摩尔的隧道尽头有光吗?

上个月的文章，“摩尔的隧道尽头有光吗，研究了将光子学元件集成到硅上的行业现状。它专注于最难实现的部分——激光。然而，随着实现一体化目标越来越接近现实，相信这是最终解决方案的人数也在减少。相反，他们已经将注意力转向2.5D或3D集成的光学组件。主要原因是功率/热量和尺寸问题。

激光已经被比作光子系统的电源，一个激光可以在一个芯片内提供许多光路，也可能跨越多个芯片。在这篇文章中，光学系统的其他组件将被检查，并进一步关注集成光子学到最新一代硅制造。

除了激光器之外，光子电路还需要许多其他类型的组件，即:调制器和解调器，多路复用器和解复用器以及波导。

调制器/接收机
长期以来，电子学一直需要在模拟和数字之间进行转换，为此使用了A-to-D和D-to-A转换器。电子学和光子学之间的转换使用调制器和反方向的解调器。最常见的类型是类似于用于无线电通信的调幅过程，其中信号用于修改载波信号的幅度。在这种情况下，载体是来自激光的光束。在最早的一些调制器中，数字信号可以打开或关闭光束，但这有很大的带宽限制。今天，更复杂的调制器被部署，如Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。

来源:Dama等人，Lightwire演示:使用CMOS光子学调制的高速NRZ和PAM光学调制。

它的工作原理是将激光束分成两条路径。在两个臂之间引入相位差，当它们重新组合时，它们之间的干涉要么是建设性的，要么是破坏性的。相变是由材料折射率的变化引起的。

另一种类型的调制器，电吸收(EA)调制器，改变光吸收量使用外加电场。

多路复用器/解复用器
当光子以光速运动时，电子却不能，这就造成了两个系统之间的性能差距。如果光学器件只能以与单个调制器/解调器相同的速率发送信息，那么由于SerDes电路的更高功耗和驱动要求，使用光学器件仍然具有优势，但成本将令人望而却步。光子学组件具有更高的带宽，因此许多电路需要多路复用到单个光学通道上。

这是通过波分复用实现的。考虑到不同频率的光束不会相互干扰，将多个光束组合起来很简单。为了清晰起见，这里复制了上一篇文章中英特尔的图表。

来源:连续硅激光器．英特尔公司

它展示了如何使用不同长度的激光腔创建不同的激光频率，每个激光腔经过调制，然后结合在一起，然后从芯片上取出到相应的解复用器和解调器。

波导
最后，光通道必须绕着芯片布线，以将光学元件连接在一起，并在芯片上获得光信号。

Mentor Graphics公司Calibre DRC应用产品营销经理约翰•弗格森(John Ferguson)表示:“波导被嵌入到硅中。“在特定的光波长下——幸运的是，这与最适合光学处理的频率相吻合——硅是透明的，氧化硅是绝缘体，这意味着你可以制造一个几乎理想的光波导。所以你可以蚀刻硅来雕刻出波导。”

Mentor公司Calibre DRC应用高级工程总监Juan Rey补充道:“这解释了为什么我们今天看到的更多应用是硅绝缘体技术，因此底部的氧化物是那些不透明层之一。”这意味着它们可以使用标准的CMOS工艺来创建。

一个芯片可以包含任意数量的波导，与电信号不同，它们之间几乎没有信号完整性问题。虽然现在很少有人使用它，但这是可能的——而且在未来这可能是一个很大的优势。电信号必须通过金属化电线，需要上下通孔。这会影响功率要求，最终可能导致光子学被用于芯片上。

EV Group业务开发经理Martin Eibelhuber表示:“将硅光子学与CMOS电路集成有三种方法。”“光子可以被埋在CMOS层之外，在它的顶部或在不同的晶圆上处理。通过将光子学堆叠到CMOS晶圆上，光子学的集成具有这样的优势:它可以灵活地选择电子和光子学，而不会增加热预算。”

资料来源:Roel Baets，光子学研究组，IMEC

既然把波导放入硅中是如此简单，为什么还会有人考虑把它放在其他地方呢?Rey解释说:“挑战在于，与最先进的技术节点相比，所有的光子学设备都非常庞大。”“许多这样的设备都不能缩小，因为只有几个波长的硅是透明的，这是1微米波长的数量级。这限制了这些设备的尺寸。

Kotura最近开发了一种电吸收(EA)调制器，他们声称它比传统的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)式调制器小25倍。EA调制器的长度为55 μ m，他们说竞争的MZI版本将以毫米为单位测量。

这就是为什么IBM今天使用90nm工艺来制造他们的光电芯片的原因之一，因为他们相信这在电子和光子学组件之间提供了合理的成本平衡。

这种组件尺寸的不匹配是一些公司认为正确的方法是使用倒装芯片技术集成组件，例如激光，或者最终可能是2.5D或3D芯片堆栈的原因之一。“像调制器这样的组件都是10微米量级的，”Rey说。“波导的宽度往往从大约100nm到1µm。”

但是，除了密度、功率和电子元件的成本之外，简单地搬回旧的节点也存在挑战。在许多情况下，在最小电子元件中重要的同一类主题同样适用于光子学。例如，尽管光子学器件更大，但它们对厚度的变化和组件之间存在的一些关键间隙更敏感。设备的行为非常依赖于事物的实际形状和设计师定义的尺寸。

弗格森说:“这样的技术可能是颠覆性的，需要EDA行业做大量工作来支持。”“使用Calibre，我们会问，与传统IC结构相比，验证光子结构需要做哪些不同的工作。最大的不同在于形状。我们已经习惯了曼哈顿建筑上的直线和45度的转角，大多数验证引擎都是这样调整的。在光子学领域，突然的90˚转弯将是一个问题，因此我们需要为波导精心设计曲线。验证它是一个独特的差异，但由于我们多年前对基于方程的验证进行了投资，我们能够处理它。我们可以测量弯曲曲线的宽度，观察它的各个部分，用数学方法计算出我们需要的任何东西，以得到所需的结果。”

完全集成EDA流程所需的另一个工具是LVS。这里的情况类似，但挑战有点棘手，因为工具必须首先知道曲线的含义。简而言之，这要求业界决定如何传达这些信息，以及光学组件所需的许多其他新部件，例如规则文件。

Ferguson说道:“现在还缺少一些内容，例如模拟。我们习惯于做SPICE模拟，这是非常电子和设备特定的。对于光子学，它不仅是设备，但你必须确保你的互连行为完全按照规定。这需要对光学行为进行模拟，在大规模光子学模拟方面还没有做很多工作。我们需要一个大容量，高性能的光学模拟器与电子模拟相结合。这要么是后期布局，要么是你需要一种评估方法。”

该行业正在努力追赶技术的发展。例如，Si2总裁Steve Schultz指出，“目前还没有光子学感知的PDK标准，也没有将商业EDA和光子学工具连接在一起的标准api，而这两者对于这种能力的广泛商业化都是必不可少的。”有一个名为Plat4M的欧洲项目正在开发这些，”Kevin Nesmith首席架构师Si2补充道，“以及如何存储通用的PCell格式。”

虽然硅光子学的组件今天都是可能的，但那些冒险进入这一领域的人将把它作为定制芯片开发，很少有工具可以帮助他们。这就是当今前沿的真实面貌。