摘要

隨著硅基光電子技術進入超大規模光子集成時代，先進的專業化設計自動化工具將在將這一愿景變為現實的過程中發揮重要作用。本白皮書分析了"硅基光電子技術--下一代技術路線圖"[1]中提出的技術路線圖，并討論了PIC Studio作為EPDA解決方案如何提供獨特而關鍵的功能，以提高生產率、促進異質集成并加速下一代硅基光電子系統的開發。

密度和復雜性的提升

隨著硅基光電子技術向數萬器件的超大規模集成發展，如圖[1]，重要的是能夠經濟高效地設計和制造如此復雜的光電子芯片鏈路，需要在多個方面進行創新：

功能密度的提高

更高的單位面積器件數量和更小的功能模塊尺寸對于更大規模的光電子芯片(PIC)鏈路至關重要。但是，光學器件的尺寸仍遠大于晶體管。關鍵創新包括：

通過光電子版圖自動化實現更緊密的波導布線和更小的彎曲半徑，從而縮小器件之間的空白空間。最小彎曲半徑由光損耗限制決定。

將波導之間的間距縮小到1μm或更小，以實現高密度波分復用鏈路，并將串擾降至最低。這處于大多數制造工藝的最前沿，將受益于先進的反向設計技術，從而開發出高性能的基礎單元。

縮小環形諧振器等高速調制器的體積，開發緊湊、線性、低Vπ相位調制器，從而避免因占用空間而犧牲光帶寬。

先進的耦合器,如低損耗的邊緣或光柵耦合器,它們對準容差大，占用芯片面積小，以減少芯片輸入/輸出所需的光子“海岸線”。多芯光纖有望改善規模化,但需要復雜的波導交叉。

管理光學和電氣串擾

隨著超密集集成的發展，必須在器件、電路和系統層面解決光學和射頻串擾問題。

主要創新包括：

進一步降低波導傳播和轉換損耗，最大限度地減少緊密器件之間的光學串擾。開發可承受納米級制造變異的低損耗波導和交叉至關重要。

使用不透明材料（如硅本身或金屬）進行光屏蔽，以隔離密集的波導。這些技術增加了工藝的復雜性，但正在走向成熟。

使用協同仿真工具對光學、集成電路和射頻效應進行聯合仿真，以進行預測建模。從器件到封裝級的整體分析對于預測和解決串擾問題至關重要。

系統級設計技術，如屏蔽、埋入式波導和物理隔離，以補充光學和電子技術在管理串擾方面的不足。

逆向設計和多物理場優化

下一代PIC需要在光學、電氣、熱學、機械和其他物理領域進行整體設計優化。

主要創新包括：

廣泛采用逆向設計，從目標規格出發，對光電器件進行多參數聯合優化，而不是反復推敲初始設計。這樣就可以探索復雜的設計空間。

集成光子學、電子、熱學、機械和其他效應的多物理場仿真，以共同優化器件和系統性能。這將需要在更廣泛的EPDA生態系統中建立合作伙伴關系，以整合同類最佳的模擬引擎。

采用拓撲優化技術，促進仿真驅動的光電子版圖合成。這將與制造工藝能力和制約因素緊密結合，以提高可制造性。

版圖級別的可靠性分析和良率提高技術，該技術源自成熟的半導體行業，用于解決隨著復雜性增加而產生的制造變異。評估變異影響的詳細蒙特卡羅模擬將有助于預測和提高制造產量。

配置和控制擴展

隨著PIC擴展到數以萬計的主動可調器件（如移相器和調制器），新的配置、控制和校準范例變得至關重要。主要創新包括：

密集型非易失性可編程光電鏈路(Programmable Photonics)，使用相變材料或其他低功耗可調機制，實現復雜的可重構光網絡。熱可調硅仍然受到功率和熱串擾的限制。

