硅基光电子技术发展路线图: 自动化工具助力下一代光电子芯片

摘要

随着硅基光电子技术进入超大规模光子集成时代，先进的专业化设计自动化工具将在将这一愿景变为现实的过程中发挥重要作用。本白皮书分析了 "硅基光电子技术--下一代技术路线图"[1]中提出的技术路线图，并讨论了PIC Studio作为EPDA解决方案如何提供独特而关键的功能，以提高生产率、促进异质集成并加速下一代硅基光电子系统的开发。

密度和复杂性的提升

随着硅基光电子技术向数万器件的超大规模集成发展，如图[1]，重要的是能够经济高效地设计和制造如此复杂的光电子芯片链路，需要在多个方面进行创新：

功能密度的提高

更高的单位面积器件数量和更小的功能模块尺寸对于更大规模的光电子芯片(PIC)链路至关重要。但是，光学器件的尺寸仍远大于晶体管。关键创新包括：

通过光电子版图自动化实现更紧密的波导布线和更小的弯曲半径，从而缩小器件之间的空白空间。最小弯曲半径由光损耗限制决定。

将波导之间的间距缩小到1μm或更小，以实现高密度波分复用链路，并将串扰降至最低。这处于大多数制造工艺的最前沿，将受益于先进的反向设计技术，从而开发出高性能的基础单元。

缩小环形谐振器等高速调制器的体积，开发紧凑、线性、低Vπ相位调制器，从而避免因占用空间而牺牲光带宽。

先进的耦合器,如低损耗的边缘或光栅耦合器,它们对准容差大，占用芯片面积小，以减少芯片输入/输出所需的光子“海岸线”。多芯光纤有望改善规模化,但需要复杂的波导交叉。

管理光学和电气串扰

随着超密集集成的发展，必须在器件、电路和系统层面解决光学和射频串扰问题。

主要创新包括：

进一步降低波导传播和转换损耗，最大限度地减少紧密器件之间的光学串扰。开发可承受纳米级制造变异的低损耗波导和交叉至关重要。

使用不透明材料（如硅本身或金属）进行光屏蔽，以隔离密集的波导。这些技术增加了工艺的复杂性，但正在走向成熟。

使用协同仿真工具对光学、集成电路和射频效应进行联合仿真，以进行预测建模。从器件到封装级的整体分析对于预测和解决串扰问题至关重要。

系统级设计技术，如屏蔽、埋入式波导和物理隔离，以补充光学和电子技术在管理串扰方面的不足。

逆向设计和多物理场优化

下一代 PIC 需要在光学、电气、热学、机械和其他物理领域进行整体设计优化。

主要创新包括：

广泛采用逆向设计，从目标规格出发，对光电器件进行多参数联合优化，而不是反复推敲初始设计。这样就可以探索复杂的设计空间。

集成光子学、电子、热学、机械和其他效应的多物理场仿真，以共同优化器件和系统性能。这将需要在更广泛的EPDA生态系统中建立合作伙伴关系，以整合同类最佳的模拟引擎。

采用拓扑优化技术，促进仿真驱动的光电子版图合成。这将与制造工艺能力和制约因素紧密结合，以提高可制造性。

版图级别的可靠性分析和良率提高技术，该技术源自成熟的半导体行业，用于解决随着复杂性增加而产生的制造变异。评估变异影响的详细蒙特卡罗模拟将有助于预测和提高制造产量。

配置和控制扩展

随着PIC扩展到数以万计的主动可调器件（如移相器和调制器），新的配置、控制和校准范例变得至关重要。主要创新包括：

密集型非易失性可编程光电链路 (Programmable Photonics)，使用相变材料或其他低功耗可调机制，实现复杂的可重构光网络。热可调硅仍然受到功率和热串扰的限制。

