分析电-光子系统

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执行的模型具有挑战性，特别是当它们包含热影响时。

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，光学元件是独立于其他元件和电子元件制造的。后来人们开始使用薄膜制造技术，这使得光电器件成为可能。如今，晶圆代工厂为紧密耦合的电气器件和光子器件提供单片电光pdk和制造技术，同时模拟电学和光学行为的能力现在是一种要求。

虽然有些光学器件可以单独分析，但有些则不能。“协同设计和分析变得至关重要光子光子集成电路和系统工具的技术营销经理Jigesh Patel说Synopsys对此．移相器组件上有一个波导和一个电极。如何建模呢?你如何从电子部分中分离出光子部分?如果电极上有负载，就会影响波导的性能。如果源端有负载，则会影响光学性能。这就是你需要光电联合模拟的地方。人们采用近似的电等效模型，并将其与其他电路集成。这不再是一个合理的方法。”

在电学和光学之间也有次要的联系，这是必须考虑的。“做物理，提取，一次一块，把组件拼接在一起，对于我们在光子学中谈论的速度是不够的，”吉勒斯·拉曼特(Gilles Lamant)说节奏．“芯片内的组件之间存在交叉耦合，实际上你必须进行EM提取，同时观察多种织物。对于热学也是如此。虽然物理学和基本引擎是已知的，但正在发生变化的是跨多种结构的需求。”

温度是分析的一个重要因素。“在光子解调器中，即使是很小的一个度的变化也会对性能产生很大的影响，”詹姆斯·庞德(James Pond)说有限元分析软件．“它可以把它完全赶出它的工作点。重要的不是绝对温度。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公司光子解决方案总监Twan Korthorst说。“它对微小的干扰非常敏感，比如它是如何制造的。当制造公差为正负几个百分点时，数字IC或数字开关结构仍能正常工作。光子波导或光子滤波器对制造变化非常敏感。”

许多光子系统都必须进入一个理想的工作点。庞德说:“硅光子学需要相当多的控制电子器件，以保持一切正常运行，以维持加热器和反馈回路，以保持一切正常运行。”“一旦你开始将这些设备堆叠在一起，其中一些设备会产生大量的热量，你就会修改集成光子中间体的温度。建模的挑战在于能够理解整个3D-IC的温度发生了什么变化。从模拟的角度来看，你需要能够计算不同配置下的工作温度，并确定每个光子组件的局部温度。然后我们可以研究这对光子电路性能的影响。”

建模的挑战
有几个因素使得光子系统的建模比电域的等效模型复杂得多。

“从建模的角度来看，困难在于电信号和光信号之间的根本区别，”Synopsys的Patel解释道。电信号以电流或电压为特征，并具有与之相关的频率。在这个高速时代，电信号的速度是几十千兆赫。另一方面，在光学方面，光信号可以有多个波长，而不是单一波长的信号。如果你把这些波长转换成频率，大约是200太赫兹。这种频率会产生各种各样的问题。奈奎斯特定理说，如果你想建模或再现一个信号，你至少必须以信号频率含量的两倍对它们进行采样。”

这涉及到许多因素。“这可能是一个非常宽带的信号，”帕特尔说。“它可以是多通道的，就像波分复用(WDM)一样，可以是64或128个激光。你在电信号中看不到这种东西。信号本身是不同的。电信号是实信号。另一方面，光信号是一个复信号。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，”他说。“这只是一个信号。没有两极分化的概念。光至少有X和Y偏振，根据设备的种类，该设备可能不是圆对称的。它可以是任何形状，所以不同偏振的光在光子装置中传播时会有不同的速度。在器件的输出端，必须保证偏振和偏振之间的色散被准确地计算出来。还有一种叫做横向模式剖面。这是在垂直于传播平面的平面上辐射的电磁图样。对于激光来说，它有一个非常小的光阑，从那里发射光。 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.”

