什么是硅光子？光子IC設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)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(jì)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(dú)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(gè)波導(dǎo)交叉。

? 光的檢測：采用對(duì)光強(qiáng)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(gè)光波導(dǎo)將多個(gè)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(jí)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(jì)面臨的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)人員能夠?qū)嶋H設(shè)計(jì)和仿真的功能遠(yuǎn)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(gè)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(jì)人員通常希望全面掌控版圖的每一個(gè)細(xì)節(jié)，但同時(shí)也期望更高程度的自動(dòng)化。2. PIC的物理驗(yàn)證。光子設(shè)計(jì)通常需要一套特殊的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。一個(gè)很大挑戰(zhàn)是版圖與原理圖的比較（LVS）驗(yàn)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(jì)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(duì)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(shí)際幾何形狀。關(guān)鍵尺寸在200nm上的納米級(jí)變化對(duì)光行為有相當(dāng)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(duì)不成熟的原因之一。

4. 硅光子設(shè)計(jì)的定制屬性。當(dāng)今用于硅光子的晶圓代工廠工藝設(shè)計(jì)套件通常包含20~50個(gè)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(jì)的基本單元是定制設(shè)計(jì)的，需要進(jìn)行大量器件仿真（電磁、電光和熱特性）。而且預(yù)計(jì)未來這種情況會(huì)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(jì)團(tuán)隊(duì)的主要工作。因此，器件TCAD必須與其他設(shè)計(jì)流程有效耦合。此外，設(shè)計(jì)人員通常希望全面掌控所有細(xì)節(jié)，而不是全盤利用自動(dòng)化。

5. 復(fù)雜光子電路與電子電路集成的協(xié)同設(shè)計(jì)。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?yàn)楣獠ㄊ浅哳l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(jí)IC的設(shè)計(jì)流程升級(jí)。可靠的設(shè)計(jì)流程要求將應(yīng)對(duì)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(jì)人員熟知范例的電子設(shè)計(jì)環(huán)境中。

IPKISS.EDA設(shè)計(jì)框架解決方案

由于PIC設(shè)計(jì)人員需要全面掌控其設(shè)計(jì)框架以確保制造的IC與其設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)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(gè)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(huì)考慮電路的實(shí)際版圖。設(shè)計(jì)流程支持DRC工具，以確保提交給晶圓代工廠的設(shè)計(jì)具有高質(zhì)量。在IPKISS.eda中，設(shè)計(jì)人員可以通過Python腳本語言精細(xì)控制設(shè)計(jì)流程的每一個(gè)方面。

圖3：IPKISS.eda PIC設(shè)計(jì)流程Luceda Photonics首席技術(shù)官Pieter Dumon表示：“光子IC設(shè)計(jì)人員越發(fā)迫切希望能夠一次設(shè)計(jì)便獲成功，就像電子IC設(shè)計(jì)人員那樣。因此，我們把可信賴的IPKISS光子IC設(shè)計(jì)工具集成到L-Edit中，使得光子IC設(shè)計(jì)人員能將專業(yè)PIC知識(shí)結(jié)合到可靠的電子設(shè)計(jì)流程中，從而提高其設(shè)計(jì)良率。我們選擇與Tanner團(tuán)隊(duì)合作的原因是L-Edit功能與PIC設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，該組織宣稱：“OpenAccess數(shù)據(jù)庫是全球使用最廣泛的IC設(shè)計(jì)開放參考數(shù)據(jù)庫，支持標(biāo)準(zhǔn)API。其開發(fā)宗旨是在EDA公司、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員和制造商之間創(chuàng)造真正的互操作性。它的運(yùn)用已提高了全行業(yè)的設(shè)計(jì)流程效率?！盠-Edit與IPKISS.eda的集成是利用OpenAccess插件實(shí)現(xiàn)的，它將IPKISS對(duì)象轉(zhuǎn)換為OpenAccess對(duì)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(shí)例。設(shè)計(jì)人員在L-Edit中通過OpenAccess API透明地實(shí)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(duì)一映射。該框架還對(duì)OpenAccess數(shù)據(jù)庫中的組合層進(jìn)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(gè)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(jì)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(qiáng)大的工具用以自動(dòng)化、定制和擴(kuò)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(gè)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(gè)案例說明：設(shè)計(jì)一個(gè)2 x 2光學(xué)縱橫交換器（圖4），它能擴(kuò)展為一個(gè)完整的N x N交叉連接矩陣。有4個(gè)光柵耦合器，用于將光信號(hào)連接到光纖，以及連接用于電子轉(zhuǎn)換信號(hào)和接地信號(hào)的焊盤。

