加州大学圣巴巴拉分校的研究人员用格芯的 Fotonix挑战极限

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员用格芯的 Fotonix挑战极限

在之前的文章中，我们已经介绍了格芯（GF）通过其大学合作计划（UPP）与领先的学术研究人员进行的一些合作。这些合作非常重要，为格芯的差异化技术的新应用带来了验证点和参考设计，是对格芯内部研究和开发团队工作的补充。

最近推出的格芯 Fotonix平台在许多方面受益于学术研究，我们将在本篇博文的后面了解到这一点。格芯 Fotonix将高性能CMOS、射频（RF）和光子元件单片集成在同一芯片上，有可能颠覆许多现有技术。

与格芯Fotonix合作，客户可以创建创新的光电解决方案，同时利用格芯的300毫米芯片制造工艺的规模和效率，实现创新的封装解决方案，并提供首次成功所需的设计工具。

迫切需要新的电光解决方案，因为在社会数字化转型的推动下，数据量正在成倍增长。仅仅是基于电子的解决方案无法跟上数据中心和整个通信基础设施对更多容量、速度和能源效率的需求。光子，或基于光的解决方案提供了许多优势，但让电子和光子以高度集成、可靠和具有成本效益的方式工作一直是困难的。

不再是了。"格芯 Fotonix在系统集成方面迈出了非常大的一步，因为毫米波（mmWave）电路和数字系统首次与光子构件集成在同一块硅片上。这开辟了许多新的系统和产品选择，最初是为数据中心开发下一代光互连，最终导致数据中心的分解，"格芯企业研究员Ted Letavic说，他领导着格芯的硅光子技术解决方案团队，为格芯实验室提供创新和技术领导。

他说："你可以想象，让300GHz级的控制电子元件和光子元件很好地配合，是一项艰巨的挑战。加利福尼亚大学圣巴巴拉分校（UCSB）的James Buckwalter教授和Clint Schow教授等人进行的实际测试和基准测试工作对GF的集成工作有很大帮助。

芯片的自由形式设计

Letavic说，“除了对下一代光互连有用之外，格芯 Fotonix还集成了新型光子元件，这将导致直接在硅中设计新的光子解决方案。” Letavic说："我们的不同的大学合作伙伴正在探索使用数学驱动的设计技术来提高光子性能，并开辟全新的应用。"这些技术被称为逆向设计、光学转换设计或亚波长设计。从本质上讲，你决定光需要如何在你的光子系统中传播以执行所需的功能，然后你创建一系列的数学表达式--类似于神经网络中的反向传播--解决一组物理坐标，这些坐标被映射到硅的物理形状上，以提供所需的性能。"

格芯和它的大学合作伙伴在证明使用这种方法建造的结构的准确性方面取得了良好的进展。"事实上，我们已经到了开始优化我们的工艺设计工具包（PDK）和其他设计工具的地步，以便在我们的设计流程中实施这些'逆向'技术。"

Letavic说："这确实是一种思考如何在硅片中设计东西的全新方式，在其核心部分挑战传统的光子设计。"它使我们走向我们所说的自由设计，在那里你可以设计任何你想要的结构，只要它符合我们的基本规则，我们就可以建造它。这是一个游戏规则的改变，将打开我们客户的创意闸门，而且它也很有成本效益，因为我们不必改变我们的工艺流程。"

格芯正在与其他大学伙伴合作，探索全新的光子领域，如光子计算、光子量子计算和生物医学应用。"这些研究团队正在进行研究，以回答一些蓝天问题，如：'在硅中实现光子量子计算需要哪些元素？''如果基于光子的COVID-19传感器会是什么样子？我们正在合作了解如何使用GF技术来解决这些新的前沿问题，"他说。

长期的学术伙伴

加州大学圣巴巴拉分校是研究射频和混合信号技术的温床，没有人比格芯在那里的两位合作伙伴James Buckwalter教授和Clint Schow教授更能体现这种关注了。两人都与格芯有着长期的合作关系，而且他们也是格芯某些相关项目的合作伙伴。

