Whoscored中文官网 | 编译自 Semiconductor EngineeringFocus World
高速和低热量使这项技术必不可少，但它极其复杂，而且很难找到和培训人才。
随着降低功率和热量的传统方法变得更加困难和昂贵，硅基光电子正在经历一次复苏，为一系列全新的技术挑战打开了大门，并推动了对当今紧缺的技能的需求。
从技术角度来看，光子学是非常复杂的。信号漂移，它们被热调制，互连和波导等结构与传统电子设计非常不同。从技能的角度来看，各个层次的专业知识都很短缺，而且这种情况可能会因为芯片行业其他部分的人才短缺而变得更加严重。因此，每个人都有一个陡峭的学习曲线，而且技能不容易从电子领域转移到光学领域。然而，这并不意味着这是不可能的。对于那些喜欢挑战的人来说，这很值得努力。
博通公司光学系统部营销和运营副总裁Manish Mehta说："无论何时，我们都必须非常仔细地考虑专业背景的问题。设计电子集成电路和光子集成电路之间的共同点有限。通常情况下，行业设计工程师专注于一个或另一个。设计经理了解这两种类型的设计，通常在其中一种方面有高级经验。在高层，在这两方面都有很深的经验和理解。"
在光子IC设计中，硅基光电子代工厂通常提供工艺设计套件（PDK）给供应商，供应商直接使用这些设计或定制使用。"尽管硅基光电子技术确实利用了相同的CMOS制造工艺来实现规模和低成本，但它们之间的设计是非常不同的，需要不同领域的专业知识"，Mehta说。
EDA行业正在通过将更多的光子学参数和方法纳入他们的工具来做出回应。然而，对于电子工程师来说，这仍然不像刷大学物理学那样简单。
西门子数字工业软件公司的产品经理Tom Daspit说："这两者之间没有罗塞塔石碑，每个人都想知道什么是光子学，以及为什么它与电子学不同。"
简单地说，光子学需要用光子而不是电子来工作。由此可见，光子学变得如此复杂，以至于该领域的大多数人都拥有物理学博士学位。然而，随着行业的发展，由于项目角色的增加，更多的机会正向那些没有高学历的人开放。
图1：CMOS设计（左侧）与集成光子学（右侧）的差异。资料来源：西门子数字工业软件
最大的区别之一是在互连方面。Synopsys公司光子解决方案业务发展经理Mitch Heins说："我们在光子领域有1层，有时是2层基本层，而电子领域可能有10到15层的互连"。Synopsys公司光子解决方案业务发展经理Mitch Heins说："这意味着，如果没有相互交叉的互连，许多布局是无法完成的。在电子领域，我们通过跳转到不同的层来避免连接处的短路。但在光子学中，我们不能这样做。然而，好消息是，在光子学中，你可以有交叉点。"
当试图解释这个概念时，Daspit告诉他的听众，要忘记他们在电影《捉鬼敢死队》中听到的内容，在1980年代的电影中，英雄们在使用他们的光学武器射击时互相警告："不要穿过小河"。"在现实生活中的光子学中，你可以跨越溪流。当你做布局时，光通道可以交叉，而且不会产生短路。"
差异也可以按它们在电磁波谱上的位置来分类。Ansys公司产品营销总监Marc Swinnen说："CMOS电子器件工作的电磁信号频率最高可达5GHz左右。电磁信号的电成分主导了磁效应，我们把这简单地称为'电子'。"
超过大约5GHz，进入射频（RF）和毫米波（mmWave）设计，导线开始表现得像辐射电磁能量的天线。
"电线的作用仍然主要像我们熟悉的低频电子产品的电线，但它们作为无线电波泄漏了大量的能量"，Swinnen说。"如果你把电线做得足够长，整个信号能量将作为无线电波泄漏到空气中。你仍然可以在某些方面使用CMOS，但是这些高频芯片往往使用专门的硅工艺技术，如双极结晶体管（BJT）和硅锗（SiGe）工艺，这些工艺的速度更高。在设计方面，你现在需要对所有这些电磁泄漏进行建模，以获得准确的预测。"
接下来是光子学。Swinnen说："超过毫米波之后，你遇到了我们开始称之为'光'的电磁信号频率。它从红外线频率开始，然后通过光学光谱（红色、橙色、黄色等）建立起来。它们是有用的，因为高频率使你可以比低频率信号传输更多的信息。晶体管的速度不足以处理这些非常高频率的信号，所以CMOS不是一种选择。这些高频电磁信号（光）不像低频'电子'信号那样在金属中传播，因此金属是不透光的。"
