过渡到光子学

硅光子学正在经历复兴作为还原能力的传统方法和热变得更加困难和昂贵,打开门一套全新的技术挑战和需求推高了今天的技能短缺。

从技术的角度来看,光子学是极其复杂的。信号漂移,它们与热量,调节和结构互联和波导是非常不同的从传统的电气设计。从技术的角度来看,各级专业知识短缺,和一个可能加剧了人才短缺问题在芯片行业的其他部分。这对每个人来说都是一个陡峭的学习曲线,和技能不容易转让从电到光。然而,这并不意味着它是不可能的。对于那些喜欢一个挑战,这是值得付出努力。

“我们必须非常仔细地考虑专业背景当我们打开一个位置,“Manish Mehta说,营销副总裁博通光学系统部门和操作。“有有限的共性之间的电气ICs和光子集成电路设计。一般来说,工业设计工程师专注于一个或另一个。设计经理理解这两种类型的设计,通常在一种或另一种先进经验。高层,有一个深层次的体验和理解。”

通常在光子集成电路设计中,硅光子铸造厂提供工艺设计包(此后),供应商,直接使用设计或定制它们使用。“虽然硅光子学做同样利用CMOS生产加工规模和低成本,它们之间的设计非常不同,需要不同领域的专家。”梅塔说。

EDA行业的应对措施是将多个光学参数和方法纳入他们的工具。然而,对于ee,还不像刷牙一样简单大学物理。

两者之间的“罗塞塔石碑,”汤姆Daspit说产品经理西门子数字行业软件。“每个人都想知道光子学是什么,以及为什么它是不同的。”

简单地说,光子学需要用光子代替电子。从那里,光子学领域变得如此复杂,大多数人在物理学博士学位。然而,随着行业的发展,对于那些没有高学历的更多的机会都是开放的,由于不断扩大的项目角色。

图1:不同的CMOS设计(左)和集成光子学(右)。来源:西门子数字行业软件

最大的不同在互联。“我们有1,有时2在光子学基本层,和电子产品,可以有10到15层的互连,”米奇•海因斯说光子解决方案业务发展经理Synopsys对此。“言外之意是,许多布局不能完成没有互联,相互交叉。在电子产品,我们通过跳跃到另一个层,以避免短路连接在一起。但是在光子学我们不能那么做。然而,好消息是,在光子学可以有交叉或十字路口”。

当试图解释这个概念,Daspit告诉他的观众忘记他们听到在捉鬼敢死队,1980年代的电影英雄相互提醒,“不要交叉流”当他们拍摄光武器。“在现实生活中的光子,你可以穿过溪流。当你布局、光学通道可以交叉和它不会创建一个短。”

可以分类的差异也落在电磁频谱。“CMOS电子和电磁信号频率大约5 ghz,”马克Swinnen产品营销主管有限元分析软件。“电气组件的电磁信号占据了磁场的影响,我们称之为简单电子产品。”

除了5 ghz,进入无线电频率(RF)和毫米波(mmWave)设计,电线开始表现得像天线辐射电磁能量。

“电线仍主要是像我们熟悉的电线从低频电子,但他们泄漏大量的能量作为无线电波,“同化说。“如果你让你的线的时间足够长,整个信号能量泄漏到空气中,无线电波。你仍然可以使用CMOS对于一些东西,但是这些高频芯片通常使用专门的硅双极结晶体管(是)和过程技术像硅锗(锗硅)流程,更高的速度。在设计方面,您现在需要所有这些电磁泄漏得到准确的预测模型。”

光子学是下一个。“除此之外,你点击频率的电磁信号,我们开始叫,”同化。“它开始在红外线的频率,然后通过光谱构建(红、橙、黄等)。他们是非常有用的,因为高频率可以传输更多的信息比低频信号。晶体管是不够快来处理这些频率非常高的信号,所以CMOS不是一个选项。这些高频电磁信号(光)不传播通过低频等金属的电子信号,因此金属是不透明的。”

