如下：

目前 Luceda 平臺的 LVS 可以提供的復核內(nèi)容包括：

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

關鍵版圖參數(shù)的提取，包括波導彎曲半徑、波導長度和使用的波導類型。

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 版圖設計和仿真階段，IPKISS Canvas 提供了以標準 PDK 框架出發(fā)的設計開發(fā)流程，OPA 的設計可以直接從原理圖出發(fā)，幫助設計師快速進行版圖設計和線路仿真，這個過程稱為原理圖驅(qū)動版圖設計(Schematic Driven Layout，SDL)。以 SplitterTree 為例，SDL 實現(xiàn)過程如下：

加載目標流片廠的 PDK 庫。

通過拖拽的方式完成 SplitterTree 的原理圖設計。

調(diào)整每個器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

生成對應的版圖代碼，并生成版圖。

生成仿真代碼，對原理圖性能進行仿真驗證。

當然，原理圖仿真和對應版圖的生成是可以交替進行的。這種方法可以用直觀和便捷的方式生成與目標流片廠規(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，不僅減少了不同設計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計。這種圖形化界面與代碼雙驅(qū)動的方式，可以滿足團隊中不同設計師的需求和設計習慣。

另外，Luceda IPKISS 還提供了豐富的自動化設計函數(shù)，包含多種布線波導和彎曲優(yōu)化算法，可幫助設計師快速完成復雜的波導和金屬線布線，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計規(guī)則相結(jié)合，可以幫助設計師輕松生成 可直接制造的 芯片設計版圖。

LUCEDA IPKISS中提供的自動布線函數(shù):

(圖片源于: LUCEDA 網(wǎng)站)

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

來源：光學小豆芽

審核編輯：湯梓紅