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分析电光系统

包含电子和光子元件的系统必须被设计成一个单独的系统,但建模问题正在减缓采用。

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光电系统的设计和分析正在将工具推向复杂的多物理领域,这使得创建以合理成本运行的模型具有挑战性——特别是当它们包括热影响时。

模型和标准的缺乏也减缓了技术的发展。不过,对于那些愿意投资的人来说,这些优势是值得的。

传统上,光学元件是独立于彼此和电子元件制造的。后来人们开始使用薄膜制造技术,这使得电光器件成为可能。如今,铸造厂为紧密耦合的电气设备和光电子设备提供单片电光PDK和制造技术,现在需要同时模拟电气和光学行为。

有些光学设备可以单独分析,有些则不能。“共同设计和分析变得至关重要光子集成,特别是当你有一个像移相器这样的组件的时候,”吉格什·帕特尔说,他是微软光子IC和系统工具的技术营销经理新思科技.“移相器组件有一个波导和一个电极在它的正上方。你怎么做这些模型?怎样把光子部分和电子部分分开呢?如果电极上有负载,就会影响波导的性能。如果在源端有负载,则会影响光学性能。这就是你需要光电联合模拟的地方。人们采用近似的等效电路模型并将其与其他电路集成。这不再是一个合理的方法。”

电学和光学之间也有次要的联系,必须加以考虑。“物理、提取、一块一块地进行,然后将组件拼接在一起,这些都不足以达到我们在光子学中所谈论的速度,”吉勒斯·拉曼特(Gilles Lamant)说节奏.“芯片内部组件之间存在交叉耦合,你实际上必须进行电磁提取,同时观察多个织物。对于热学也是如此。虽然物理原理和基本引擎都是已知的,但改变的是需要跨多种结构。”

温度是分析的一个重要因素。该公司产品管理总监詹姆斯•庞德(James Pond)表示:“光子解调器哪怕只是几度的变化,都可能对性能产生重大影响。有限元分析软件.“它可以把它完全逐出操作点。这不是绝对温度的问题。它是干涉仪不同臂之间的温差。”

制造的可变性也提高了灵敏度。“在光子集成电路中传播的光子信号实际上是一种频率非常高的电磁波,”Synopsys光子解决方案的主管Twan Korthorst说。“它对小干扰非常敏感,比如它是如何制造的。当制造公差是正负几个百分点时,数字集成电路或数字开关结构仍然有效。光子波导或光子滤波器对制造的变化非常敏感。”

许多光子系统必须达到期望的工作点。“有相当多的控制电子是需要的硅光子学只是保持一切正常运行,维护加热器和反馈回路,以保持一切运转,”Ansys ' Pond说。“一旦你开始将这些设备堆叠在一起,其中一些会产生大量的热量,你将通过集成光子干涉器改变温度。建模的挑战是能够了解整个3d ic的温度发生了什么变化。从模拟的角度来看,你需要能够计算在不同配置下的工作温度,并确定每个光子元件的局部温度。然后我们可以研究这对光子电路性能的影响。”

建模挑战
有几个因素使得光子系统的建模比电子领域的等效模型复杂得多。

“从建模的角度来看,难点在于电信号和光信号之间的根本区别,”Synopsys公司的帕特尔解释说。“电信号的特征是电流或电压,并具有与之相关的频率。在这个高速时代,电信号的速度是几十GHz。另一方面,在光学方面,光学信号可以有多个波长,而不是一个波长信号。如果你把波长转换成频率,大约是200太赫兹。这种频率产生了各种各样的问题。奈奎斯特定理表明,如果你想建模或再现一个信号,你至少必须以信号频率内容的两倍对其进行采样。”

这涉及到许多因素。“这可能是一个非常宽频的信号,”帕特尔说。它可以是多通道的,如波分复用(WDM),可以是64或128个激光器。在电信号中看不到这种情况。信号本身是不同的。电信号是实信号。另一方面,光信号是复信号。有实部和虚部

此外,在电畴中没有等效的极化。“电信号是基带的,”他说。“这只是一个信号。不存在两极分化的概念。光至少有X和Y偏振,根据设备的种类,该设备可能不是圆形对称的。它可以是任何形状,所以光的不同偏振将有不同的速度,因为它们在光子装置中传播。在设备的输出,你必须确保偏振和偏振之间的色散被准确地解释。还有一种叫做横向模态剖面的东西。这是在垂直于传播面的平面上辐射的电磁模式。对于激光来说,它的光圈很小。 If it goes into a very small core, the transverse mode doesn’t come into the picture that much, but in a photonic integrated circuit, device size may be larger than fiber port size. As a result, it may excite many more modes, more transverse mode profiles.”