光电子与电子电路协同设计，实现可扩展的控制和信号处理。分区控制功能可最大限度地减少光电子开销，同时充分利用微电子的密度和成本效益。

片上监控器（如分路器、光电探测器和射频传感器）与反馈回路和调整算法相配合，可对PIC的变化进行一次性和连续校准。机器学习技术可提高自动化程度。

具有足够带宽的双向光子电子接口，用于集成光电子神经网络和其他新兴计算模式的本地化训练。

异质材料和集成

虽然硅基光电子技术从利用CMOS制造工艺中获益匪浅，但异质材料和集成工艺对于解锁更多的新功能仍然关键，汇整如下。

激光光源集成

由于硅的间接带隙，高效集成激光光源仍然是硅基光电子技术的首要挑战。主要方法包括：

利用晶圆级接合、芯片贴装或转移印刷实现III-V增益介质的混合集成。这种方法在单个激光器上取得了成功，但电子器件的共同集成仍需要2.5D/3D方法。

异质集成技术，如选择性外延生长和重结晶技术，可直接在硅上集成激光增益材料。面临的挑战包括热管理、载流子传输和晶体缺陷。

利用可键合器件（如模式锁定法布里-珀罗激光器或环形激光器）制造多波长梳状光源，以提高可扩展性。稳定性、每线功率和成本竞争力仍是开发目标。

通过改进硅兼容增益介质，实现未来的单片激光器方法。使用异质集成的片上光泵可提供一条过渡途径。 

调制器和光电探测器

高速、紧凑、线性调制器和探测器是另一个值得持续关注的焦点：

铌酸锂、钛酸钡和有机聚合物等材料的混合集成，实现了利用波克尔斯效应的电光调制器，避免了基于载流子的限制。制造方面的挑战依然存在，包括键合、极化和稳定性。

利用硅锗改进的雪崩光电探测器（APD），在数据通信波长下提供高响应率，同时克服增益带宽限制和电压击穿的挑战。

探索电泵和光泵相变材料等新兴技术，以规避热效应和等离子载流子效应的限制。

通过改进硅兼容增益介质，实现未来的单片激光器方法。使用异质集成的片上光帮浦可提供一条过渡途径。 

光电融合集成

虽然硅基光电子技术从利用CMOS制造工艺中获益匪浅，但由于性能折衷的原因，单片光电子集成工艺的影响力有限：

2.5D和3D集成提供了根据应用需求量身定制优化逻辑和光子芯片的途径。2.5D和3D集成提供了结合优化逻辑和光子芯片的途径，这些芯片是根据应用需求量身定制的。

通过将数据中心通信机架折叠成室内的优化模块，共封装光学器件因而获得了发展。内插件、TSV和微凸块将实现与ASIC和加速器的高密度光学I/O连接。

随着经济性和性能要求的发展，最佳系统级划分将决定单片、异质和混合集成之间的选择。 

PIC Studio的价值

逍遥科技的PIC Studio平台为原理图编辑、版图生成和光电融合和多物理场仿真提供了一个集成环境，专为满足光电子集成芯片设计的独特需求而量身定制。其实现下一代硅基光电子技术的关键增值功能包括：

统一的原理图驱动布局：PhotoCAD可根据原理图自动生成物理版图，保持设计意图并减少实施迭代。

跨代工厂平台的工作流程：PIC Studio集成了多个硅基光电子代工厂的 PDK，也支持新工艺的快速集成。

光电协同仿真：pSim可对光电子、电子和射频组件进行链路级协同仿真。这对于复杂系统的预测建模很关键。

可靠性验证：PhotoCAD搭配全球最受公认标准的Calibre DRC工具可执行版图级DRC、虚拟填充和对先进设计的可制造性至关重要的可靠性检查。

光电协同版图集成：协同仿真、多层版图和自动连接简化了EPIC 的融合设计。

开放式可扩展架构：与通用光电子、电子和射频电路仿真器的接口增强了多物理场设计，同时支持第三方工具集成。

通过集成这些关键功能，PIC Studio平台可以提高工程设计效率，减少实施障碍，并加快下一代硅基光电子代系统的开发。本白皮书的其余部分将详细阐述 PIC Studio 如何实现这些价值。

原理图驱动版图设计

光电子链路复杂性的增加，手动实现版图变得极为繁琐且容易出错。PIC Studio的原理图驱动版图功能可直接根据链路原理图自动生成器件和连接，保留从抽象到物理层面的设计意图，从而实现快速设计迭代。主要优势包括：

消除多余的手动版图来保证将设计意图贯彻到版图以及流片，从而提高设计人员的工作效率。

原理图与版图视图之间的集成更紧密，包括版图尺寸的反向注释。

从原理图到版图的连接性、拓扑和网表架构的无缝传输。器件参数化更灵活，无需手动更改版图。

版图几何脚本，实现高级链路操作和优化。

随着光电子链路向超大规模集成链路发展，这些功能将变得越来越重要。PIC Studio 的原理图驱动版图设计简化了实现过程，同时保留了设计意图，从而使设计人员能够专注于更高功能层面的创新。该工具可自动将这些创新转移到版图中。

