观集成硅光子学在设计、开发和制造中遇到的瓶颈问题

长途通信和数据中心是光子元器件的重要应用领域，也加速了光子技术的快速发展，开创了新的市场和机遇。为更好的满足行业需求，科学家们必须解决集成硅光子学在设计、开发和制造中遇到的瓶颈问题。

硅光子技术的领先企业美国Luxtera公司产品营销总监Brian Welch说道：“看看云计算、搜索和社交网络中使用的网络带宽，人们在运行大型数据中心的时候消耗了远远超过其他市场的大量带宽。下一个可以与该规模相媲美的领域就是无线电5G的推出。”

但我们关心的领域不仅仅是带宽。集成硅光子学有能力从根本上改变一些计算概念，光电行业也只是刚刚开始探索集成硅光子学的所有可能性。

图为集成硅光子学示意图

硅的重要性

在过去，光子器件都是由专门的晶圆厂制造的，通常基于磷化铟（InP）。Inphi的首席技术官Radha Nagarajan表示：“目前很多公司都可以进行更大规模的硅制造，硅片采用8英寸或12英寸晶圆（200mm或300mm），而InP则采用3英寸或4英寸晶圆（100mm），制造规模是不同的。硅通常采用植入物等制造工艺，但这在InP中不常见，在InP中通常是了利用蚀刻的方式形成某些结构，然后钝化它们。”

Luxtera公司的Welch指出，除了成本低廉之外，硅光子技术的产量也非常高。“如果使用CMOS代工，它们的产量是无与伦比的。过去，生产缓慢推迟了光学解决方案的采用。”

300mm晶圆的另一个优势是代工厂更有可能使用先进的制造技术。Welch补充说：“虽然光子器件不需要很好的光刻技术，但它不会受到伤害，与晶体管相比，这些结构相当庞大，大多数光学结构具有无限的带宽，所以它们不需要像缩放CMOS那样需要缩放以使其速度更快。”

事实上，谈论节点尺寸对光子器件来说并不合适。Nagarajan指出：“光子的波长比电子的波长大得多，这就是电子产品可以进入7nm节点的原因。然而，标准硅光子器件都在130nm或180nm节点，通常使用245nm光刻线。光学器件与电子器件不同之处在于它们相位敏感，且侧壁粗糙度和损耗都是重要指标。光刻和蚀刻的质量与更精细的节点一致，但规模更大。”

虽然您可能不想使用7nm节点，但其开发可能会间接为您提供帮助。Cadence杰出工程师Gilles Lamant指出：“我们在减小门线粗糙度方面所取得的所有进展都是可行的，代工厂正在投资以更好的实现光子工艺的产量和控制。你会发现，当你听到GlobalFoundries说他们将他们的平台移动到更大的晶圆厂或更现代化的晶圆厂时，这不仅意味着每个晶圆的失败率更高，而且意味着他们的目标是更先进的设备和更好的控制。”

现在的问题是光子学不使用传统的CMOS工艺，并且限制了愿意制造器件的代工厂的数量。Welch表示：“你想使用制造厂中存在的所有工具，同时我们希望尽可能少的偏差。我们不需要特殊的不限或者特殊的工具，我们希望我们的晶圆可以像先进CMOS一样运行。这就是我们获得成本和规模的方式。这项技术有很多工作要做，虽然在这方面看起来相当简单，但这很具挑战性。”

而某些挑战依然存在。Nagarajan指出了一个大问题：“你需要锗作为探测器的原料，然而纯锗的生长仍然是一个挑战。”

集成

集成是数据中心的驱动因素。Welch表示：“集成非常重要，因为它降低了成本。在优化成本或降低功耗的同时，将朝着更高集成度发展。这对铜来说也是一样的。它曾经有分立的物理层，但随着时间的推移，它们在交换机后面以更高的密度集成。集成在光学领域也将发挥同样的作用。”

在光子学中有两种典型的集成方法。第一种使用混合晶片，直接在CMOS裸片上集成光子元件，因此CMOS晶体管与光子元件在同一衬底上。这是Luxtera采取的方法。但是，大多数人仍然在做一个多芯片设计——它有一个光子晶片和一个电子CMOS晶片。

西门子公司IC设计小组的产品营销经理Chris Cone说：“光子芯片的制造成本通常较低。它们是在较低的技术节点（如130或65纳米）下生产的，而且光子晶片的尺寸往往更大。这意味着它们可以被倒装结合，并且在其上面粘合CMOS芯片。我们在这方面看到了很大的进展。设想一个CMOS晶粒倒装在一个光子晶片的顶部，而这个晶粒有点大，所以你可以用它作为插件。然后，您需要访问CMOS裸片，并需要采用某种形式的硅通孔（TSV）方法来访问电信号。”

激光本身仍然存在一个重大问题。EV集团业务发展副总裁Martin Eibelhuber说：“一个主要问题是有源光学元件的集成，它们通常是基于化合物半导体的激光器。由于硅基器件无法满足这些激光器的性能，因此需要异质材料集成，这对标准CMOS基础结构并不常见。直接晶圆键合已被证明是结合不同材料的极佳方法——以低成本实现高质量集成。由于几何约束，全硅晶片键合方法对于硅光子学不是优选的，因此开发了利用等离子体激活的直接键合的多芯片转移工艺。”