还有其他的问题。“光线也有反弹的趋势,”Cadence的拉曼特说。“所以光向前传播,但有一定数量的光会反弹,你需要建立模型。”

这是影响组件性能的外部因素之外的因素。温度和外加电场对波导中模式的传播常数有显著影响。温度变化会导致材料膨胀或收缩,而电场会扭曲晶体材料的内部形状。


图1:光信号、光子模型和分析方法。资料来源:Synopsys

其中涉及的时间常数几乎难以理解。光信号在200太赫兹范围内,电信号在千兆赫,但要研究热影响,分析可能需要数秒。这表明,在某些类型的分析中,降阶模型是必要的。

“光学部分肯定需要大量的多物理模拟,”安迪·海尼格(Andy Heinig)说,他是先进系统集成小组组长,同时也是该公司高效电子部门的负责人Fraunhofer IIS的自适应系统工程部. “到目前为止,光学部分可以单独进行模拟。但在多物理模拟之后,必须推导和/或开发非常精确的行为模型。在开发过程的后期,电气和光学部分之间的联合模拟(基于行为模型)必须这样做。未来,应开发更好的行为模型自动派生。此外,未来还需要针对不同用例简化模型,以支持更好的模拟时间。”

使用Verilog-A
过去使用的一种方法是用Verilog-A这样的语言为光子组件创建行为模型。“电子模拟器不知道如何处理光子器件,”Patel说。“然后,特别对于光子集成电路来说,元件彼此非常接近,所以你会有反射穿过多个部分,就像驻波一样。这些差异使得使用电子语言或在电子模拟器中进行光子模拟变得棘手。”

Lamant表示同意。“如果你有一种方法,使用数学模型来传播信号,比如Verilog-A,向后传播需要很多额外的方程。当你用一个更光学的表示法,你用一个波导来表示光学连接时,它更像是一个蚀刻参数,而且是双向的。这也是为什么整合完整的系统模拟非常重要的另一个原因。”

那么什么是正确的方法呢?帕特尔说:“这不是一个真正的语言问题。”。“C++语言或MATLAB语言——这些语言是如何使用这些语言来表征信号的。我们的模型是用C++编写的。但是你如何定义光信号?因为光信号很复杂,存在于阵列中,需要矩阵运算,所以Verilo-A不是一种非常友好的选择。基本上你是如何组合电信号的,因为在光子集成电路中,你会有电信号和光信号。这是你如何组合它们,如何考虑多通道特性,如何考虑偏振,等等。我还没有看到光信号的属性正确地转换成Verilog-AVerilog-A语言并不真正适合处理复数、多元信号和运算,但这并不意味着不能这样做。也许有一种方法可以描述所有这些事情,但问题是要付出什么代价。”

如果你愿意放弃一些东西,这可能是可以接受的。Synopsys的Korthorst说:“你会发现人们正在使用Verilog-a方法。”。它被用来以抽象的方式描述光子器件。但这些模型确实无法覆盖反射、多波长、波长混合或色散等

在其他情况下,不同形式的分析可以提供所需的答案。帕特尔说:“你可以用光子S矩阵来描述许多组件,这比分析输入信号的每一个时间步的相同组件要快。”。有更有效的方法,例如,如果你能在你的光子系统中识别出某些可以表征为线性时不变的部分,那么你就可以使用一种更快的分析方法

标准模型
虽然在创建精确模型方面取得了重大进展,但这也是今天的限制因素。Korthorst问道:“如果有光子模拟器,它们能够应对这些挑战,如果有光电协同模拟的解决方案,那么如何为各种铸造厂和/或工具实现这些功能?”。“模型的标准化还处于非常非常早期的阶段。因此,这对行业、供应商和铸造厂来说都是一个挑战。没有一个标准可以让您直接学习和制定。”

其他人也同意。帕特尔说:“在光子学领域,缺乏标准化是每个人的一个障碍。”。“即使铸造厂有PDK,人们仍然需要定制组件。”

很多时候,PDK是作为加密模型交付的,因此即使是简单的定制也需要foundry干预。而且经常需要大量的定制。如果不了解工厂如何实现光信号属性的电子映射,设计师就无法在没有工厂帮助的情况下添加定制组件。即使这种帮助作为铸造协议的一部分是免费的,它仍然需要花费时间和生产力。

那么这个行业是如何向前发展的呢?“2012年,Si2有一个硅光子学活动,”科索斯特说。“但这太早了。如今,似乎是扭转局面、重振这一活动的好时机。作为一个行业,创建一些标准是有意义的,因为铸造厂不想为工具a、B和C创建模型,而供应商也不喜欢支持标准a、B和C。”

结论
光电系统在过去十年中取得了巨大的进步,其应用正在扩展到多个领域。虽然行业内正在进行整合,但整合的程度还不足以创建通用模型。在这之前,每个设计都将是一个完全定制的挑战,这将限制增长。

行业能否就需要做什么达成一致?可能吧,但标准需要时间,特别是在没有实际领导人的情况下。每一个小问题都会引起巨大的争论。委员会的设计往往很慢,结果效率低下。

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