Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

加速光电子芯片创新：硅基光电子制造与设计自动化的强强联手

陈昇祐，深圳Whoscored中文官网

摘要

硅基光电子技术利用CMOS制造技术以经济实惠的方式实现光电集成芯片(PIC)。提供多项目晶圆服务的晶圆厂为研究人员和创业公司提供了低成本的原型试作,加速了光电子芯片研发。工艺设计工具包(PDK)和定制的电子设计自动化(EDA)工具实现了复杂的PIC设计。

本文回顾了硅基光电子制造中的材料、集成和良率方面的趋势。讨论了EDA工具链在版图、仿真和验证方面的进步。总结了由数据中心应用驱动的封装收发器和光电共封装的出现。展望激光雷达、生物传感和量子技术等新兴领域。全面的设计方法涵盖PDK、参考流程和可互操作的EDA,可以帮助晶圆厂加速用户对新的光电子工艺的采用。协同的晶圆厂、EDA供应商、封装提供商和系统集成商合作伙伴关系对于硅基光电子技术在多个行业能立足非常关键。

Keywords: 硅基光电子、光电集成芯片、EDA工具链。

引言

在过去十年中, 硅基光电子快速发展成为一种有前途的集成方法,通过利用现有的CMOS制造技术来实现光子系统[1]-[3]。提供多项目晶圆(MPW)制造服务的硅基光电子晶圆厂为研究人员和创业公司提供了低成本的原型试作,从而改变了光电子芯片研发的面貌[4]-[5]。

这些晶圆厂开发了与定制的电子设计自动化(EDA)工具兼容的工艺设计工具包(PDK)[6]-[7]。本文精要讨论了硅基光电子制造、设计自动化和应用方面的进展。全面的设计方法涵盖PDK、参考流程和可互操作的EDA,可以加速用户对新型硅基光电子工艺的采用。

制造趋势

硅基光电子晶圆厂专注于改进制造过程以提高良率和可靠性。关键趋势包括探索诸如氮化硅、锗和铌酸锂等新材料平台,异质和单片III-V集成,以及维度控制方面的工艺改进[8]-[10]。

硅基光电子正在渗透数据中心收发器应用,Intel、Cisco、Broadcom和Marvell等公司正在扩大量产[11]。随着性能指标的成熟,硅基光电子准备颠覆新的市场,包括自动驾驶汽车、增强现实、量子计算和6G网络。

光电子集成芯片设计进展

ED供应商开发了定制的PIC设计工具链,涵盖原理图输入、版图、验证和链路仿真[12]-[14]。Synopsys、Cadence、SiemensEDA和LATITUDE(Whoscored中文官网)利用EDA工具的功能提供集成的光电子设计平台。

仿真工具如Ansys HFSS、Lumerical FDTD/MODE/CHARGE、Lumerical INTERCONNECT和LATITUDE pSim仿真工具通常用于光电子器件建模。当前不同工具之间的互操作性仍具有挑战性。

EDA供应商正在改进诸如自动版图生成、多物理场联合仿真、制造变异统计分析等功能,以及与晶圆厂认可的DRC工具的接口。这些可以通过设计重用、工艺可移植性和虚拟原型显着降低PIC的开发时间和成本。晶圆厂与EDA合作伙伴合作开发特定工艺的PDK和参考流程,以加速最终用户的设计启动[15]-[16]。参考流程提供经验证的构建模块、仿真设置、版图模板和DRC规则库,以便快速开始使用新工艺进行设计。像Whoscored中文官网的PIC Studio解决方案可以使晶圆厂为光子工艺提供完整的参考流程[17]。利用这些经晶圆厂验证的方法可以帮助成熟PIC设计流程以实现高良率制造。

封装和测试

已经出现光学封装技术,如光学边缘耦合、光栅耦合器、微囊键合和光学引线键合[18]-[19]。光电共封装芯片和ASIC的潜在解决方案包括台积电的基于Interposer和直接键合方法[20]。正在使用的诸如边缘耦合等技术推进晶圆规模光电子器件的测试和测量自动化。

但是,与电子业相比,封装设计自动化和标准目前处于落后状态。像AIM Photonics这样的晶圆厂正在开发从芯片制造到封装和测试的能力,以实现原型化。随着量的扩大,晶圆厂、OSAT、EDA和设备供应商之间的合作伙伴关系将需要转变光电子封装和测试流程。

应用趋势

数据中心收发器已成为硅基光电子的早期应用场景,多家供应商提供了50G、100G、200G和400G以太网解决方案[21]-[22]。集成电子器件、光学器件和封装的光电共封装带来了功耗、成本和尺寸方面的优势。

新兴的应用领域包括自动驾驶汽车的激光雷达、增强现实显示、量子光子技术、5G网络的PIC和光子AI加速器[23]-[25]。硅基光电子也准备使光谱生物传感、环境监测和气体传感解决方案商业化[26]。

展望

硅基光电子正在从小众的研究技术转变为跨信息技术、电信、汽车、仪器和医疗保健行业的广泛商业采用。随着可靠性和热弹性等性能指标的成熟, 硅基光电子技术可以满足严格的工业和国防应用。晶圆厂、EDA和系统合作伙伴关系对共同优化制造和设计至关重要。

信息模型标准化和EDA互操作性改进计划可以加速增长。全面的设计自动化跨PDK、参考流程和工具可以增强用户对应用新型光电子工艺的体验。在过去十年中培育的技术生态系统已将硅基光电子定位为一种通用的集成平台,准备将转型多个行业。

参考文献

[1] S. Shekhar, et al. “Silicon Photonics - Roadmapping the Next Generation” 2023.

