陈昇祐(Terence Chen) ，深圳Whoscored中文官网
摘要
硅基光电子技术通过将激光器、调制器、探测器与电子器件进行集成，从而革命性地改变光互连。要实现这一潜力，需要针对硅基光电子技术量身定制的稳健工艺设计套件（PDK）和晶圆厂能力。本文分析紧凑建模等关键的PIC Studio PDK 增强功能。重要的晶圆厂能力包括统计计量、变异性分析和PDK改进专业知识。探讨了高性能计算、数据中心、激光雷达和通信等关键应用驱动因素。同时还讨论了异质集成和集成激光器等破坏性技术带来的巨大机遇。通过持续改进PDK和晶圆厂协作，硅基光电子技术可以打开下一代集成系统的大门。
引言
在硅基芯片上集成光电子和电子器件，相对于电子互联，有望大幅提升带宽密度、能效和性能。通过利用高产量CMOS制造基础设施，硅基光电子技术为扩展集成提供了一种经济有效的途径。其潜在应用领域涵盖了高性能计算和数据中心的光学互联，以及用于自动驾驶汽车的集成激光雷达等。然而，随着硅基光电子技术从研究逐渐转向商业化高产量制造，针对光电子设计自动化所定制的稳健工艺设计套件（PDKs）变得关键。
PDKs包含了制程细节、器件库、版图布局规则、紧凑建模等设计集成光子电路所需的信息。PDK是设计与制造之间的桥梁。
本文分析了将硅基光电子技术应用于前沿应用所需的关键PDK增强和晶圆制造能力。同时还探讨了能够推动集成电子光子系统的下一代的颠覆性技术机遇。
增强硅基光电子的PDK
尽管PDK对于提高设计生产效率很关键，但相对于深度扎根的CMOS PDK，硅光子技术的PDK在成熟度上还有所不足。随着光电芯片的复杂性增加，填补关键可靠性差距变得至关重要。一些最关键的PDK增强包括：
高级紧凑模型 - PDK的紧凑模型库必须准确捕捉特定于光学的多物理光学、电学、热学和机械效应。制程统计变异性必须纳入模型。需要进行全面的验证和测量相关性。
异质集成 - 支持混合式激光器、放大器和探测器需要扩展PDK以涵盖III-V材料和硅的异质集成。
光学感知版图规则检查（DRC） - 随着光学元件尺寸趋近100纳米，需要更严格的版图规则。光学感知DRC确保可制造性。
光电协同仿真 - 对光电子与电子之间的模型界面进行建模对于系统设计至关重要。应该支持与SPICE、RF和系统级工具的协同仿真。
互操作性 - PDK、参考设计和工具之间的标准界面有助于生态系统的互连性。
可靠性分析 - 包含制程非均匀性的紧凑模型可以评估产量、功耗和性能。
这些PDK增强需要与晶圆制造厂充分合作，才能实现硅基光电子技术在不同应用领域的潜力。
硅基光电子晶圆厂的关键能力:
先进的晶圆制造能力对于生成适用于光电子芯片设计的稳健PDK需要的能力重点包括：
变异性分析 - 需要大量的制程变异数据来支持统计紧凑模型[12]。应该开发光学测试结构。
参考光电子芯片（PICs） - 在不同技术节点上制造参考用的PIC设计，通过测量相关性进行模型验证。
PDK优化 - 晶圆制造厂应该提供随着制程演进而可扩展的PDK优化咨询。
异质集成 - 支持混合式激光器/探测器需要将III-V外延材料与CMOS集成。需要开发新的键合和生长技术。
这些晶圆制造厂的能力强化了稳健的PDK开发，从而实现硅基光电子技术设计中的创新。
主要的应用驱动因素
硅光子技术在可扩展性、性能和成本方面的优势使其非常适用于多种应用，包括：
数据中心 - 高带宽密度和能效使硅基光电子技术成为扩展数据中心光学互联的理想选择。将光学元件与交换ASIC进行共封装，可以实现下一代网络。
高性能计算（HPC） - 对处理器和存储器之间的低延迟、高带宽连接对于百亿次计算至关重要。片上和芯片间的光学连接可以增强性能。
激光雷达（Lidar） - 硅基光电子技术为无移动部件的自动驾驶车辆集成激光雷达提供了一条途径。高分辨率、低成本和可靠性是关键。
通信 - 硅基光电子技术实现了密集波分复用（WDM）收发器。在芯片上每秒太比特的速度是可能的。
生物医学 - 基于CMOS兼容的硅基光电子技术有助于实现芯片上的生物传感器。光学显微镜、光谱学和成像应用正在兴起。
硅基光电子技术可以在这些不同领域中增强系统性能，随着PDK和晶圆制造厂为特定应用的适应不断进行。
颠覆性技术机遇
一些新兴技术可能催化新一代集成光子系统的发展，包括：
异质集成 - 将III-V外延材料直接键合到硅光子技术中，可以实现集成激光器大器和高速调制器。收发器可以完全集成。
光电共封装 - 在多芯片模块中紧密封装光电子和电子元件，消除了接口损耗和复杂性。可靠性和热管理是活跃的研究领域。
集成激光器 - 在硅上异质集成的激光器可以提供可扩展、低成本的光源。可靠性和性能的提升仍然是挑战。
低损耗波导 - 基于氮化硅等材料开发更低损耗的波导，可以降低功耗要求，提高效率。
这些技术为硅基光电子技术带来了新的性能、密度和功能可能性。然而，晶圆制造厂和PDK的改进必须与这些技术的成熟同步，以实现商业应用的潜力。
结论
硅基光电子技术有望在计算、通信、传感等领域革命性地改变高性能集成系统。然而，广泛的商业采用需要不断改进光子PDK和晶圆制造能力。正如本文分析的，增强的紧凑建模、统计计量和异质集成将是关键的基石。随着硅光子技术供应链的改进，这一强大的技术可以充分发挥其巨大潜力。通过在设计、技术和制造之间实现紧密协同，将为引领下一代集成光电子系统铺平道路。
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