光電子與電子電路協同設計，實現可擴展的控制和信號處理。分區控制功能可最大限度地減少光電子開銷，同時充分利用微電子的密度和成本效益。

片上監控器（如分路器、光電探測器和射頻傳感器）與反饋回路和調整算法相配合，可對PIC的變化進行一次性和連續校準。機器學習技術可提高自動化程度。

具有足夠帶寬的雙向光子電子接口，用于集成光電子神經網絡和其他新興計算模式的本地化訓練。

異質材料和集成

雖然硅基光電子技術從利用CMOS制造工藝中獲益匪淺，但異質材料和集成工藝對于解鎖更多的新功能仍然關鍵，匯整如下。

激光光源集成

由于硅的間接帶隙，高效集成激光光源仍然是硅基光電子技術的首要挑戰。主要方法包括：

利用晶圓級接合、芯片貼裝或轉移印刷實現III-V增益介質的混合集成。這種方法在單個激光器上取得了成功，但電子器件的共同集成仍需要2.5D/3D方法。

異質集成技術，如選擇性外延生長和重結晶技術，可直接在硅上集成激光增益材料。面臨的挑戰包括熱管理、載流子傳輸和晶體缺陷。

利用可鍵合器件（如模式鎖定法布里-珀羅激光器或環形激光器）制造多波長梳狀光源，以提高可擴展性。穩定性、每線功率和成本競爭力仍是開發目標。

通過改進硅兼容增益介質，實現未來的單片激光器方法。使用異質集成的片上光泵可提供一條過渡途徑。

調制器和光電探測器

高速、緊湊、線性調制器和探測器是另一個值得持續關注的焦點：

鈮酸鋰、鈦酸鋇和有機聚合物等材料的混合集成，實現了利用波克爾斯效應的電光調制器，避免了基于載流子的限制。制造方面的挑戰依然存在，包括鍵合、極化和穩定性。

利用硅鍺改進的雪崩光電探測器（APD），在數據通信波長下提供高響應率，同時克服增益帶寬限制和電壓擊穿的挑戰。

探索電泵和光泵相變材料等新興技術，以規避熱效應和等離子載流子效應的限制。

通過改進硅兼容增益介質，實現未來的單片激光器方法。使用異質集成的片上光幫浦可提供一條過渡途徑。

光電融合集成

雖然硅基光電子技術從利用CMOS制造工藝中獲益匪淺，但由于性能折衷的原因，單片光電子集成工藝的影響力有限：

2.5D和3D集成提供了根據應用需求量身定制優化邏輯和光子芯片的途徑。2.5D和3D集成提供了結合優化邏輯和光子芯片的途徑，這些芯片是根據應用需求量身定制的。

通過將數據中心通信機架折疊成室內的優化模塊，共封裝光學器件因而獲得了發展。內插件、TSV和微凸塊將實現與ASIC和加速器的高密度光學I/O連接。

隨著經濟性和性能要求的發展，最佳系統級劃分將決定單片、異質和混合集成之間的選擇。

PIC Studio的價值

逍遙科技的PIC Studio平臺為原理圖編輯、版圖生成和光電融合和多物理場仿真提供了一個集成環境，專為滿足光電子集成芯片設計的獨特需求而量身定制。其實現下一代硅基光電子技術的關鍵增值功能包括：

統一的原理圖驅動布局：PhotoCAD可根據原理圖自動生成物理版圖，保持設計意圖并減少實施迭代。

跨代工廠平臺的工作流程：PIC Studio集成了多個硅基光電子代工廠的PDK，也支持新工藝的快速集成。

光電協同仿真：pSim可對光電子、電子和射頻組件進行鏈路級協同仿真。這對于復雜系統的預測建模很關鍵。

可靠性驗證：PhotoCAD搭配全球最受公認標準的Calibre DRC工具可執行版圖級DRC、虛擬填充和對先進設計的可制造性至關重要的可靠性檢查。

光電協同版圖集成：協同仿真、多層版圖和自動連接簡化了EPIC 的融合設計。

開放式可擴展架構：與通用光電子、電子和射頻電路仿真器的接口增強了多物理場設計，同時支持第三方工具集成。

通過集成這些關鍵功能，PIC Studio平臺可以提高工程設計效率，減少實施障礙，并加快下一代硅基光電子代系統的開發。本白皮書的其余部分將詳細闡述PIC Studio 如何實現這些價值。

原理圖驅動版圖設計

光電子鏈路復雜性的增加，手動實現版圖變得極為繁瑣且容易出錯。PIC Studio的原理圖驅動版圖功能可直接根據鏈路原理圖自動生成器件和連接，保留從抽象到物理層面的設計意圖，從而實現快速設計迭代。主要優勢包括：

消除多余的手動版圖來保證將設計意圖貫徹到版圖以及流片，從而提高設計人員的工作效率。

原理圖與版圖視圖之間的集成更緊密，包括版圖尺寸的反向注釋。

從原理圖到版圖的連接性、拓撲和網表架構的無縫傳輸。器件參數化更靈活，無需手動更改版圖。

版圖幾何腳本，實現高級鏈路操作和優化。

隨著光電子鏈路向超大規模集成鏈路發展，這些功能將變得越來越重要。PIC Studio 的原理圖驅動版圖設計簡化了實現過程，同時保留了設計意圖，從而使設計人員能夠專注于更高功能層面的創新。該工具可自動將這些創新轉移到版圖中。

