无晶圆厂生态系统为何青睐光子电路设计？

光学整合是一种将激光器、光电检测器、分光器或滤波器等多种光学组件微型化，并整合于一个光子芯片(IC)中的技术。

以成熟度来看，尽管光学整合技术大约较电子整合落后30年，但它仍是一种快速进展的技术。光学整合在2000年的网络泡沫化时代历经最佳的发展，当时约有数百万种用于光纤网络的被动光学组件开始被整合于以硅制造的平面光波电路(PLC)中。

如今，有多种成熟的材料平台可用于无晶圆厂(Fabless)的芯片开发，每一种都具有不同的卓越特性：PLC的优点是低损耗和低成本被动电路；硅(Si)的优点在于高密度和CMOS兼容性；磷化铟(InP)能够在芯片上产生以及放大光路；而氮化硅(Si3N4)则具有低损耗和高密度的特性。

图1：以氮化硅(Si3N4)制造的光子芯片，适合带有金属微型加热器的感测应用

虽然磷化铟和硅平台通常针对作业于C波段(约1550nm)和O波段(约1310nm)的光纤通讯波长范围进行了优化，但PLC和氮化硅则能作业于低至400nm的可见光波长范围，目前有许多感测和生物医学应用都作业于这一范围。

在选择了能够满足目标应用要求的材料平台后，设计人员接着还必须选择一家特定的代工厂，或是让有经验的IC设计公司(如VLC Photonics)协助选择。光子芯片设计的第一步是根据波导几何形状确定沿着电路传导的光学模式。

图2：整合于硅光子微芯片上的精巧型量子光学干扰仪

在这个阶段通常会执行全面的频域分析，计算色散、群速、群指数、传播损耗、有效折射率等光学参数，并考虑某些边界条件(如周期性、对称、非对称与金属特性等)。常用方法是有限差分(FD)、薄膜模式匹配(FMM)、有限元素法(FEM)、关联法或高斯模式光纤解算器等，目前已有多种建置这些方法的商用软件工具，如PhoeniX Software或Photon Design等。

下一步是这些光模型沿着组成电路的组件进行传播。虽然可采用多种方法(BEP、特征模式扩张、传递矩阵、分离-阶跃)，但最常用的方法是光束传播方法(BPM)和时域中的有限差分(FDTD)方法。

第一种方法用于缓慢变化的非均匀波导结构(如锥体、弯管、耦合器)中的光线传播，可以在近轴途径下实现纯量(scalar)或向量(vector)总场(而非模场)的单向或双向传播。

图3：磷化铟平台复杂的微波光子芯片布局

第二种FDTD方法是与时间相关的Maxwell等式在网格上的一种离散表现，透过将系统的时间变化响应进行傅利叶转换为输入，并在单次模拟中撷取到较宽带宽的响应。这是一种真正全向性的方法，但具有运算密集的特性，通常要求高度优化。

一旦这两个步骤完成后，就可以在时域或频域上进行完整的电路仿真。不仅能实现光子电路的功能性设计验证，还能优化组件及其联机能力，以及评估容差与虚拟实验。

同样地，市场上有好几种这方面的商用工具，如Filarete的ASPIC或VPIcomponentMaker，设计公司也能协助为模拟每个阶段选择最合适的工具，或是检查所需要的建模和模拟工作。

图4：不同的光波导几何形状

最后一步是在光子的计算机辅助设计(CAD)工具中布局电路，输出具有分层信息的标准GDSII档案。在此使用参数化芯片和光罩布局非常重要，因为这能避免任何可能影响连续性的人工绘制或布局错误，以简化布线作业。大多数光学代工厂提供的制程设计套件(PDK)可用于其平台上实现最常用的建构模块，如连接光纤端口的直线波导(带和条)、弯管、多模干扰耦合器、光栅耦合器和边缘耦合器，以及光电二极管、半导体光学放大器、调变器、加热器和DBR或DFB激光器等主动组件。

这种PDK使用标准语言以及透过PDA标准流程的统一架构，支持多家EDA供货商工具之间的互操作性，其中的构建模块通常包括参数化组件布局，也称之为pCell。

由于制造光子芯片需要大量的时间与资成本，设计公司也提供自家的设计库，?补强其代工厂PDK，并协助设计验证和规则检查，这对于降低整个开发风险至关重要。

图5：在光子磷化铟芯片上制造的完整的微型光束控制系统

总之，在整个设计过程结束时，不仅要将布局设计交给代工厂，随后还必须在制造的晶粒上进行光学表征，并将设计模型反馈至仿真工具中，以验证系统功能和制造容差。
在开发最终需要投产的任何复杂系统时，这对于反复优化光子电路可说是关键的一步。当制造的芯片数量超过一定值时，建议利用测试公司提供的自动化表征装置和量测设备，以便加快进程，并获得可靠和一致的信息。
最后，在设计光子芯片时还有许多其它因素要考虑，如测试要求、封装标准或最佳实践，以及特殊的设计要求、快捷方式和以及每家具体代工厂有关的优化等。
设计公司通常不仅提供设计，还提供测试服务，例如VLC Photonics可支持在所有主要的材料平台上开发任何的光子芯片，过去十年来在整个无晶圆厂生态系统中也收获甚丰。

图6：以硅光子开发的中阶光栅波分多任务器，瞄准光数据通讯应用

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