设计流程

当前我们需要完善技术所需的工具、工艺和流程。Synopsys光学解决方案事业部研发部门主管Tom Walker说：“我们正在努力将光子设计提升到更高的水平，同时实现更好的自动化。这两个因素对于帮助更多设计师开发定制光子集成电路设计至关重要。”

这一切都始于工艺设计工具包（PDK）。Nagarajan说：“Synopsys和Cadence都在增加这方面的产品。Synopsys刚刚收购了这个领域的一家公司（PhoeniX Software）。PDK需要自动化，并与Mentor设计规则检查工具（DRC）和Cadence工具进行结合，这些工具可以实现仿真/数字仿真和Synopsys的等效工具。有一整套光学工具需要移植到这些流程中。这还有很长的路要走。”

Walker解释道：“设计过程分为不同的层次。每个层次都向设计师展现了越来越抽象的功能，同时隐藏了底层的内部工作。第一级对应于物理布局。在此，控制几何形状和材料属性以创建定义组件和连接的结构。其他级别是电路级别，信号行为通过将各个组件连接到电路来定义。

在模拟世界中，下一个层次通常称为参数化单元或PCell。Nagarajan继续说道：“如果您的设计主要采用基于PCell的标准代工厂，那么设计环境适合自动化。您可以购买一个IP内核并将其纳入其中。如果你处于高端市场，那么你正在设计出一个极其出色的产品，这往往是一个专家驱动的过程。尽管这些工具远不及电子产品或普通可用IP核的复杂程度，但一些代工厂已经开始提供PCells。”

设计的另一面是验证。Cadence的Lamant说：“当你谈论机架的顶部到底部或卡的左到右时，能够进行全系统仿真开始变得非常有趣。你需要将AMS与光学模拟器结合在一起。如果没有模拟，你只需要简单计划并投入足够的中继器，但对于较短的距离，你想尝试优化它并尽量减少能源消耗。”

光学元件的集成也产生了一些有趣的新挑战。Lamant补充道：“光线有反射的趋势，所以你有前向传播的光，但有一定数量的光线会反射回来，而且你确实需要建模。这是混合光学模拟器真正起作用的地方。如果你有一种使用数学模型传播信号的方法，比如Verilog-A，向后传播需要很多额外的方程。”

在电子和光子聚集在一起的地方出现了另一系列问题。Mentor公司的Cone说：“当你驱动一个光子接口时，你遇到了很多噪音和大量热量的问题，这必须考虑在内。没有人提供这种能力。这一切都归结为接口，它非常高速，以每秒几十千兆位的速度运行，一个开关驱动调制器上的结点或移相器，并产生一个您必须考虑的EMI签名。同样，从光电探测器开始，你会有一个非常敏感的输入进入跨阻放大器。你必须屏蔽来自电路其他部分的噪声。”

这种电活动以及它产生的热量可能会给光学器件带来困难。Lamant指出：“只需将温度改变1°C，就可以看到光线的巨大变化。有一些很好的方法可以调整光路，虽然这可能是一个优势，但我周围的所有电子设备的变化速度都很快，带来了超过1°C的变化。所以这是一个非常敏感的调整机制，也是一个大问题。这是一个投资和研究领域。我们需要以动态的方式更好地理解热效应。对于电子产品来说，它通常被视为二阶效应。但对于光学来说，散热是一种一阶效应。如果您从制造厂的PDK中查看组件，则会看到许多热调整组件。所以它不是在验证阶段就能够离开的东西。这是一个一级效应。”

Lamant解释说，光子电路需要找到热平衡。当你想要创建光子学中的零点时，你要么尝试调整相位或者使它们不对准，以产生建设性或破坏性的干扰。通过加热一些东西来调整受影响的相位偏移，从而向前或向后移动物体。

EDA正在应对这些挑战。然而，Cone有一个警告：“光子学与电子学非常不同，我们需要为领域提供解决方案以满足他们的需求，而不是试图迫使光子学领域遵守严格的EDA设计规则，我不相信这是正确的做法。”

前途光明

尽管光子学不会像走上电子学和摩尔定律那条道路，但光子行业已经开始提高光子电路的可能性。Lamant指出了MIT的一个有趣的发展：“Light Matter有一个光子学乘法器，用于机器学习中应用矩阵系数。光子电路本身非常简单，但正在执行的功能却非常复杂。”

矩阵乘法是机器学习中的性能限制器，并且消耗大量的功率。对于光学等效物，它可以以更快的速度和少量的功率执行。

其他应用程序可能会被发现。Lamant警告说：“一个重要的考虑因素是数据必须转换成适合光学的形式，而且需要能量。因此，其中一个折衷方案是，是否值得将电子信息转换为光信息，以便可以在光学加速器内消耗和处理。或者更好地将其用作电子产品并支付更高的成本，这是一个系统级的折衷。”

Cone指出另一个有趣的研究线。“看看HPE实验室和机器，这是一种内存驱动计算的形式。他们提供了计算的未来愿景，这是基于光子学的。”

在硅光子学中，您有大量节点通过单根光纤连接，并且它们几乎都是瞬间互相对话。Cone表示：“这改变了我们对系统级芯片架构的了解，所有这些都基于电子连接。企业意识到他们不需要使用传统架构，所有架构都是模块化的，并通过一些接口进行交流。”

集成硅光子技术变得越来越重要，必要的工具和流程也已日趋成熟。在未来硅光子集成技术将提出更新颖的方式为光子学领域提供便利。