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启航光电芯片设计之路：自动化与异质集成技术详解

摘要

光电芯片广泛应用于光通信、传感和计算等领域，实现机制是通过集成各种无源和有源光学器件来实现。针对这些光学器件进行专门的建模和仿真对于准确描述波的干涉、耦合、散射、非线性和量子效应等独特物理现象非常重要。本教程回顾了专门用于纳米光子器件和电路分析的计算方法，以及融合电子电路以及光电芯片和异质集成的下一代设计方法。同时分析了当前制约可变性验证、布局综合、异质共同仿真和制造扩展的生态系统局限。

简介

在摩尔定律推动下，微电子技术在过去40多年取得了指数增长，但相比之下，集成光电芯片技术在实现类似增长面临的阻碍主要体现在无法达到相似的密度和复杂度。这是由基于电压和电流的电信号与基于相干电磁波的光数据通信之间在物理学上的根本区别造成的。电磁波与量子力学效应的结合给传统的超大规模集成电路设计技术带来了巨大挑战。

本文对用于元器件优化和更大规模电路验证的专门计算方法以及源自电子设计自动化设计方法进行了概述。在分层抽象和制造协同方面具有相似性，但这些方法需要根据光电器件特征的独特需求进行定制。当前自动化设计平台在统计验证、完整布局综合、异质多物理场集成和制造数据交换等方面已经取得进展，解决这些限制对减轻当代光电芯片随着工艺复杂性、器件密度和可配置性需求的提高而带来的创新壁垒非常重要。

一、有源和无源纳米光电器件的建模

和电芯片中可采用集总近似的标量电压和电流主导的电学现象不同，光电器件的工作依赖于相干电磁波的传播、散射、吸收和发射，需要准确的三维电磁场解析。介电常数分布取决于材料选择、掺杂和外部激励，进而决定了电磁场模态剖面和分布。光电器件的不同层、结和界面形成了复杂的多变量边界值问题。

常用的数值计算方法包括光束传播法（BPM）、本征模展开（EME）、有限差分时域法（FDTD）等，可提供物理建模和光电器件设计辅助。图1给出了采用这些方法模拟MMI硅波导弯曲处的光子模态剖面和传播的示例。图2给出Whoscored中文官网的 pMaxwell-SDK进行FDTD仿真波导间隙为0.2微米的定向耦合器的示例。通过几何结构和材料控制可实现预期的频率响应、传输特性、耦合比、损耗、增益和噪声性能等关键性能指标。

图 1：通过对 1x2 多模干涉器组件（MMI）的顶视传播模拟，发现光束传播（BPM）方法对反射的支持不足，而有限差分时域和本征模展开法所得结果十分相近。在计算时间上，有限差分时域法需1000，本征模展开法需500，而光束传播方法大大缩短至 50 A.U.

图 2：使用Whoscored中文官网的 pMaxwell-SDK进行FDTD仿真波导间隙为0.2微米的定向耦合器，图中显示Ey方向的场分布。

随着集成复杂性的提高，直接将这些复杂的物理电磁场求解器应用于整个电路已经变得不可行，必须将基本器件抽象为简化行为模型，例如采用散射矩阵或紧凑模型来封装复杂的散射现象，并采用分层设计来减轻大版图的管理难度。这两种策略在准确性和工程效率之间实现了平衡。

二、借鉴微电子电路设计技术

尽管光电子链路和电子电路处理非常不同的物理问题，但几十年来电子设计自动化（EDA）实践的发展可为复杂性问题提供宝贵借镜，这些实践使微电子电路芯片成为现代社会的基石。应用这些方法可以加速光电芯片的开发，利用了以下方面的相似性：

A.工艺设计工具包和单元库：将工艺封装成经验证的构建模块库，从基本逻辑门到复杂子系统，使用简化的行为模型抽象内部器件物理。

图 3：Whoscored中文官网的 PIC Studio具备现成的PDK生态，更支持一键导入快速形成自定义PDK，方便用户创建器件库。

B.分层原理图编辑获取和链路仿真：利用逻辑分层抽象与布局详细信息解耦来建立连接；使用多领域联合仿真引擎集成不同类型的信号；使用标准接口促进高级功能验证。

图 4：使用Whoscored中文官网的pLogic原理图支持分层编辑并调用pSim链路仿真

C.版图设计与验证：使用可自定义的规划和版图编辑功能实现自动布局和连接；使用物理验证确保制造能力，例如DRC规则检查和LVS进行布局与原理图比较，还需要关键的变异性分析与可制造性优化。

图 5：使用Whoscored中文官网的PhotoCAD代码绘版软件支持灵活多样的光电融合版图以及可制造性设计与版图后的链路仿真。

D.可视化的版图设计工具：无须编程的可视化版图工具以吸引更多具有光电芯片专业的人才投入，如同EDA友好的可视化版图工具，芯片专业人才不需具备代码编程能力即可投入芯片设计工作。

