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開發(fā)者們太難了。為了更好地滿足用戶需求，開發(fā)者們希望芯片在保持低功耗的同時還能不斷提高性能。光子芯片也因此成為開發(fā)者們的重點關注方向。
一方面，高速數(shù)據(jù)通信、成像和先進傳感等應用普及率逐年上升，但傳統(tǒng)半導體中的電子元件在這些領域中的應用存在諸多局限性。另一方面，光子芯片利用光的優(yōu)勢可以顯著提高速度和容量，而且具有小型化、熱效應小和集成能力強等優(yōu)點。
雖然光子芯片看起來優(yōu)點多多，但與開發(fā)傳統(tǒng)的電子芯片相比，光子芯片的開發(fā)難易程度又如何呢？
鑒于器件的性能與材料和光學特性有關，而光學特性又與幾何形狀聯(lián)系緊密，光子芯片的設計注定不簡單。不同的代工廠使用不同的材料平臺和各自的工藝流程，根據(jù)材料和光學特性，這些流程會在物理層面影響光子芯片的性能。在許多情況下，經(jīng)驗的多少在很大程度上決定了開發(fā)者能否高效地對高性能光子集成電路進行建模。
長期以來，半導體行業(yè)一直在電子芯片的設計工具中使用工藝設計套件（PDK）來為制造工藝建模。同樣的方法也適用于光子集成電路，從而彌合鑄造技術和設計要求之間的差距。PDK還能加速實現(xiàn)一次流片成功。在本文中，我們將詳細說明PDK如何幫助開發(fā)者們加快光子芯片的設計過程。
光子芯片設計的構(gòu)建模塊
那么在光子芯片設計中，PDK到底提供了什么？
我們可以將PDK視為設計環(huán)境的插件庫，它主要提供一組構(gòu)建模塊。典型的半導體PDK組件包括器件庫（含符號和版圖）、驗證規(guī)則集（如設計規(guī)則檢查和電路布局驗證）、技術數(shù)據(jù)（比如層、顏色和工藝約束）、原始器件的仿真模型（比如晶體管、電容器、電阻器和電感器）和設計規(guī)則手冊。
借助這些組件，芯片開發(fā)者可以更加輕松地為不同應用構(gòu)建不同類型的復雜光子電路。這些構(gòu)建模塊經(jīng)過了預先定義和測試，確保開發(fā)者可以實現(xiàn)其質(zhì)量、成本和上市時間目標。
PDK中的光子構(gòu)建模塊通常包括幾種類型的波導管，以及各種無源器件（比如分路器、合路器和濾波器），此外還可能包含有源器件（比如移相器、檢測器、半導體光放大器和激光器）。
開發(fā)者也可以創(chuàng)建自己的構(gòu)建模塊，但須遵循代工廠的設計和制造規(guī)則。近年來，大多數(shù)提供光子芯片制造的代工廠都在其PDK中添加了形式化物理設計規(guī)則驗證規(guī)則集。這些設計規(guī)則檢查（DRC）規(guī)則集包含各種用途的檢查規(guī)則，例如用于檢查設計是否可投入實際生產(chǎn)，以及檢查各層之間的最小距離、最小重疊、銳角等。特別是在硅光子學制造中，這是常見的做法，規(guī)則集中可能包含多達數(shù)百項檢查。
光子組件建模
要對光子組件進行精確建模，需要考慮其幾何結(jié)構(gòu)、材料和電光特性。PDK模型庫通常包含：
材料堆疊對不同波長光的折射率
預表征組件或已驗證組件的值
分析模型，當實際數(shù)據(jù)不可用時，可用于預測性能
光子芯片的信號級仿真工具使用簡化或緊湊的模型，而不是在器件層面以全3D方式求解EM方程。許多光子器件的功能可以用S矩陣表示，該矩陣描述了信號傳輸并對波長、溫度或組件端口之間幾何結(jié)構(gòu)存在一定的依賴。對于激光器或光放大器等組件，則通常使用速率方程或復雜的曲線擬合多維矩陣作為模型來表示相關行為。
支持在芯片設計流程中使用定制組件
在開發(fā)者設計光子芯片時，代工廠提供的PDK是設計環(huán)境的重要組成部分，并提供了上文所述的組件和設計規(guī)則。開發(fā)者通常需要額外的應用專用組件來與PDK形成互補。有些解決方案支持PDK驅(qū)動的仿真和定制仿真。
新思科技的OptSim電光協(xié)同仿真解決方案就是這樣的一種選擇。新思科技OptSim提供了由原理圖驅(qū)動的統(tǒng)一版圖光子芯片設計流程并支持符合代工廠要求的模型庫和定制設備模型。
新思科技還提供完善的光子芯片代工支持，以及全球各地代工廠針對以下光子工藝的PDK：
硅
氮化硅
磷化銦
聚合物
玻璃上硅
新思科技提供各種工程服務，幫助代工廠、IDM和設計團隊制定針對特定代工廠的緊湊模型、構(gòu)建模塊定義、版圖和物理驗證規(guī)則。
設計光子芯片很復雜，并涉及到具體應用和代工廠所需的特定步驟。借助PDK，設計團隊可以加速開發(fā)具有數(shù)百個光子組件的設計，利用光的優(yōu)勢實現(xiàn)高速通信、汽車系統(tǒng)激光雷達、太空探索成像、和醫(yī)療傳感等多領域應用。
