光子芯片：芯片設(shè)計(jì)是有“套路”嗎？
開發(fā)者們太難了。為了更好地滿足用戶需求，開發(fā)者們希望芯片在保持低功耗的同時(shí)還能不斷提高性能。光子芯片也因此成為開發(fā)者們的重點(diǎn)關(guān)注方向。 一方面，高速數(shù)據(jù)通信、成像和先進(jìn)傳感等應(yīng)用普及率逐年上升，但傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的電子元件在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用存在諸多局限性。另一方面，光子芯片利用光的優(yōu)勢可以顯著提高速度和容量，而且具有小型化、熱效應(yīng)小和集成能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 雖然光子芯片看起來優(yōu)點(diǎn)多多，但與開發(fā)傳統(tǒng)的電子芯片相比，光子芯片的開發(fā)難易程度又如何呢？ 鑒于器件的性能與材料和光學(xué)特性有關(guān)，而光學(xué)特性又與幾何形狀聯(lián)系緊密，光子芯片的設(shè)計(jì)注定不簡單。不同的代工廠使用不同的材料平臺(tái)和各自的工藝流程，根據(jù)材料和光學(xué)特性，這些流程會(huì)在物理層面影響光子芯片的性能。在許多情況下，經(jīng)驗(yàn)的多少在很大程度上決定了開發(fā)者能否高效地對(duì)高性能光子集成電路進(jìn)行建模。 長期以來，半導(dǎo)體行業(yè)一直在電子芯片的設(shè)計(jì)工具中使用工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）來為制造工藝建模。同樣的方法也適用于光子集成電路，從而彌合鑄造技術(shù)和設(shè)計(jì)要求之間的差距。PDK還能加速實(shí)現(xiàn)一次流片成功。在本文中，我們將詳細(xì)說明PDK如何幫助開發(fā)者們加快光子芯片的設(shè)計(jì)過程。
光子芯片設(shè)計(jì)的構(gòu)建模塊
那么在光子芯片設(shè)計(jì)中，PDK到底提供了什么？ 我們可以將PDK視為設(shè)計(jì)環(huán)境的插件庫，它主要提供一組構(gòu)建模塊。典型的半導(dǎo)體PDK組件包括器件庫（含符號(hào)和版圖）、驗(yàn)證規(guī)則集（如設(shè)計(jì)規(guī)則檢查和電路布局驗(yàn)證）、技術(shù)數(shù)據(jù)（比如層、顏色和工藝約束）、原始器件的仿真模型（比如晶體管、電容器、電阻器和電感器）和設(shè)計(jì)規(guī)則手冊。 借助這些組件，芯片開發(fā)者可以更加輕松地為不同應(yīng)用構(gòu)建不同類型的復(fù)雜光子電路。這些構(gòu)建模塊經(jīng)過了預(yù)先定義和測試，確保開發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量、成本和上市時(shí)間目標(biāo)。 PDK中的光子構(gòu)建模塊通常包括幾種類型的波導(dǎo)管，以及各種無源器件（比如分路器、合路器和濾波器），此外還可能包含有源器件（比如移相器、檢測器、半導(dǎo)體光放大器和激光器）。 開發(fā)者也可以創(chuàng)建自己的構(gòu)建模塊，但須遵循代工廠的設(shè)計(jì)和制造規(guī)則。近年來，大多數(shù)提供光子芯片制造的代工廠都在其PDK中添加了形式化物理設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證規(guī)則集。這些設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）規(guī)則集包含各種用途的檢查規(guī)則，例如用于檢查設(shè)計(jì)是否可投入實(shí)際生產(chǎn)，以及檢查各層之間的最小距離、最小重疊、銳角等。特別是在硅光子學(xué)制造中，這是常見的做法，規(guī)則集中可能包含多達(dá)數(shù)百項(xiàng)檢查。
光子組件建模
要對(duì)光子組件進(jìn)行精確建模，需要考慮其幾何結(jié)構(gòu)、材料和電光特性。PDK模型庫通常包含：-
材料堆疊對(duì)不同波長光的折射率
-
預(yù)表征組件或已驗(yàn)證組件的值
-
分析模型，當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)不可用時(shí)，可用于預(yù)測性能
支持在芯片設(shè)計(jì)流程中
使用定制組件
在開發(fā)者設(shè)計(jì)光子芯片時(shí)，代工廠提供的PDK是設(shè)計(jì)環(huán)境的重要組成部分，并提供了上文所述的組件和設(shè)計(jì)規(guī)則。開發(fā)者通常需要額外的應(yīng)用專用組件來與PDK形成互補(bǔ)。有些解決方案支持PDK驅(qū)動(dòng)的仿真和定制仿真。 新思科技的OptSim電光協(xié)同仿真解決方案就是這樣的一種選擇。新思科技OptSim提供了由原理圖驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)一版圖光子芯片設(shè)計(jì)流程并支持符合代工廠要求的模型庫和定制設(shè)備模型。 新思科技還提供完善的光子芯片代工支持，以及全球各地代工廠針對(duì)以下光子工藝的PDK：-
硅
-
氮化硅
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磷化銦
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聚合物
-
玻璃上硅
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