需要专门的材料来传导光，如石英和其他玻璃材料（如光纤），它们就像光频信号的波导。"尽管如此，仍有可能让传统的电子元件与这些光信号相互作用，甚至产生这些光信号（例如，LED、光敏电阻等）。所以你的光频电路也可以包括一些电子元件“。他指出："其结果是一种被称为光电子或光子学的混合体。
这些频率域中的每一个都有自己在这些频率下工作的材料和占主导地位的物理效应，而且它们之间没有明确的分界线。"它们逐渐从一个过渡到另一个。在一个频率上的次要效应成为其他频率上的主导物理学"，Swinnen补充说。
对于工程团队来说，这可能意味着转变从本科工程课程第一年开始培养的思维方式。Cadence公司的杰出工程师Gilles Lamant指出："经过多年对正交结构的思考，突然间，世界充满了曲线。光不喜欢拐弯(喜欢走直线)。再加上光的波长需要'空间'来存在，光子学通常会比CMOS设计占据更大的尺寸空间。"
光子布局使用曲线布局来引导光子从器件到器件。
Synopsys公司的Heins说："电子学，特别是在边缘（bleeding-edge）工艺节点，使用所谓的曼哈顿连接（北、南、东、西）。光子不喜欢使劲左转。转弯需要渐进和平滑，否则光会从波导连接处泄漏或逃逸。在为曲线设计组装布局时，会出现一系列的问题。"
电信号通常有一个单一的频率，所以只有一个波长进入导体。相比之下，在光子学中，电磁波谱中的每个频率都是可用的，尽管目前的做法仅限于产生最低损失的波长段。(有研究努力扩大这个范围)。
"这就是光子学开始变得具有挑战性的地方，因为现在我有所有这些不同的频率，而且我需要按'颜色'（波长）来区分它们"，Lamant说。"我们还可以按极性来划分，这意味着改变光内场的角度。这为我们提供了另一个维度，用于增加人们在光中可以携带的信息流的数量。人们还可以选择在每个波长的磁或电成分中编码信息。" 对光进行信息编码可以变得非常的多维。
还有热问题的挑战，但有一个更具挑战性的转折，因为温度往往是光子学电路的调整方式。拉曼特说："通过改变器件周围一摄氏度的温度，你实际上可以改变介质的特性以及光在其中传播的方式，足以改变光信号的相位。
他说："热能的问题要差上几个数量级。我们很少使用热能来调整一个电子线路。我们通常试图摆脱热量以避免副作用。我们在一个地方实现的控制在光子学中是'寄生'在它旁边的地方。"
这为芯片设计增加了另一个维度。"因为温度变化会改变材料的折射率，从而改变光子器件和芯片的行为，很多时候，这些芯片被放在一个恒定的温度下，或者在芯片内或周围有反馈回路来补偿温度变化"，Synopsys公司的光子解决方案小组主任Twan Korthorst说。"此外，当你给激光器供电时，它们会变热，这可能成为更大系统的热源，影响整个IC。这是一个重要的物理特性，当你设计和架构一个光子IC时，你需要考虑到这一点。"
Lightwave Logic公司董事长兼首席执行官Michael Lebby说，在所有这些之上，还有种类繁多的光电子元件和材料。"在CMOS方面，每个晶体管可能有稍微不同的性能优势，但它们都是晶体管。当你进入光学领域时，你有光电探测器、波导、具有不同光学特性的材料，以及几种类型的激光器：DFB激光器、Fabry-Pérot激光器、DBL激光器、可调谐激光器、外腔激光器等等。每个为光学器件创建的库都会有一套不同的参数和规格。这不是不可能掌握的，但这与在晶体管上调整fmax或Ftau，使你获得200GHz而不是100GHz的情况不同。"
尽管有所有这些相互作用的复杂性，现在有一些职位是没有高级物理学学位的人感兴趣的。Korthorst说："十年或十五年前，你需要有一个光子学的博士学位。现在，如果你有集成电路设计方面的硕士或学士学位，转而设计光子学集成电路（PIC）的障碍就比以前低得多。而且我们实际上可以相对容易地培训你开始设计PIC。"