Buckwalter是IEEE会员，研究射频、毫米波和光子学交叉领域的高频器件，用于140/220GHz的前端接口、信号处理和毫米波通信。在他多年来使用的技术中，有格芯的FD-SOI（GF FDX）和SiGe工艺。"他说："在我的职业生涯中，我已经毕业了30多名硕士和博士生，他们都使用过格芯的技术，并把这些知识带到了他们的雇主那里。

与此同时，Schow拥有更多的光子学背景。作为IEEE和OSA会员，他曾两次在IBM工作，在那里他对现在属于格芯的技术有了深刻的了解，比如90WG硅光子学平台和SiGe BiCMOS。他还曾在圣巴巴拉的一家可调谐激光器创业公司工作过，这让他有了在UCSB任教的愿望。他说："我一直都信赖格芯的技术，"他说。

大于其各部分的总和

Buckwalter说，在他们的研究中，他们不把光子设备和电子电路看作是两个独立的东西，而是看作是工具箱中的元素，可以用各种方式组合起来解决问题，而格芯的 Fotonix帮助他们推进这种方法。

他说："我们一直在推动这种共同设计，我们把光子元素拆开，并把它们纳入，例如，作为电子放大器内部的小段。"我们不把它们当作独立的实体，我们只是把所有东西拆开，把它们混合起来，再把它们重新组合起来。最终，我认为在5年或10年内，这种光子和电子元素的混合将是在高频领域的设计方式。它把两样东西结合在一起，得到比各部分之和更大的东西。"

Schow说，格芯的设计手册在这方面有很大帮助。"他们一直都很出色，在弄清基本规则方面给了我们很大的帮助，这样我们就可以在这些准则中进行探索。他们帮助我们建立了一些东西，如定制的加热器，这听起来可能是低技术含量的设备，但却是调整电路的关键，还有定制移相器以优化性能。当我们追求混合设计时，从了解物理设计空间的角度来看，这是一个很好的经验，"他说。

低功耗相干光通信

他们的混合方法的一个很好的例子是他们两人正在进行的一个项目，该项目涉及在数据中心使用相干光学技术的宽带波形生成和检测。相干光学技术被视为一种方法，通过调制（即改变）光的振幅和相位，并通过两个不同的偏振进行传输，可以大大增加光在数据中心的光缆中可以携带的数据量。

它涉及到发射器和接收器的数字信号处理，研究人员正在使用格芯 Fotonix进行这项工作。"虽然相干光学已经被用于长距离数据传输，但这需要大量的能量。“ Schow说："我们要做的是使它的功耗低到足以用于数据中心的短距离通信链路，以改善网络架构。” 但是建立完整的相干链路子系统真的很困难。他说："在电子方面，你需要非常高效的高摆幅驱动器与光子调制器集成，以产生信令波形，然后在接收器方面，你需要一个完整的光子混合器来分离波形，并与高速电子装置接口。"因此，两边都有非常高度集成的电路；中间有非常高度集成的光子集成电路，它们必须被设计成与接收器/发射器子系统一起工作；而且它们还必须作为将一切联系在一起的完整环节发挥作用。

"这迫使我们作为教学顾问，也迫使我们的学生有一个广阔的视野。我认为它培养出的学生有足够的能力走出去，在行业中大显身手，当然，他们都将熟悉使之成为可能的格芯技术，"Schow说。

展望未来

Buckwalter说，“与毫米波电子器件集成的硅光子学将在未来的许多领域发挥越来越重要的作用。一个是毫米波无线通信向200GHz-300GHz及以上频率的无情迈进。在毫米波频谱的上游与红外和可见光的波长之间存在着一道鸿沟。” 他说："硅光子学将在这里发挥非常重要的作用，因为在这些频率下的损耗变得如此之大，需要将光子学和电子学结合起来，作为一种低损耗的方式来发送信息。“

"虽然毫米波支持的光子学将有很多有趣的应用，但它也将反过来发挥作用，光子学使毫米波成为可能。例如，对于未来的蜂窝网络，我们将需要在极宽的带宽上显示出越来越高的动态范围，而单靠电子学是无法满足这些挑战的，" Buckwalter说。

Schow说，”电子学和光子学的整合是不可避免的，无论是混合型的整合，即东西彼此靠近并密集地封装在一起，还是单片式的方法。现有的做事方式永远不会消逝，但我认为我们现在正看到这种情况的出现。“

审核编辑 ：李倩