什么是硅光子？光子IC设计面临的挑战

什么是硅光子？

硅光子是一种利用光传输数据的IC技术，光通过光波导芯片进行传播（图1）。硅光子最广为人知的用途是解决“高输入/输出带宽”应用问题。例如，由于数据中心对带宽的需求持续增长，光纤收发器在电路板和IC芯片上的应用越来越密切。不过，设计人员也将这种技术应用于生物传感器、医疗诊断和环境监测。无论何种应用，光子IC总是需要集成到电子电路中，这就带来了一些独特的挑战。光子集成电路（PIC）需要如下关键功能：

• 光的生成：利用激光或发光二极管（LED）作为外部光源，或者将其安装在IC上，甚至与IC密集地集成；后面两种情况越来越多。

• 光的调制：用于切换或调制光载波上的数据流。其原理是利用波导核心中电载流子（电子和空穴）的密度来调制光的相位，或者利用电吸收来调制光的振幅。

• 分割、耦合与交叉：光在路由过程中，常常需要分割出部分光功率以供监控，与IC耦合和解耦，或者两个波导交叉。

• 光的检测：采用对光强度敏感的光电二极管。• 波长滤波：滤除特定波长的光，或者利用单个光波导将多个波长加以合并。

• 耦合到芯片周围的系统：采用连接到光纤、电路板级波导或自由空间光学元件的光“探针焊盘”。

图1：布置在波分复用链路中PIC的组件

光子IC设计面临的挑战

设计人员能够实际设计和仿真的功能远没有发挥硅光子技术的潜力。造成此差距的原因是如下几个重大挑战：1. PIC的物理版图。光子版图与电子版图大不相同。光子器件常常包含曲线形状以定义光滑的波导弯曲。为了避免传播损耗，此类波导需要满足最小弯曲半径要求。光子电路版图通常是在一层上，而在单层上为复杂电路布线是很困难的，常常需要交叉互连，否则可能无法完成。

设计人员通常希望全面掌控版图的每一个细节，但同时也期望更高程度的自动化。2. PIC的物理验证。光子设计通常需要一套特殊的设计规则检查（DRC），由于波导的曲线路径，这些检查可能不容易实现。一个很大挑战是版图与原理图的比较（LVS）验证。若不执行全面的电磁仿真，要从PIC版图获知功能行为并不容易。简单地检查设计互连也是很困难的（图2）。

图2：（a）正确连接；（b）有物理接触但角度不匹配，导致损耗和反射；（c）相邻波导即使没有物理接触，也可能短暂耦合；（d）波导可以交叉，但没有或只有很少的耦合。

3. 制造工艺的变化。硅光子的高折射率对比度将光限定在亚微米波导芯中。但是，有效折射率取决于横截面的实际几何形状。关键尺寸在200nm上的纳米级变化对光行为有相当大的影响。制造工艺的可变性效应不仅是电路仿真高效性面临的挑战，而且这种可变性也是硅光子学领域相对不成熟的原因之一。

4. 硅光子设计的定制属性。当今用于硅光子的晶圆代工厂工艺设计套件通常包含20~50个基本单元，其成熟度尚不是非常高。在第一次迭代之后，大多数IC设计的基本单元是定制设计的，需要进行大量器件仿真（电磁、电光和热特性）。而且预计未来这种情况会持续下去。半导体工艺及器件仿真工具（TCAD）不仅是代工厂的领域，也是各设计团队的主要工作。因此，器件TCAD必须与其他设计流程有效耦合。此外，设计人员通常希望全面掌控所有细节，而不是全盘利用自动化。

5. 复杂光子电路与电子电路集成的协同设计。由于光子电路和电子电路性质大不相同，这给两种电路的版图组合提出了一些挑战。电子电路的布线不得影响光行为，反之亦然。更大的挑战是光子电路和电子电路的协同仿真，因为光波是超高频电磁波（300THz）。电路仿真通常利用仿真器来执行，其采用的形式体系与电子仿真所用的SPICE仿真器非常不同。

6. 从学术成果到生产级IC的设计流程升级。可靠的设计流程要求将应对上述挑战的光子功能集成到现有的生产环境中。版图、建模和功能测试不仅要纳入单一流程中，而且要集成到已有的使用设计人员熟知范例的电子设计环境中。

IPKISS.EDA设计框架解决方案

由于PIC设计人员需要全面掌控其设计框架以确保制造的IC与其设计完全一致，并且需要克服光子电路挑战，Luceda Photonics为此创建了IPKISS.eda设计框架（图3）。此框架建立在Tanner L-Edit版图编辑器之上，可与Tanner Calibre® One物理验证套件无缝衔接。L-Edit 丰富的版图功能与IPKISS参数化光子器件库和工艺开发套件（PDK）相结合，使设计人员能够将光子器件拖放到其版图中并立即通过波导相连，并且可以全面操控横截面形状、弯曲和轨迹。通过仿真考量布线后效应，例如波导交叉引起的反射和衰减等。IPKISS.eda含有一个用于光学域的简化模型仿真器CAPHE，它可以处理大型光学电路，包括高度非线性的器件和反馈。器件模型以及版图与模型视图之间的紧密耦合会考虑电路的实际版图。设计流程支持DRC工具，以确保提交给晶圆代工厂的设计具有高质量。在IPKISS.eda中，设计人员可以通过Python脚本语言精细控制设计流程的每一个方面。