圖4：2 x 2交叉連接開關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)分離到MZI的兩條臂中。臂中的加熱器由電信號(hào)操控。兩臂中的信號(hào)耦合到2 x 2組合器中以便饋入下一級(jí)。

圖5：熱光MZI開關(guān)為了設(shè)計(jì)此交換器，設(shè)計(jì)人員可執(zhí)行下列步驟：1. 運(yùn)用L-Edit，設(shè)計(jì)人員從庫中拖放MZI開關(guān)的實(shí)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(shí)現(xiàn)扇出和光端接等功能。

2. 運(yùn)用L-Edit All Angle Wire工具，設(shè)計(jì)人員用飛線連接端口。

3. 然后，設(shè)計(jì)人員通過自動(dòng)布線或手動(dòng)布線來產(chǎn)生控制形狀和彎曲的波導(dǎo)。IPKISS.eda負(fù)責(zé)精準(zhǔn)對(duì)齊光纖端口，且匹配精度達(dá)到納米水平。

4. 在L-Edit中，設(shè)計(jì)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(gè)布線層中實(shí)現(xiàn)，因此版圖中關(guān)于電路拓?fù)涞募磿r(shí)視覺反饋（例如不需要的交叉）可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和潛在錯(cuò)誤。如需要，設(shè)計(jì)人員可手動(dòng)從庫中插入交叉元件，并將其連接到對(duì)應(yīng)的開關(guān)。IPKISS.eda隨后生成新的波導(dǎo)。

5. 然后，設(shè)計(jì)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(jì)人員可以輕松地根據(jù)晶圓代工廠提供的規(guī)則驗(yàn)證電路有無DRC違規(guī)，并與結(jié)果輸出的瀏覽器和版圖進(jìn)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(yàn)證，設(shè)計(jì)人員可以利用IPKISS.eda中的CAPHE光學(xué)電路仿真器來驗(yàn)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(shí)域中構(gòu)建并仿真光學(xué)電路。執(zhí)行布線后仿真時(shí)，版圖編輯器和光學(xué)仿真器之間需要頻繁互動(dòng)，而CAPHE已與IPKISS有緊密的集成。設(shè)計(jì)人員可以靈活利用這種集成。例如，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建版圖以利用電路仿真完成自身設(shè)計(jì)。比方說，環(huán)的半徑可以利用電路仿真來計(jì)算，使之與某一光諧振匹配。因?yàn)檫@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(dòng)各個(gè)單元的電磁仿真，從而構(gòu)建器件模型。

結(jié)語

IPKISS設(shè)計(jì)框架支持將光子集成電路的電路仿真與版圖設(shè)計(jì)流程緊密集成。光子IC設(shè)計(jì)人員非常熟悉從版圖開始設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(shí)施方案的選擇對(duì)電路行為影響甚大，因此設(shè)計(jì)人員需要IPKISS.eda提供的精細(xì)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(yàn)證，所有這一切都是在同一設(shè)計(jì)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(jì)成功”的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。Luceda Photonics的工具和服務(wù)植根于其在光子集成電路（PIC）設(shè)計(jì)領(lǐng)域50余年的經(jīng)驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)在工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）開發(fā)和光子集成電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方面的專長，已被全球多家研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(huì)及培訓(xùn)課程。