光子PDK必須仰賴先進的光子積體電路級設計流程才得以實現,該設計流程包括使用Ansys Lumerical的光子積體電路模擬工具INTERCONNECT,以及緊湊模型自動化工具CML Compiler。
為滿足產業對提高良率、縮短產品上市時間的需求,支援統計學功能的PDK和設計流程變得尤其重要。因為PDK可以明顯提高光子元件設計的抽象水準和生產力,加快設計速度。此外,準確模擬製程偏差,亦可降低高昂的原型開發與設計反覆迭代成本、縮短設計週期、提高良率,使設計公司的投資報酬率最大化。
多方協力促成PDK套件快速進步
AIM Photonics、NY CREATES、Analog Photonics和Ansys Lumerical聯合開發了支援統計模型的PDK套件,以滿足市場需求。
AIM Photonics於2015年在紐約州羅切斯特正式成立,以提高美國光電製造能力,加速光子晶片產業在商業和國防應用領域從創新走向成熟製造為宗旨的研究所。該研究所由美國紐約州立大學研究基金會負責管理,由美國國防部主導,創始成員有124家企業以及紐約州立大學研究基金會領導的非營利機構和大學。NY CREATES則負責管理位於紐約州Albany的晶圓廠,以及AIM Photonics營運。Analog Photonics則是一家擁有自主矽光子(Silicon Photonics)平台,並以此為基礎,為客戶提供光收發器、光達等光電元件,以及光子PDK的公司。
Analog Photonics的PDK元件庫率先在Lumerical的INTERCONNECT中支援統計學模型,這些光子模型基於元件的晶圓級測量資料,包含了波導、被動元件和主動元件的製程誤差統計資料。
該PDK為設計光子晶片的設計公司提供開發相關產品的重要技術資源,並與AIM Photonics的多項目晶圓(MPW)服務順利銜接,讓設計公司可以在NY CREATES Albany奈米技術中心的300mm晶圓廠生產其光子元件。
AP_SUNY PDK 4.0a是採用Lumerical緊湊模型的300mm晶圓半導體光子製程設計套件,4.0a版本是在過去四年裡的第七次重大更新。它包含60多個經過驗證且業界最佳的調變器和探測器,相容3種AIM技術(Passive、Full-build與Passive Interposer)。在PDK元件庫中,所有對製程敏感的元件均含有統計學模型,其中包括5個波導、5個被動元件(C+L頻帶3埠分路器、C+L頻帶4埠分路器、C+L頻帶99/1 tap、C+L頻帶90/10 tap、O頻帶4埠分路器)和12個主動元件(3個馬赫澤德調變器、4個C+L頻帶可調諧微盤調變器、4個C+L頻帶可調諧濾波器和1個O頻帶微盤調變器)。
藉由AP_SUNY PDK 4.0a支援的統計學緊湊模型,AIM Photonics和Analog Photonics大幅提高了光子晶片的可製造性(圖1)。
AP_SUNY PDK 4.0a是在前一代PDK v3.5b的基礎上進行改進而來,增加了馬赫澤德調變器的摻雜分佈統計變化模型。此外,還新增了四個元件,包含基於物理結構變化的統計分佈。
v4.0a版本PDK讓使用者可以利用基於實驗資料的統計學模型,且該元件庫可支援Active Interposer。這些統計學模型可用於預測元件、系統或產品性能、良率和執行Corner分析,降低製造和測試的時間和費用。這些模型還有助於在AIM Photonics平台上進行可製造性設計(DFM)實踐。
準確掌握製程誤差 光子元件良率更上層樓
AP_SUNY v4.0a CML中包含超過25個帶有統計學模型的元件,可助力光子積體電路設計人員在Lumerical INTERCONNECT中開展Corner和Monte Carlo分析,研究波導寬度、高度和摻雜分布(主動元件)等製程誤差對設計的影響。
圖2是AP_SUNY v4.0a CML中16個含有統計學模型的主動元件之一。這個C頻帶環形調製器的緊湊模型考慮了環形波導寬度和高度的製造變化。圖2展示了在INTERCONNECT中運行蒙地卡羅(Monte Carlo)模擬所獲得的環形諧振波長和FSR的變化。
AIM CML在Ansys Lumerical的INTERCONNECT中實現模擬功能,可幫助元件設計者專注於應用層面的開發,而不是擔心個別元件的功能,從而顯著加快其研發速度。新版本可在INTERCONNECT中開展Monte Carlo模擬並分析良率,亦使AIM CML成為光子技術商品化的重要元素。
(本文作者Frank Tolic任職於AIM Photonics、Erman Timurdogan任職於Analog Photonics)