还有其他的复杂情况。“光也有反弹的倾向，”Cadence的拉曼特说。“所以你有光的前向传播，但有一定数量的光会反射回来，你确实需要建模。”

这是除了影响组件性能的外部因素。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。来源:Synopsys对此

其中涉及的时间常数几乎无法理解。光信号在200太赫兹范围内，电信号在千兆赫，但要研究热冲击，分析可能需要几秒钟。这表明降阶模型对于某些类型的分析是必要的。

“光学部分肯定需要大量的多物理模拟，”Andy Heinig说，他是高级系统集成小组负责人和高效电子部门主管夫琅和费IIS自适应系统工程部．“到目前为止，光学部分的模拟可以单独进行。但是在多物理模拟之后，必须推导和/或开发非常准确的行为模型。在开发过程的后期，必须在电气和光学部分之间进行联合仿真(基于行为模型)。在未来，应该开发更好的行为模型的自动推导。此外，未来还需要针对不同用例进行简化的模型，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等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设备，”帕特尔说。“然后，特别是对于光子集成电路，组件彼此靠近，所以你会有反射穿过多个部分，就像驻波。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非常棘手。”

Lamant表示同意。“如果你有一种方法，你使用一个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。当你使用更光学的表示方式时，你将光学连接表示为波导，它更像一个蚀刻参数，是双向的。这也是为什么整合完整系统模拟非常重要的另一个原因。”

那么，正确的方法是什么呢?“这不是语言问题，”帕特尔说。“c++或Matlab -这些都是语言。关键是你如何使用这些语言来描述信号。我们的模型是用c++编写的。但是如何定义光信号呢?由于光信号很复杂，存在于阵列中，并且需要矩阵运算，Verilog-A并不是一个非常友好的选择来进行这些操作。关键在于如何组合电信号，因为在光子集成电路中会有电信号和光信号。这是你如何结合这些，你如何考虑多通道的性质，你如何考虑极化，等等。我还没有看到光信号的属性正确地转换为Verilog-A。 The Verilog-A language is not really suitable for handling complex numbers and multi-element signals and operations, but that doesn’t mean can’t do it. There may be a way to characterize all of those things, but the question is at what cost.”

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设备。但这些模型确实无法覆盖反射或多个波长，或波长混合或色散等。”

在其他时候，不同形式的分析可以提供所需的答案。Patel说:“你可以用光子s矩阵来描述许多成分，这比对输入信号的每个时间步分析相同的成分要快。”“有更有效的方法，例如，如果你能在光子系统中识别出某些可以被描述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已经取得了重大进展，但这也是今天的限制因素。“如果有光子模拟器，他们能够应对这些挑战，如果有光电联合仿真的解决方案，你如何为各种铸造厂和/或工具实现这些功能?科索斯特问道。“模型的标准化还处于非常、非常早期的阶段。所以这对整个行业、供应商和晶圆代工厂来说都是一个挑战。没有什么标准是你可以随便拿起来就去做的。”

其他人也同意。“缺乏标准化是光子学中每个人的障碍，”Patel说。“即使代工厂有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代工干预。而且经常需要进行大量定制。如果不详细了解晶圆代工厂如何实现光信号属性的电气映射，设计人员就无法在没有晶圆代工厂帮助的情况下添加定制组件。即使这种帮助作为代工协议的一部分是免费的，但它仍然需要花费时间和生产力。

那么这个行业该如何向前发展呢?Korthorst说:“2012年，Si2发生了硅光子学活动。“但这太早了。如今，似乎是扭转局面、重振这种活动的好时机。作为一个行业，创建一些标准是有意义的，因为代工厂不想为工具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。虽然行业内一直在进行整合，但还没有形成足够的通用模型。在此之前，每个设计都将是完全定制的挑战，这将限制增长。

整个行业能就需要做什么达成一致吗?也许吧，但制定标准需要时间，尤其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。委员会的设计往往是缓慢的，产生低效的结果。

相关的
芯片制造商开始重视集成光子学
这项技术可能会催生下一波摩尔定律。要做到这一点需要什么?
新利体育下载注册SemiEngineering光子学知识中心
关于光子学的头条新闻、白皮书、视频和博客。
开发人员转向模拟神经网络
用模拟电路和光子学代替数字电路可以提高性能和功率，但这并不是那么简单。
在生产中测试硅光子学
在降低成本和提高速度方面还有很多工作要做，这需要一个完整的生态系统。