图3：IPKISS.eda PIC设计流程Luceda Photonics首席技术官Pieter Dumon表示：“光子IC设计人员越发迫切希望能够一次设计便获成功，就像电子IC设计人员那样。因此，我们把可信赖的IPKISS光子IC设计工具集成到L-Edit中，使得光子IC设计人员能将专业PIC知识结合到可靠的电子设计流程中，从而提高其设计良率。我们选择与Tanner团队合作的原因是L-Edit功能与PIC设计契合得非常好，并且他们的热情支持能为他们的工具带来创新的解决方案。

”L-Edit支持由Si2管理的OpenAccess数据库标准，该组织宣称：“OpenAccess数据库是全球使用最广泛的IC设计开放参考数据库，支持标准API。其开发宗旨是在EDA公司、半导体设计人员和制造商之间创造真正的互操作性。它的运用已提高了全行业的设计流程效率。”L-Edit与IPKISS.eda的集成是利用OpenAccess插件实现的，它将IPKISS对象转换为OpenAccess对象。通过该插件，IPKISS.eda框架可以从OpenAccess数据库产生参数化单元（P-Cell）的实例。设计人员在L-Edit中通过OpenAccess API透明地实例化IPKISS P-Cell，从而在L-Edit和IPKISS.eda中的单元与参数之间形成一对一映射。该框架还对OpenAccess数据库中的组合层进行编码，以便其能被L-Edit读取。

此插件采用Si2 oaScript，其在Python脚本语言与OpenAccess数据库之间提供一个接口。IPKISS.eda框架包括自定义L-Edit宏，其提供光子专用功能以设计光子电路，例如布线和绘制波导等。这些宏直接使用L-Edit用户可编程接口（UPI）和OpenAccess数据库。UPI提供一组强大的工具用以自动化、定制和扩展L-Edit命令及功能。这些自定义宏利用Python写成，所以该框架在L-Edit中嵌入了一个Python解释器。案例说明了解该解决方案的概要步骤最好的方法是通过一个案例说明：设计一个2 x 2光学纵横交换器（图4），它能扩展为一个完整的N x N交叉连接矩阵。有4个光栅耦合器，用于将光信号连接到光纤，以及连接用于电子转换信号和接地信号的焊盘。

图4：2 x 2交叉连接开关架构设计的主要构造块是1 x 2热光Mach-Zehnder干涉仪（MZI）开关（图5）。1 x 2分光器将光信号分离到MZI的两条臂中。臂中的加热器由电信号操控。两臂中的信号耦合到2 x 2组合器中以便馈入下一级。

图5：热光MZI开关为了设计此交换器，设计人员可执行下列步骤：1. 运用L-Edit，设计人员从库中拖放MZI开关的实例，然后设置器件参数，以便构造该交换器。库中还包含预定义波导、光纤耦合器、滤波器、光子晶体、I/O元件和容器，可实现扇出和光端接等功能。

2. 运用L-Edit All Angle Wire工具，设计人员用飞线连接端口。

3. 然后，设计人员通过自动布线或手动布线来产生控制形状和弯曲的波导。IPKISS.eda负责精准对齐光纤端口，且匹配精度达到纳米水平。

4. 在L-Edit中，设计人员调整波导路径并分析或引入交叉。光子电路通常是在单个布线层中实现，因此版图中关于电路拓扑的即时视觉反馈（例如不需要的交叉）可以减少设计时间和潜在错误。如需要，设计人员可手动从库中插入交叉元件，并将其连接到对应的开关。IPKISS.eda随后生成新的波导。

5. 然后，设计人员增加焊盘，并利用L-Edit Orthogonal Wire工具连接焊盘。

6. 利用L-Edit与Tanner Calibre One nmDRC™，设计人员可以轻松地根据晶圆代工厂提供的规则验证电路有无DRC违规，并与结果输出的浏览器和版图进行交互。不过，IPKISS.eda中嵌入的规则属性可避免许多曲线形状布线所造成的常见DRC违规。

7. 关于功能验证，设计人员可以利用IPKISS.eda中的CAPHE光学电路仿真器来验证器件的参数更改、交叉的连接或插入如何影响功能行为。CAPHE仿真器可在频域或时域中构建并仿真光学电路。执行布线后仿真时，版图编辑器和光学仿真器之间需要频繁互动，而CAPHE已与IPKISS有紧密的集成。设计人员可以灵活利用这种集成。例如，设计人员可以构建版图以利用电路仿真完成自身设计。比方说，环的半径可以利用电路仿真来计算，使之与某一光谐振匹配。因为这种集成，参数化元件可以具有很高的智能，并且可以从L-Edit直接访问这种智能。如需要，IPKISS.eda可以深入物理域并启动各个单元的电磁仿真，从而构建器件模型。

结语

IPKISS设计框架支持将光子集成电路的电路仿真与版图设计流程紧密集成。光子IC设计人员非常熟悉从版图开始设计，因为设计复杂性源于单元的多样性、复杂性以及单元的互连，而非单元的数目。由于版图和具体实施方案的选择对电路行为影响甚大，因此设计人员需要IPKISS.eda提供的精细控制。该框架与L-Edit的集成有助于定义和反复迭代物理版图的连接，分析DRC结果，以及高效执行布线后功能验证，所有这一切都是在同一设计环境中完成。

关于Luceda Photonics

Luceda Photonics希望让光子IC工程师拥有与电子IC工程师一样的“一次设计成功”的设计体验。Luceda Photonics的工具和服务植根于其在光子集成电路（PIC）设计领域50余年的经验。该团队在工艺设计套件（PDK）开发和光子集成电路设计与验证方面的专长，已被全球多家研究机构和工业研发团队采用。麦姆斯咨询和Mentor建立战略合作伙伴关系，麦姆斯咨询代理销售Tanner系列EDA软件，并开展专题研讨会及培训课程。