也就是说，一个有经验的博士仍然特别受重视。"在光子学领域，人们可能会使用20%到80%的PDK"，Korthorst说。"但他们需要用自己的器件来补充，以达到他们想要设计的完整电路。而这种定制是领域专长和领域知识的真正关键所在。"
图2：没有物理学博士学位的人现在有可能在光子学领域舒适地工作。资料来源：Synopsys
有助于过渡的一个利基是布局方面的背景"。Daspit说："我可以培训一个知道如何做CMOS布局的人如何实现光子布局。目前，他认为较小的公司将可能需要能同时做这两件事的工程师。需要光学博士设计师，他们能够理解光学trade-off，查看模拟结果，并知道如何处理这些结果。然而，在更大的公司，工作变得更加专业化，因此有空间给具有布局背景的非博士设计师提供职位。
与其被物理学家吓倒，EDA老手不应该低估自己经验的价值。"我们EDA人认为每个人都知道什么是原理图驱动的布局。我们认为每个人都知道什么是DRC（设计规则检查）或LVS（布局与原理图）。我们认为每个人都知道如何进行仿真和提取。一个光子学的硕士生却毫无头绪。即使是一个辅修光子学的EE，也可能只设计一个简单的器件，而没有学习过EDA"，Korthorst说。"让一个光子学博士帮助客户设计PIC，比让一个已经知道如何帮助客户设计电子IC的EDA应用工程师对他们进行光子学具体内容的培训，要走的路更长。"
另一个可以证明有用的背景是射频设计"。Lamant说："在许多方面，就你作为设计师所做的事情而言，光子学与射频非常相似。它是关于非常高频率的设计，所以射频设计的很多概念都适用。例如，每个波导都是一个器件，类似于射频领域的传输线。你不只是有一段电线在射频中携带信息。而在这两者中，你将使用特殊的工具来提取特性（s参数）。这对集成光子学来说也是一样的。"
尽管如此，他提醒说，自学是不够的，即使是对射频设计人员来说也是如此。"这不是一个容易学习的话题。这是一个非常具有挑战性的数学课。即使你使用相同的麦克斯韦方程，我也不认为你能靠自己学会它"，他说。"我很幸运，因为我和那些愿意分享知识和指导我的人一起工作。这真的很重要。如果自己一个人做，那将是非常、非常有挑战性的。"
好的导师和在职培训是必不可少的，这已经被证明。博通公司光学系统部的超大规模战略和产品总监Rajiv Pancholy说："你必须要有真正的设计和制造过批量出货产品的工程师。仅仅说'嘿，我做了设计，第一个硅片回来了，它成功了'还不够。你必须要有几十万个这样的产品。这就是所需的经验类型和水平。"
结论
随着光子学领域的成熟，电子学和光子学两种技能都将是需要的。
光波逻辑公司的Lebby说："你仍然必须设计一个光调制器的电子方面。如果你为高速光学性能而设计，但你没有做好电子方面的工作，它就不会有很好的效果。两者必须相互结合起来工作。作为我们团队的一部分，我们有从事光学模拟建模设计的专家，但我们也有专门从事电子设计的射频工程师。这是一种共生的关系。你需要两种技能来完成创造超高速解决方案的工作。"
博通公司的Mehta说，该公司的一个最新项目就采取了这种合作方式。"我们开发了非常高密度的半导体封装设计，实现了晶圆规模的加工，并拥抱了CMOS生态系统。我们开发了一种被动对准的可拆卸光纤连接器，以促进焊接的光学引擎，并实现光纤电缆的现场可更换性和可维修性。为了做到这一点，我们利用了在电子集成电路和光子集成电路设计方面都具有高水平经验的工程团队。"
总的来说，老兵们的表现令人鼓舞。"如果人们喜欢在一个令人兴奋的领域学习新东西，那么请过来帮助我们"，Korthorst说。"不要害怕'它还不成熟'这样的信息，，或者，'它比CMOS晚了好几年'。现在有了工具，而在20年前，你可以说这是不可能的事情。好比狂野的西部，但它不是一天24小时/一周7天的狂野西部。实际上，有一个非常强大的EDA基础，有很多人活跃在这个空间，你可以在他们的工作基础上发展。但你仍然可以创造你自己的印记，因为成熟流程还没有全部建立起来。"
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