光子技術正在成為新一代半導體技術。

就像電子技術一樣，光子技術如今正在推動全球經濟的發展。據預測，從2021年到2027年，硅光子芯片收入將從1.52億美元增長到約9.7億美元，年復合增長率達36%。目前通信設備占據光子市場90%的份額。隨著網速從100 Gbps提升到400 Gbps，再到采用電子開關ASIC的共封裝光子器件迅速從26.6 Tbps發展到51.2 Tbps，這個市場還將持續擴大。 集成光子設計的真正增長點將發生在汽車行業的激光雷達和光纖陀螺儀（FOG）、醫療行業的免疫測定和光學相干斷層掃描（OCT）、消費保健行業的可穿戴設備傳感器、人工智能和量子計算行業的光計算加速器，以及高性能計算（HPC）行業的光互連等領域。

硅光子技術的主要挑戰則包括更好的激光集成、先進的封裝（包括小芯片設計）、硅通孔（TSV）、光子中介層，以及可加快光子調制的新材料。開發者需要更好的設計工具和方法，才能成功設計和測試這些新系統。

英特爾案例分享

用于光計算的集成光子電路

2000年后，單線程和處理速率趨于飽和，行業轉向了集成內核來實現更多的并行計算，以此提高計算性能。由于處理器內核數量的大幅增加，計算瓶頸轉移到了片外I/O帶寬，以及驅動各類處理器之間的片外信號所需的功耗提升。不久之后，芯片I/O和互連所需的功耗就超過了計算所需的功耗。所以說，帶寬密度和信號延遲必須大幅提高，而光計算互聯（OCI）則在滿足這些需求上起著重要作用。

在英特爾的構想中，電子小芯片（EIC）和光子小芯片（PIC）是分開的，這樣就可以分別使用各領域的出色技術。為了實現電子小芯片和光子小芯片之間的低損耗、高帶寬通信，英特爾采用了3D堆疊技術。電子小芯片包含變速箱邏輯、信號到光的格式轉換，以及驅動和控制組件，而光子小芯片則處理所有的發射、接收和光纖耦合。英特爾在電子小芯片上集成了激光器和SOAs，從而降低功耗并提高整個系統的可靠性。

這一系統的優勢包括：能夠實現計算擴展和資源共享，電子小芯片可插拔光子學封裝產量更高，封裝前能夠對已知合格裸片進行基于晶圓的測試。而且在同一裸片上集成所有光子組件時，功耗更低、帶寬密度更高、成本更低、可靠性更高。

英特爾的一個典型OCI架構有8個激光器，并通過微環諧振器使用200GHz的間隔進行調制和濾波。偏振管理和信號放大在接收端完成，之后信號會以交替方式注入偶數和奇數通道，并發送到單獨的光電二極管。英特爾的一個OCI擴展路線圖顯示了單條光纖速度的擴展情況，從使用64G NRZ和16個波長時只有1 Tbps，一直到使用128G PAM4雙極性和64個波長時大于10 Tbps。

Global Foundries案例分享

集成電子技術 V.S. 光子技術

CMOS的RF性能在大約45nm CMOS節點處達到頂峰。因此，Global Foundries (GF) 選擇了該節點作為其光子產品的基礎，其光子產品采用業界唯一的單片硅基平臺，將高速RF-CMOS和光子融合在同一個芯片上。這種300mm晶圓工藝稱為GF Fotonix，已于2022年初獲得認證。GF針對多種設計工具平臺提供了工藝設計套件（PDK）。該PDK包括有源和無源組件，以及各種針對數據中心通信應用的器件。

從光子設計到制造的完整生態系統需要四個要素，即批量PIC制造、EDA、IP和封裝。過去幾年，GF一直與領先的EDA供應商合作，推出了一個強大的光子PDK，該PDK可與EDA設計工具一起用于電路級光子芯片設計。該PDK相當于代工廠和客戶之間的隱性合同，表明用該PDK設計的任何芯片均可制造。該PDK也充當了一個抽象層次，讓開發者可以在電路層面而非器件層面開展設計，從而創建和制造更復雜的設計。