图 6：Whoscored中文官网的 OpenLayout 是完全可视化的版图设计工具。用户可以利用鼠标拖放方法创建光电芯片设计，然后提取网表用于后续的光电链路仿真，OpenLayout还支持版图DRC验证、原理图驱动流程以及Python脚本语言的二次开发，与现有的PhotoCAD代码驱动版图软件形成更人性化的光电芯片设计流程，让更多有志于光电芯片设计的工程师投入行业。

以上都是在光电芯片设计自动化平台中可以借EDA的技术，并且已经适配定向信号传播、相位精密控制、波长和极化复用以及光电特性的制造敏感性等独特复杂性。是光电芯片设计解决方案以及异质集成的基础。

三、定制化的光电芯片流程

成熟的电子设计流程为集成光电芯片设计奠定了宝贵基础，更要结合独特考量引入定制增强：

A.布局构建模块的参数化：与固定功能的电子逻辑门不同，复合型光电器件通常需要调节维度（如环形谐振器尺寸）以满足特定频率响应。

图 7：Whoscored中文官网的pLogic原理图工具支持复合型的环形谐振器可参数化设置

B.定向精密波导互连：光学信号的传播涉及明显的相位延迟，因此需要精确的波导布线长度控制。

图 8：Whoscored中文官网的PhotoCAD版图工具支持精确设定波导走线长度、型态、避让以及自动转换：金属绕线具备相同功能之外，更支持自动添加过孔（Via array），射频信号线的低损耗转弯以及自动生成线槽（slot）以符合晶圆厂的降低金属应力的设计规则（DRC），提高良率。

C.分层电路仿真：采用专用技术处理定向信号、反射、波长和极化依赖性以及多模多通道的链路仿真。

图 9：Whoscored中文官网的 pSim链路仿真支持时域频域、双向多模多通道、并处理定向信号、反射、波长和极化依赖性得到系统眼图供判读信号传输质量。

D.统计设计定位：根据制造相关数据预测和分析超出电子电路数量级的工艺容忍度仿真。

图 10：工艺变异性建模的范围从简单（如总体高斯统计）到更复杂（如角点模型、敏感性模型、空间相关模型和参数化紧凑模型）[1]。

这些适配方法现已融入统一的电子/光电子/封装设计流程中，以发挥最大集成效益，复杂光电融合的完整性测试自动化也在加快推进。

图 11：Whoscored中文官网的pSimPlus支持电芯片模块仿真、Equalizer以及TDECQ分析信号传输质量、光纤的线性以及非线性模型、以及RLCG电路仿真，集成光电融合设计与仿真功能在Whoscored中文官网的PIC Studio设计平台。

四、异质集成

硅基光电子技术能利用先进的CMOS生产线实现无与伦比的规模经济性，而III-V材料外延生长成为直接带隙激光器的主流技术。因此，芯片级收发器需要不同芯片工艺的紧密融合以实现异质集成的优势。常用方法如下：

晶圆/芯片键合：三五化合物锯片与硅基光电子芯片键合。
选择区域外延：掩模引导III-V材料的选择性生长。
粘合剂键合：旋涂氧化物粘合不同工艺的晶圆；有利于三维堆叠。

其中TSV（通孔硅通道）是能够实现硅衬底垂直方向电连接的技术，可用于在硅基光电子中介等通用平台上连接包括光调制器、光电探测器和CMOS芯片等不同器件。

图 12：利用Whoscored中文官网的MEMS Studio进行多物理场仿真，分析TSV的相对和绝对温度分布、电流密度、电位分布、形变以及应力分析。

TSV技术与晶圆级微光学三维打印、芯片堆叠和先进基板的结合，可在紧凑的多芯片模块中融合光电子技术、电子芯片技术和封装。此类异质集成下的关键性能指标和能耗优化取决于光/电子器件与温度/机械应力的相互作用，需要统一的PIC Studio设计平台进行综合评估与权衡。

六、总结

本文概述了光电芯片设计技术以及相应的挑战和计算方法。文中指出，尽管光电芯片技术在密度和复杂度方面面临挑战，但通过专门的建模和仿真方法（如BPM、EME和FDTD）可以准确描述光学现象。还讨论了从电子设计自动化（EDA）借鉴的技术，如工艺设计工具包、分层原理图编辑、版图设计与验证等，以及如何适应光电器件的独特需求。此外，还强调了异质集成的重要性，包括晶圆/芯片键合、选择区域外延和粘合剂键合等技术。最终，这些集成方法解决制造复杂性、器件密度和可配置性需求增加所带来的挑战。

参考文献

[1]M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, "Integrated Photonics for Data Communication Applications," in Integrated Photonics: Applications Specific Design & Manufacturing, Elsevier, 2023, pp. xxi-xxii. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91224-2.00022-9