光子芯片：芯片设计是有“套路”吗？

开发者们太难了。为了更好地满足用户需求，开发者们希望芯片在保持低功耗的同时还能不断提高性能。光子芯片也因此成为开发者们的重点关注方向。

一方面，高速数据通信、成像和先进传感等应用普及率逐年上升，但传统半导体中的电子元件在这些领域中的应用存在诸多局限性。另一方面，光子芯片利用光的优势可以显著提高速度和容量，而且具有小型化、热效应小和集成能力强等优点。

虽然光子芯片看起来优点多多，但与开发传统的电子芯片相比，光子芯片的开发难易程度又如何呢？

鉴于器件的性能与材料和光学特性有关，而光学特性又与几何形状联系紧密，光子芯片的设计注定不简单。不同的代工厂使用不同的材料平台和各自的工艺流程，根据材料和光学特性，这些流程会在物理层面影响光子芯片的性能。在许多情况下，经验的多少在很大程度上决定了开发者能否高效地对高性能光子集成电路进行建模。

长期以来，半导体行业一直在电子芯片的设计工具中使用工艺设计套件（PDK）来为制造工艺建模。同样的方法也适用于光子集成电路，从而弥合铸造技术和设计要求之间的差距。PDK还能加速实现一次流片成功。在本文中，我们将详细说明PDK如何帮助开发者们加快光子芯片的设计过程。

光子芯片设计的构建模块

那么在光子芯片设计中，PDK到底提供了什么？

我们可以将PDK视为设计环境的插件库，它主要提供一组构建模块。典型的半导体PDK组件包括器件库（含符号和版图）、验证规则集（如设计规则检查和电路布局验证）、技术数据（比如层、颜色和工艺约束）、原始器件的仿真模型（比如晶体管、电容器、电阻器和电感器）和设计规则手册。

借助这些组件，芯片开发者可以更加轻松地为不同应用构建不同类型的复杂光子电路。这些构建模块经过了预先定义和测试，确保开发者可以实现其质量、成本和上市时间目标。

PDK中的光子构建模块通常包括几种类型的波导管，以及各种无源器件（比如分路器、合路器和滤波器），此外还可能包含有源器件（比如移相器、检测器、半导体光放大器和激光器）。

开发者也可以创建自己的构建模块，但须遵循代工厂的设计和制造规则。近年来，大多数提供光子芯片制造的代工厂都在其PDK中添加了形式化物理设计规则验证规则集。这些设计规则检查（DRC）规则集包含各种用途的检查规则，例如用于检查设计是否可投入实际生产，以及检查各层之间的最小距离、最小重叠、锐角等。特别是在硅光子学制造中，这是常见的做法，规则集中可能包含多达数百项检查。

光子组件建模

要对光子组件进行精确建模，需要考虑其几何结构、材料和电光特性。PDK模型库通常包含：

• 材料堆叠对不同波长光的折射率
• 预表征组件或已验证组件的值
• 分析模型，当实际数据不可用时，可用于预测性能

光子芯片的信号级仿真工具使用简化或紧凑的模型，而不是在器件层面以全3D方式求解EM方程。许多光子器件的功能可以用S矩阵表示，该矩阵描述了信号传输并对波长、温度或组件端口之间几何结构存在一定的依赖。对于激光器或光放大器等组件，则通常使用速率方程或复杂的曲线拟合多维矩阵作为模型来表示相关行为。

支持在芯片设计流程中使用定制组件

在开发者设计光子芯片时，代工厂提供的PDK是设计环境的重要组成部分，并提供了上文所述的组件和设计规则。开发者通常需要额外的应用专用组件来与PDK形成互补。有些解决方案支持PDK驱动的仿真和定制仿真。

新思科技的OptSim电光协同仿真解决方案就是这样的一种选择。新思科技OptSim提供了由原理图驱动的统一版图光子芯片设计流程并支持符合代工厂要求的模型库和定制设备模型。

新思科技还提供完善的光子芯片代工支持，以及全球各地代工厂针对以下光子工艺的PDK：

• 硅
• 氮化硅
• 磷化铟
• 聚合物
• 玻璃上硅

新思科技提供各种工程服务，帮助代工厂、IDM和设计团队制定针对特定代工厂的紧凑模型、构建模块定义、版图和物理验证规则。

设计光子芯片很复杂，并涉及到具体应用和代工厂所需的特定步骤。借助PDK，设计团队可以加速开发具有数百个光子组件的设计，利用光的优势实现高速通信、汽车系统激光雷达、太空探索成像、和医疗传感等多领域应用。

下载光子芯片电光协同仿真技术论文，了解更多关于光子芯片设计的前沿技术。