多物理场协同仿真

预测系统性能需要模拟跨越器件物理、电气效应和网络架构的复杂交互。PIC Studio在pSim中的链路级协同仿真功能集成了光、电、热和其他分析，可对光子系统进行精确建模。主要优势包括：

使用一致性的端口连接将光学、电子、热学和机械模拟结合起来。 混合信号仿真将模拟、射频和数字电子技术与光子技术结合在一起。 在单一环境中对硅光子器件和工艺以及III-V、光电和其他异构元件进行联合仿真。

利用紧凑的解析表达式、基于表格的模型和外部数值求解器接口，灵活构建仿真模型。

通过光电器件上的端口实现电子和光电子的双向集成。

开放式结构，可与通用的电子和光电子仿真器连接，进行多工具协同仿真。

版图几何脚本，实现高级链路操作和优化。

这些集成的多物理场仿真对于优化VLSI光电子系统的性能和成本将是不可或缺的，这些系统包括数千个动态可调器件和晶体管级电子器件。

可靠性验证

光子可能不会相互作用，但如果没有仔细的验证，制造变异性和环境敏感性会对光电链路造成严重破坏。PIC Studio采用了半导体行业的版图级可靠性分析和检查，包括：

基于网格的设计规则检查，用于在版图工艺限制下进行可制造性验证。 

虚拟填充生成，以改善密度平面度和化学机械抛光。 

光刻友好性和可靠性的最小特征尺寸等图案检查。 

变异性感知可靠性验证，以预测和提高制造产量。

几何操作辅助，如CD偏差、平滑和层的操作。

这些功能对于实现超大规模集成光电子系统的批量生产是不可或缺的。PIC Studio 提供了经代工厂认证的平台，用于评估、预测和提高前沿设计的可制造性。

  

异质工艺支持

虽然硅基光电子技术从利用CMOS制造基础设施中受益，但通过异质材料和混合集成来增强功能会带来额外的工艺复杂性。PIC Studio 旨在通过以下方式简化这些挑战：

整合多个硅基光电子代工厂的 PDK，根据应用要求灵活选择代工厂。简化集成电子、光电子和其他供应商的附加PDK，构建完整的EPIC 工艺设计工具包。

多层版图支持，允许跨材料层和芯片面堆叠几何图形。

版图脚本可构建复杂的三维元件和芯片几何结构。

协同仿真，结合跨材料域的光学、电气、热学和机械仿真。

互操作性验证套件，确保与更广泛的EDA工具流兼容。

PIC Studio的架构强调互操作性、灵活性和可扩展性，为异质光电子芯片设计提供了一个统一的平台，涵盖了增强硅基光电子功能所需的各种工艺和材料。

光电子-电子电路设计集成

异质集成可将优化的光电子芯片和电子芯片结合起来，但要充分挖掘潜力，还需要紧密的协同设计。PIC Studio旨在通过以下方式促进这种融合：

光子、电子和射频器件从原理图到物理实现的统一设计流程。

自动生成芯片和标准接口之间的连接。

结合光学、电气、热学和机械模拟的协同仿真和分析。

与领先的电子/射频电路仿真工具接口，实现多工具协同验证。

可靠性验证，检查可制造性、可变性和兼容性约束。

开放式架构，允许利用协同设计相互依存关系编写定制优化脚本。

结论

硅基光电子技术正在接近一个拐点，从分立元件和小规模电路过渡到以超大规模集成电路（VLSI）与先进计算和通信系统的电子器件融合为目标的时代。要实现这一巨大潜力，就必须在材料、器件、设计自动化、制造工艺、封装和系统架构优化等方面进行全面创新。正如本白皮书所述，PIC Studio 平台提供了一个集成环境，可提高工程师的工作效率，加快下一代硅基光电子系统的开发。通过将端到端设计流程、多物理场协同仿真、异质工艺支持和对光电子与电子融合的关注结合在一起，PIC Studio提供了独一无二的EPDA解决方案，以克服VLSI 集成路线图上不断上升的复杂性障碍。