专业材料需要进行光,像其他石英和玻璃材料(如光纤),像波导光学频率的信号。”不过,可以有传统的电子元件相互作用,甚至产生,这些光信号(如led,对光敏感的电阻器等)。所以你的光学频率电路可以包括一些电子元件,。结果是一个叫做光电混合,或光子学,”他指出。

每一种频率域都有自己的材料,在那些工作频率和生理效应占主导地位,以及它们之间没有明确的分界线。“他们逐渐从一个过渡到下一个。轻微的影响在一个在其他频率,频率成为占主导地位的物理”同化补充道。

对于工程团队,这就意味着改变一种心态的培养本科工程课程的第一年。“经过多年的考虑正交结构,突然世界充满曲线,“Gilles Lamant提到的,杰出的工程师节奏。“光不喜欢角落。(喜欢直接。)加上光波长这一事实需要“房间”存在,光子学通常会占据更大的空间比CMOS设计空间。”

光子布局使用曲线指导光子从设备到设备的布局。

“电子产品,尤其是在使用过程中节点,使用所谓的曼哈顿连接(北、南、东、西),“说Synopsys对此亨氏。“光子不喜欢努力让左转弯。需要循序渐进,平滑或光线会泄漏或逃离波导连接。有许多问题在装配布局曲线设计。”

电信号通常有一个单一的频率,所以只有一个波长,进入一个导体。相比之下,在光子学,每一个频率的电磁频谱可用,尽管当前实践是局限于波长乐队产生最低的损失。(有研究努力扩大范围)。

“这就是光子开始成为具有挑战性的,因为现在我有那些不同的频率,和我需要分开他们的颜色(波长),“Lamant说。“一个也可以除以极性,这意味着改变字段内光线的角度。,给了我们另一个维度的数量乘以一个可以携带在光流的信息。也可以选择一个编码信息磁或电组件的每一个波长。“光可以变得非常多维编码信息。

但也有热的挑战问题更具挑战性的转折,因为温度是经常光子电路是如何调整的。“通过改变周围的温度摄氏温度的设备,你可以改变介质的特点,如何通过它明显足以改变光线传播阶段的光学信号,“Lamant说。

“热是数量级的问题更糟糕的是,”他说。“我们很少使用热调节电路。我们通常试图摆脱热量避免副作用。我们实现在一个地方的控制是“寄生”在光子学现货旁边。”

芯片设计添加了另一个层面。“因为温度变化可以改变材料的折射率,因此光子设备和芯片的行为,通常这些芯片置于一个恒定的温度,周围有反馈回路或芯片来补偿温度变化,“Twan专题Korthorst说,集团董事光子在Synopsys对此解决方案。“此外,当你打开激光,他们变得温暖,它可以成为一个更大的系统,热源影响整个IC。这是一个重要的物理性质时,你需要考虑光子集成电路设计和架构师”。

最重要的是,有一个巨大的各种各样的光学组件和材料,董事长兼首席执行官Michael Lebby表示光波的逻辑。“在CMOS方面,每个晶体管性能优势可能略有不同,但他们都是晶体管。当你进入光学、你有照片探测器,波导,材料不同的光学特性,以及几种类型的激光-分布反馈激光器,法布里-珀罗激光、双激光、可调谐激光器,外腔激光器,等等。每个库的创建一个光学设备将一组不同的参数和规格。它不是不可能掌握,但它是一个不同的场景比调整与f晶体管_马克斯或F_τ会给你200 GHz代替100 GHz。”

尽管所有这些相互作用的复杂性,目前没有先进的物理学位的ee角色感兴趣。Korthorst说,“十或十五年前,你需要有一个光学博士学位。现在,如果你有一个硕士或学士学位在集成电路设计中,障碍去设计一个光子集成电路(PIC),低于之前的方式。实际上,我们可以训练你开始设计图片相对容易。”