對于光子IP生態系統，該PDK以可編程布局單元、符號和仿真模型的形式來提供預表征的構建塊，是IP生態系統的基礎。不過，企業仍可以創建應用專用IP，如TIA、調制驅動器、DAC/ADC、具有加熱器控制的光子DWDM濾波器，以及為特定終端應用領域創建的小芯片。

在封裝方面，封裝成本和行業在大批量生產上的技術成熟程度是集成光子技術全面普及的主要障礙。GF正在積極研發封裝相關技術，以減少集成光子技術的采用障礙，其中包括低成本無源光纖連接、具有w/Cu-P和Cu u-pillars的回流兼容組裝、2.5D兼容性、直接激光連接、JEDEC規格（如適用）和可滿足客戶封裝需求的微電子OSAT模型。

POET案例分享

光子中介層

將晶圓級芯片封裝拓展到光子系統中十分具有挑戰性，其中最主要的挑戰之一就是對數十億復雜的異構系統進行組裝、封裝和測試。開發者們使用兼具電子和光子連接的通用中介層，對優質小芯片進行異構集成。借助中介層，開發者可以用已知合格的裸片來構建復雜的系統，并在晶圓層面完成中介層互連測試。

POET Technologies（POET）是數據中心、電信和人工智能市場中領先的光中介層與光子集成電路設計企業，他們提出了“光子中介層”的概念，即通過增加光子連接來擴展電子中介層。這樣做的好處是消除了引線鍵合，降低了功耗并減少了小芯片之間的寄生效應，所有工藝均在完整的晶圓上通過自動化流程完成，一次可處理數百個。光子中介層具有電層和光層，可以采用8英寸或12英寸晶圓進行加工。中介層上混合集成了電子小芯片和光子小芯片，POET稱之為“光學引擎”。

這一解決方案的一個主要優勢是它使用的是傳統的倒裝芯片工藝技術。無源電子組件和光子組件印刷在硅中介層上，而有源組件以小芯片的形式混合集成到中介層上。光子中介層支持在電子中介層之間放置兩個不相互作用的光波導層。光可以垂直或水平地耦合輸入和輸出。該技術支持硅通孔（TSV），因此中介層的兩面都可以使用。如果在光子中介層中設計熱隔離和管理，還能讓熱量遠離激光器和諧振器件等敏感的光子元件。

在POET的幾個小型100G和400G的收發器中，其空分復用通道從8個到16個不等，速度介于1.6 Tbps和3.2 Tbps之間，與使用分立組件的設計相比，尺寸縮小了75%。由于沒有引線鍵合，信號完整性會更好。正因為信號完整性更好，POET目前正在考慮完全去除DSP，這樣還可以再減少6瓦到8瓦的功耗。

新思科技布局

光學及光子學領域數十年

新思科技光子設計平臺旨在讓CMOS開發者能夠使用與AMS類似的熟悉設計流程來推動集成光子設計。這方面的示例包括使用由原理圖驅動的布局，利用布局的反向注釋進行仿真，電子和光子版圖與原理圖一致性檢查，以及針對曲線布局而調整的設計規則檢查。

幾乎所有光子芯片最終都會與電子芯片進行協同設計，兩者有時還會進行共封裝。EIC和PIC的協同設計和共封裝為EDA供應商帶來了更多的挑戰，新思科技正在與客戶一起應對這些挑戰。

以下是新思科技光子解決方案的獨特功能：

• 兼顧光子與電子技術的編譯器
• 用于曲線布局的自動化全角度支持
• 自動波導連接，具有約束驅動的波導總線連接
• 使用反向波導連接進行準確的布局后光子仿真
• 光子電路和系統級仿真
• 電子/光學聯合仿真
• 基于鏈接的仿真，具有驅動器、接收器、光纖、光放大器和分析模型
• 自定義器件工具流程，開發者可以用自己的器件來增強代工廠PDK
• 用于器件表征和CAD視圖生成的麥克斯韋方程求解器
• 簽核質量的DRC和LVS，以確保器件可制造

新思科技很早就意識到了光學和光子學的重要性。十多年來，新思科技一直在穩步獲取相關技術和人才，現已擁有一支龐大的軟件開發團隊來從事光學和光子學方面的研究工作。新思科技可提供廣泛的光學和光子設計解決方案，適用于成像、照明、光子工藝和器件協同優化、電路和系統級集成光子學，以及電子/光子共封裝等領域。