多物理場協同仿真

預測系統性能需要模擬跨越器件物理、電氣效應和網絡架構的復雜交互。PIC Studio在pSim中的鏈路級協同仿真功能集成了光、電、熱和其他分析，可對光子系統進行精確建模。主要優勢包括：

使用一致性的端口連接將光學、電子、熱學和機械模擬結合起來。混合信號仿真將模擬、射頻和數字電子技術與光子技術結合在一起。在單一環境中對硅光子器件和工藝以及III-V、光電和其他異構元件進行聯合仿真。

利用緊湊的解析表達式、基于表格的模型和外部數值求解器接口，靈活構建仿真模型。

通過光電器件上的端口實現電子和光電子的雙向集成。

開放式結構，可與通用的電子和光電子仿真器連接，進行多工具協同仿真。

版圖幾何腳本，實現高級鏈路操作和優化。

這些集成的多物理場仿真對于優化VLSI光電子系統的性能和成本將是不可或缺的，這些系統包括數千個動態可調器件和晶體管級電子器件。

可靠性驗證

光子可能不會相互作用，但如果沒有仔細的驗證，制造變異性和環境敏感性會對光電鏈路造成嚴重破壞。PIC Studio采用了半導體行業的版圖級可靠性分析和檢查，包括：

基于網格的設計規則檢查，用于在版圖工藝限制下進行可制造性驗證。

虛擬填充生成，以改善密度平面度和化學機械拋光。

光刻友好性和可靠性的最小特征尺寸等圖案檢查。

變異性感知可靠性驗證，以預測和提高制造產量。

幾何操作輔助，如CD偏差、平滑和層的操作。

這些功能對于實現超大規模集成光電子系統的批量生產是不可或缺的。PIC Studio提供了經代工廠認證的平臺，用于評估、預測和提高前沿設計的可制造性。

異質工藝支持

雖然硅基光電子技術從利用CMOS制造基礎設施中受益，但通過異質材料和混合集成來增強功能會帶來額外的工藝復雜性。PIC Studio旨在通過以下方式簡化這些挑戰：

整合多個硅基光電子代工廠的PDK，根據應用要求靈活選擇代工廠。簡化集成電子、光電子和其他供應商的附加PDK，構建完整的EPIC 工藝設計工具包。

多層版圖支持，允許跨材料層和芯片面堆疊幾何圖形。

版圖腳本可構建復雜的三維元件和芯片幾何結構。

協同仿真，結合跨材料域的光學、電氣、熱學和機械仿真。

互操作性驗證套件，確保與更廣泛的EDA工具流兼容。

PIC Studio的架構強調互操作性、靈活性和可擴展性，為異質光電子芯片設計提供了一個統一的平臺，涵蓋了增強硅基光電子功能所需的各種工藝和材料。

光電子-電子電路設計集成

異質集成可將優化的光電子芯片和電子芯片結合起來，但要充分挖掘潛力，還需要緊密的協同設計。PIC Studio旨在通過以下方式促進這種融合：

光子、電子和射頻器件從原理圖到物理實現的統一設計流程。

自動生成芯片和標準接口之間的連接。

結合光學、電氣、熱學和機械模擬的協同仿真和分析。

與領先的電子/射頻電路仿真工具接口，實現多工具協同驗證。

可靠性驗證，檢查可制造性、可變性和兼容性約束。

開放式架構，允許利用協同設計相互依存關系編寫定制優化腳本。

結論

硅基光電子技術正在接近一個拐點，從分立元件和小規模電路過渡到以超大規模集成電路（VLSI）與先進計算和通信系統的電子器件融合為目標的時代。要實現這一巨大潛力，就必須在材料、器件、設計自動化、制造工藝、封裝和系統架構優化等方面進行全面創新。正如本白皮書所述，PIC Studio 平臺提供了一個集成環境，可提高工程師的工作效率，加快下一代硅基光電子系統的開發。通過將端到端設計流程、多物理場協同仿真、異質工藝支持和對光電子與電子融合的關注結合在一起，PIC Studio提供了獨一無二的EPDA解決方案，以克服VLSI 集成路線圖上不斷上升的復雜性障礙。