说,一个有经验的博士还特别重视。“在光子学,此后人们可能使用的20%到80%之间,”Korthorst说。“但他们需要用自己的设备来补充完整的电路设计。定制是该领域专业知识和领域知识真的很重要。”

图2:现在对于那些没有物理学博士轻松光子学领域的工作。来源:Synopsys对此

过渡的一个利基市场,帮助是背景的布局。“我可以训练一个人谁知道如何CMOS布局如何实现光子布局,“Daspit说。目前,他认为小公司可能希望工程师能做的。光学博士学位需要设计师谁可以理解光学权衡,观察仿真结果,并知道如何处理它们。然而,在规模较大的公司,工作变得更加专业,因此有non-PhD的空间布局的背景。

而不是被物理学家恐吓,EDA退伍军人不应该低估自己的价值体验。“我们EDA人认为每个人都知道什么是schematic-driven布局。我们认为每个人都知道什么是刚果民主共和国(设计规则检查)或lv(布局与示意图)。我们认为每个人都知道如何模拟和提取。光子学硕士学生毫无头绪。即使是EE做光子学小可能只会设计一个简单的装置,而不是学习EDA,”Korthorst说。“让光子学博士帮助客户设计一个图片比采取较长的路径EDA应用工程师,他们已经知道如何帮助客户设计电动IC,并培训他们photonic-specific东西。”

另一个可以证明有用的背景是射频设计。“光子,在许多方面,非常类似于射频的你作为一个设计师,“Lamant说。“这是很高的频率设计,所以很多从射频设计的概念是适用的。例如,每一个波导是一种设备,类似于传输线在射频世界。你不只是一块在射频电线,携带信息。在这两种,您将使用特殊的工具来提取特征的参数。它是相同的集成光子学。”

尽管如此,他警告说,自学是不够的,即使对于射频设计师。“这不是一个简单的话题来学习。这是一个非常具有挑战性的数学课。即使你使用相同的麦克斯韦方程,我不认为你可以自己学习,”他说。“我是幸运的,因为我愿意与人分享知识和指导我。这是非常重要的。这将是非常,非常挑战自己。”

好的导师和在职培训是必不可少的,许多来源同意了。“你必须有工程师,实际上工厂设计和产品运输体积,“Rajiv潘乔说,主任超大型Broadcom的光学系统部门战略和产品。“是不够的说,‘嘿,我做设计和第一个硅回来工作。“你必须运送成千上万的这些。的类型和水平的经验是必要的。”

结论
随着光子学领域的成熟,电子和光子的技能装备需要。

“你依然需要设计的电子光学调制器,“光波逻辑的Lebby说。“如果你设计的高速光学性能,但你没有做得很好电,它不会工作得很好。这两个工作相互结合。作为我们团队的一部分,我们有专家有光学仿真建模设计,但是我们也有射频工程师专门从事电气设计。这是一个共生关系。你既需要技巧的工作创建超级高速解决方案。”

Broadcom的梅塔表示,这种伙伴关系的一个公司最新的项目。“我们开发非常高密度半导体包装设计使圆片规模处理和拥抱CMOS生态系统。,我们开发了一种被动地对齐可拆式光纤连接器,以加快soldered-down光学引擎和实现光缆现场可替换性和可服务性。为此,我们利用工程团队和高水平的经验在两个电子IC和光子集成电路设计”。

总的来说,退伍军人是鼓舞人心的。“如果人们喜欢学习新事物在一个令人兴奋的领域,那么请过来帮助我们,”Korthorst说。“不要害怕的消息,“尚不成熟,”或者,“年CMOS。现在有工具,20年前,你可以认为情况并非如此。有一个狂野的西部,但它不是西部一天24小时/每周7天。实际上有一个非常坚实的基础,很多人活跃在这一领域的工作你可以建立。但你也可以让你自己的标志,因为它还没有建立。”

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