[2] D. Thomson, et al., “Roadmap on silicon photonics,” Journal of Optics, vol. 18, no. 7, p. 073003, 2016.

[3] M. Hochberg and T. Baehr-Jones, “Towards fabless silicon photonics,” Nature Photonics, vol. 4, no. 8, pp. 492–494, Aug. 2010.

[4] X. Chen, et al., “The emergence of silicon photonics as a flexible technology platform,” Proceedings of the IEEE, vol. 106, no. 12, pp. 2101-2116, Dec. 2018.

[5] L. Chrostowski and M. Hochberg, Silicon Photonics Design: From Devices to Systems. Cambridge University Press, 2015.

[6] W. Bogaerts, M. Fiers and P. Dumon, “Design challenges in silicon photonics,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 20, no. 4, pp. 1-8, July-Aug. 2014.

[7] A. Rahim, et al., "Open-Access Silicon Photonics: Current Status and Emerging Initiatives," in Proceedings of the IEEE, vol. 106, no. 12, pp. 2313-2330, Dec. 2018.

[8] Z. Zhou, B. Yin and J. Michel, “On-chip light sources for silicon photonics,” Light Sci Appl 4, e358 (2015).

[9] J. C. Norman, et al., “A Review of High-Performance Quantum Dot Lasers on Silicon,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 25, no. 6, pp. 1-12, Nov.-Dec. 2019.

[10] C. T. Phare, Y. H. D. Lee, J. Cardenas and M. Lipson, “Graphene electro-optic modulator with 30 GHz bandwidth,” Nature Photonics, vol. 9, pp. 511–514, 2015.

[11] R. Soref, “The Past, Present, and Future of Silicon Photonics,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 12, no. 6, pp. 1678-1687, Nov.-Dec. 2006.

[12] Synopsys, “Photonic Solutions,” 2022. [Online]. Available: https://www.synopsys.com/photonic-solutions.html.

[13] Cadence, “Photonic Solutions,” 2022. [Online]. Available: https://www.cadence.com/en_US/home/solutions/photonics.html.

[14] Siemens EDA, “Photonic IC Design,” 2022. [Online]. Available: https://eda.sw.siemens.com/en-US/ic/ic-custom/photonic/resources/.

[15] A. William, et al., "Silicon photonics manufacturing," Optics Express, Express 18, 23598-23607, 2010.

[16] Cadence, “Addressing the Challenges of Photonic IC Design Via an
Integrated Electronic/Photonic Design Automation Environment,” Cadence Design Automation, 2018.

[17] Latitude Design Automation, “Silicon Photonics Solutions,” 2022. [Online]. Available: https://latitudeda.com/document/41.

[18] A. Nitkowski, L. Chen and M. Lipson, “Cavity-enhanced on-chip absorption spectroscopy using microring resonators,” Optics Express, vol. 16, no. 16, pp. 11930–11936, 2008.

[19] S. Zhao, et al. "A portable and automatic dual-readout detector integrated with 3D-printed microfluidic nanosensors for rapid carbamate pesticides detection." Sensors and Actuators B: Chemical 346, 2021.

[20] H. Hsia, et al., "Integrated Optical Interconnect Systems (iOIS) for Silicon Photonics Applications in HPC," 2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, FL, USA, 2023, pp. 612-616.

[21] L. Chen, C. R. Doerr, P. Dong and Y.-K. Chen, “Monolithic silicon chip with 10 modulator channels at 25 Gbps and 100-GHz spacing,” Optics Express, vol. 19, no. 26, pp. B946-B951, 2011.

[22] J. E. Proesel, B. G. Lee, C. W. Baks and C. Schow, “35-Gb/s VCSEL-based optical link using 32-nm SOI CMOS circuits,” in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper Th3C.2.

[23] J. Wang, et al., “Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages,” Nature, vol. 562, no. 7725, pp. 101–104, 2018.

[24] D. Perez, et al. "Principles, fundamentals, and applications of programmable integrated photonics." Advances in Optics and Photonics 12.3 (2020): 709-786.

[25] A. N. Tait, et al., “Neuromorphic photonic networks using silicon photonic weight banks,” Scientific Reports, vol. 7, no. 1, Aug. 2017, Art. no. 7430.

[26] M. A. G. Porcel, I. Artundo, J. D. Domenech et al., “Monolithic photonic integration for visible and short near-infrared wavelengths: Technologies and platforms for bio and life science applications,” Advanced Optical Technologies, vol. 7, nos. 1–2, pp. 57–65, 2018.