【光电通信】LucedaIPKISS针对硅光LiDAR芯片设计的进展

今日光电 2023-10-24 18:00

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今日光电

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最近，硅光领域的初创公司 SiLC Technologies 推出了一系列名为 Eyeonic Vision 的产品，可应用于商用 FMCW 激光雷达。这些产品的工作范围可覆盖从几十米到一公里的距离，这一创新标志着硅光技术在商业激光雷达产品中的广泛应用迈出了重要的一步。

LiDAR with Eyeonic Vision Chip
(图片源于:https://www.silc.com/product)

硅光技术在商用领域不断成熟发展，这不仅得益于硅光芯片产线的不断升级和良品率的提高，还得益于上游的设计工具（EDA/PDA）制造商和流片厂之间日益深入的合作。先进的设计工具和高效的设计流程是缩短产品上市时间的关键因素。

在硅光 FMCW 激光雷达方案中，实现高密度的扫描和发射部件设计是提高系统点云质量和扩大探测距离的常见策略之一。在纯固态 FMCW 激光雷达中，通常以光学相控阵（OPA）作为扫描和发射部件,其主要原理是用热光或者电光的器件动态调控各波导的光场相位，从而改变在发射器件中的光发射相位，最终实现远场中多波干涉加强后的光场打到被测物上的目的。利用不同格式的发射信号和检测技术可以得到物体的位置和速度信息。以一维 OPA 为例，它通常由树状分光器（SplitterTree）、光相移器（PhaseShifter）、光发射天线（Optical Antenna）等模块构成。

OPA架构示意图
(图片源于: LUCEDA 网站)

OPA 的设计是分层的，每个模块均由不同的子器件和线路组成，提高扫描和发射部件的密度，意味着需要在有限芯片面积内增加上述三个模块中的器件及布线波导的数目，这将会大大增加整体设计的复杂性。因此，要想获得高密度且无误的 OPA 设计版图，引入版图与原理图对比（Layout Versus Schematic，LVS）是至关重要的。它不仅有助于设计师迅速检查器件之间的连接性问题，还能根据实际需要灵活提取关键结构参数，以便设计师进行设计验证。

OPA版图与原理图对比
(图片源于: LUCEDA 网站)

在 Luceda 设计平台中，IPKISS Canvas 可以实现一键生成与版图相对应的原理图，同时还提供了版图参数反标功能。所谓反标的意思是，它可以将设计师关心的版图结构参数从 GDS 中提取出来，并且标注在原理图上，方便对关键版图参数做复查，这样就能满足上述的复杂设计需求。

实现流程是，在完成版图设计后，只需通过"to_canvas()" 语句，即可自动生成相应的原理图，从而可以在图形化工具中直观地检查每一层子线路的连接性（包括光波导和金属线）以及关键版图参数，从而最大程度地降低设计错误的可能性。这里以树状分光器为例，LVS 实现过程如下：

(视频源于: LUCEDA Bilibili账号)

目前 Luceda 平台的 LVS 可以提供的复核内容包括：

波导和金属线的连接性，包括端口匹配、转换结构的正确性等。
关键版图参数的提取，包括波导弯曲半径、波导长度和使用的波导类型。
子线路的参数是否正确，包括各器件模型信息、器件间距和结构参数等。

在 OPA 版图设计和仿真阶段，IPKISS Canvas 提供了以标准 PDK 框架出发的设计开发流程，OPA 的设计可以直接从原理图出发，帮助设计师快速进行版图设计和线路仿真，这个过程称为原理图驱动版图设计（Schematic Driven Layout，SDL）。以 SplitterTree 为例，SDL 实现过程如下：

加载目标流片厂的 PDK 库。
通过拖拽的方式完成 SplitterTree 的原理图设计。
调整每个器件的结构参数。
生成对应的版图代码，并生成版图。
生成仿真代码，对原理图性能进行仿真验证。

(视频源于: LUCEDA Bilibili账号)

当然，原理图仿真和对应版图的生成是可以交替进行的。这种方法可以用直观和便捷的方式生成与目标流片厂规则完全匹配的 SplitterTree 版图。通过原理图和版图的自动相互绑定和转换，不仅减少了不同设计工具之间的冗余操作，降低了人为误差，还可以用一种弱代码交互的方式快速生成理想的版图设计。这种图形化界面与代码双驱动的方式，可以满足团队中不同设计师的需求和设计习惯。

另外，Luceda IPKISS 还提供了丰富的自动化设计函数，包含多种布线波导和弯曲优化算法，可帮助设计师快速完成复杂的波导和金属线布线，以满足不同场景下的需求。常见自动化函数包括 Manhattan、SBend、ManhattanBundle、Partial Euler Bend、Partial Spline Bend 等。软件的自动化功能与全球 20 多家不同材料平台的流片厂设计规则相结合，可以帮助设计师轻松生成可直接制造的芯片设计版图。

LUCEDA IPKISS中提供的自动布线函数: