技术干货 | 硅基光电子技术发展路线图: 自动化工具助力下一代光电子芯片

通过光电子版图自动化实现更紧密的波导布线和更小的弯曲半径，从而缩小器件之间的空白空间。最小弯曲半径由光损耗限制决定。

将波导之间的间距缩小到1μm或更小，以实现高密度波分复用链路，并将串扰降至最低。这处于大多数制造工艺的最前沿，将受益于先进的反向设计技术，从而开发出高性能的基础单元。

缩小环形谐振器等高速调制器的体积，开发紧凑、线性、低Vπ相位调制器，从而避免因占用空间而牺牲光带宽。

先进的耦合器,如低损耗的边缘或光栅耦合器,它们对准容差大，占用芯片面积小，以减少芯片输入/输出所需的光子“海岸线”。多芯光纤有望改善规模化,但需要复杂的波导交叉。

广泛采用逆向设计，从目标规格出发，对光电器件进行多参数联合优化，而不是反复推敲初始设计。这样就可以探索复杂的设计空间。

集成光子学、电子、热学、机械和其他效应的多物理场仿真，以共同优化器件和系统性能。这将需要在更广泛的EPDA生态系统中建立合作伙伴关系，以整合同类最佳的模拟引擎。

采用拓扑优化技术，促进仿真驱动的光电子版图合成。这将与制造工艺能力和制约因素紧密结合，以提高可制造性。

版图级别的可靠性分析和良率提高技术，该技术源自成熟的半导体行业，用于解决随着复杂性增加而产生的制造变异。评估变异影响的详细蒙特卡罗模拟将有助于预测和提高制造产量。

密集型非易失性可编程光电链路 (Programmable Photonics)，使用相变材料或其他低功耗可调机制，实现复杂的可重构光网络。热可调硅仍然受到功率和热串扰的限制。

光电子与电子电路协同设计，实现可扩展的控制和信号处理。分区控制功能可最大限度地减少光电子开销，同时充分利用微电子的密度和成本效益。

片上监控器（如分路器、光电探测器和射频传感器）与反馈回路和调整算法相配合，可对PIC的变化进行一次性和连续校准。机器学习技术可提高自动化程度。

具有足够带宽的双向光子电子接口，用于集成光电子神经网络和其他新兴计算模式的本地化训练。

利用晶圆级接合、芯片贴装或转移印刷实现III-V增益介质的混合集成。这种方法在单个激光器上取得了成功，但电子器件的共同集成仍需要2.5D/3D方法。

异质集成技术，如选择性外延生长和重结晶技术，可直接在硅上集成激光增益材料。面临的挑战包括热管理、载流子传输和晶体缺陷。

利用可键合器件（如模式锁定法布里-珀罗激光器或环形激光器）制造多波长梳状光源，以提高可扩展性。稳定性、每线功率和成本竞争力仍是开发目标。

通过改进硅兼容增益介质，实现未来的单片激光器方法。使用异质集成的片上光泵可提供一条过渡途径。 

铌酸锂、钛酸钡和有机聚合物等材料的混合集成，实现了利用波克尔斯效应的电光调制器，避免了基于载流子的限制。制造方面的挑战依然存在，包括键合、极化和稳定性。

利用硅锗改进的雪崩光电探测器（APD），在数据通信波长下提供高响应率，同时克服增益带宽限制和电压击穿的挑战。

探索电泵和光泵相变材料等新兴技术，以规避热效应和等离子载流子效应的限制。

通过改进硅兼容增益介质，实现未来的单片激光器方法。使用异质集成的片上光帮浦可提供一条过渡途径。 

2.5D和3D集成提供了根据应用需求量身定制优化逻辑和光子芯片的途径。2.5D和3D集成提供了结合优化逻辑和光子芯片的途径，这些芯片是根据应用需求量身定制的。

通过将数据中心通信机架折叠成室内的优化模块，共封装光学器件因而获得了发展。内插件、TSV和微凸块将实现与ASIC和加速器的高密度光学I/O连接。

随着经济性和性能要求的发展，最佳系统级划分将决定单片、异质和混合集成之间的选择。 

统一的原理图驱动布局：PhotoCAD可根据原理图自动生成物理版图，保持设计意图并减少实施迭代。

跨代工厂平台的工作流程：PIC Studio集成了多个硅基光电子代工厂的 PDK，也支持新工艺的快速集成。

光电协同仿真：pSim可对光电子、电子和射频组件进行链路级协同仿真。这对于复杂系统的预测建模很关键。

可靠性验证：PhotoCAD搭配全球最受公认标准的Calibre DRC工具可执行版图级DRC、虚拟填充和对先进设计的可制造性至关重要的可靠性检查。

光电协同版图集成：协同仿真、多层版图和自动连接简化了EPIC 的融合设计。

开放式可扩展架构：与通用光电子、电子和射频电路仿真器的接口增强了多物理场设计，同时支持第三方工具集成。

消除多余的手动版图来保证将设计意图贯彻到版图以及流片，从而提高设计人员的工作效率。

原理图与版图视图之间的集成更紧密，包括版图尺寸的反向注释。

从原理图到版图的连接性、拓扑和网表架构的无缝传输。器件参数化更灵活，无需手动更改版图。

版图几何脚本，实现高级链路操作和优化。

使用一致性的端口连接将光学、电子、热学和机械模拟结合起来。 混合信号仿真将模拟、射频和数字电子技术与光子技术结合在一起。在单一环境中对硅光子器件和工艺以及III-V、光电和其他异构元件进行联合仿真。

利用紧凑的解析表达式、基于表格的模型和外部数值求解器接口，灵活构建仿真模型。

通过光电器件上的端口实现电子和光电子的双向集成。

开放式结构，可与通用的电子和光电子仿真器连接，进行多工具协同仿真。

版图几何脚本，实现高级链路操作和优化。

基于网格的设计规则检查，用于在版图工艺限制下进行可制造性验证。 

虚拟填充生成，以改善密度平面度和化学机械抛光。 

光刻友好性和可靠性的最小特征尺寸等图案检查。 

变异性感知可靠性验证，以预测和提高制造产量。

几何操作辅助，如CD偏差、平滑和层的操作。

整合多个硅基光电子代工厂的 PDK，根据应用要求灵活选择代工厂。简化集成电子、光电子和其他供应商的附加PDK，构建完整的EPIC 工艺设计工具包。

多层版图支持，允许跨材料层和芯片面堆叠几何图形。

版图脚本可构建复杂的三维元件和芯片几何结构。

协同仿真，结合跨材料域的光学、电气、热学和机械仿真。

互操作性验证套件，确保与更广泛的EDA工具流兼容。

光子、电子和射频器件从原理图到物理实现的统一设计流程。

自动生成芯片和标准接口之间的连接。

结合光学、电气、热学和机械模拟的协同仿真和分析。

与领先的电子/射频电路仿真工具接口，实现多工具协同验证。

可靠性验证，检查可制造性、可变性和兼容性约束。

开放式架构，允许利用协同设计相互依存关系编写定制优化脚本。