Die Herausforderungen hinsichtlich Kapazität und Energieeffizienz durch den wachsenden Appetit auf Hochgeschwindigkeitsdaten sowie fortschrittliche Anwendungen wie LIDAR und Quantencomputer treiben die Nachfrage nach immer größeren photonischen integrierten Schaltkreisen (PIC) voran. Mit einer ständig steigenden Anzahl von Komponenten auf einem einzelnen photonischen Chip sind manuelle Techniken, die sich auf das physikalische Layout von Komponenten konzentrieren, nicht mehr durchführbar. In der Elektronik, wo Schaltkreise bis hin zu Milliarden von Transistoren reichen, verdankt die Branche einen Großteil ihres Erfolgs standardisierten Process Design Kit (PDK)-zentrierten Electronic Design Automation (EDA)-Workflows. Die Photonik benötigt ebenso wie die Elektronik zuverlässige, skalierbare und automatisierte PDK-zentrierte Designabläufe, wie im kommenden Webinar am 7. Juni demonstriert wird: „Entwerfen Sie einen WDM-Transceiver auf Silizium-Photonik-Ringbasis mit EPDA".
Automatisierte Generierung gießereikompatibler kompakter Modellbibliotheken
In der Elektronik konzentrieren sich IC-Designer auf ihre Simulationen auf Gate-Ebene, ohne sich Gedanken über die tiefgreifenden Komplexitäten auf Transistorebene oder die Prozesskompatibilität der tatsächlichen physischen Implementierung zu machen. Diese Trennung des Designs auf Logikebene gibt IC-Entwicklern die Möglichkeit, sich auf die Funktionalität auf hoher Ebene zu konzentrieren, und wird hauptsächlich dank zuverlässiger und konsistenter Software-Toolketten ermöglicht, die die Komplexität des groß angelegten Systemdesigns über mehrere Abstraktionsebenen aufschlüsseln Verfügbarkeit genauer Modellbibliotheken, die in Gießerei-PDKs bereitgestellt werden. Die Photonik hat sich in die gleiche Richtung entwickelt, um ein skalierbares Design vom Konzept bis zu einem funktionierenden photonischen Chip zu ermöglichen.
Bei der Simulation auf Geräteebene wird die physikalische Geometrie der Materialien definiert und ihre Auswirkungen in mehreren physikalischen Domänen über rechenintensive Solver simuliert. Diese rechenintensiven Simulationsmethoden auf Komponentenebene sind nicht geeignet, um ganze photonische Schaltkreise oder sogar einzelne Geräte mit großen Geometrien zu adressieren. Um photonisches Design im großen Maßstab anzugehen, sind abstrakte Designmethoden erforderlich. Wie in der Elektronikindustrie werden photonische Geräte auf Komponentenebene in kompakte Modelle abstrahiert und als Blöcke dargestellt, die in einer schematischen Designumgebung verbunden werden können, um spezifische Funktionalitäten zu erstellen. Jeder Baustein hat Eingangs- und Ausgangsports mit einer definierten Verhaltensreaktion sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Heutzutage beginnen die meisten fortgeschrittenen PIC-Designer mit einem Schaltplan, der die angestrebte Funktionalität des Gesamtsystems in Form von kleineren, hierarchischen, kompakten Modellen erfasst. Die Genauigkeit einer Schaltungssimulation hängt von der Genauigkeit der Modelle in ihren Bausteinen ab, die auf der Grundlage von Simulationen auf Komponentenebene, Messungen aus der Gerätecharakterisierung oder einer Kombination aus beidem definiert werden.
Präzise Modelle müssen nicht nur das komplexe Zusammenspiel der zugrunde liegenden multiphysikalischen Effekte in photonischen Geräten erfassen, sondern auch mit hoher Ausbeute herstellbar sein. Schließlich macht der Ertrag ein Design wirtschaftlich rentabel. Prozessvariationen sind der Herstellung inhärent und umfassen zusätzlich zu räumlich abhängigen Schwankungen statistische Korrelationen einzelner Schaltungselemente, die alle die Leistung einzelner Bauelemente und der Gesamtschaltung erheblich beeinflussen können. Statistische Modelle werden für die Ertragsanalyse benötigt, um Prozessschwankungen zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass sich die Konstruktionen nach der Fertigung wie beabsichtigt verhalten.
Um solche Modelle erfolgreich zu erstellen, benötigen Designer nahtlose Multiphysik-Simulationsworkflows, die eine Optimierung benutzerdefinierter Komponenten mit integrierten Funktionen ermöglichen, um Fertigungsvariabilität zu berücksichtigen und die Kompatibilität mit einem Gießereiprozess sicherzustellen. Selbst mit Zugang zu umfassenden Multiphysik-Lösern und Ertragsanalysefunktionen ist die Ermöglichung des PIC-Designs angesichts fehlender Standards für die Generierung kompakter Modellbibliotheken (CMLs) immer noch eine große Herausforderung. Ohne Standards kann die Entscheidung, welche Gleichungen und Parameter verwendet werden sollen, um alle relevanten Phänomene jeder Komponente in ihrem jeweiligen kompakten Modell zu kapseln, eine entmutigende Aufgabe sein. Darüber hinaus möchten Schaltungsdesigner Zugriff auf verschiedene Versionen von herstellerspezifischen CMLs haben, die eine große Menge umfassender und parametrisierter Gerätemodelle abdecken. Das manuelle Generieren und Pflegen solcher Bibliotheken ist ein äußerst anspruchsvoller, umständlicher und fehleranfälliger Prozess, der die Produktivität des Engineerings behindert und einfach nicht skalierbar ist. Lumerical-Produktsuite von Ansys ermöglichen eine umfassende Multiphysik-Simulation von photonischen Komponenten, eine genaue Zeit- und Frequenzbereichssimulation von PICs, eine automatisierte Generierung von statistischen photonischen CMLs sowie Ertragsanalysen, die wiederum die Standardisierung eines PDK-zentrischen Design-Flows ermöglichen.
Schemagesteuerte Abläufe zum Co-Design von elektrophotonischen Schaltkreisen
Der bisher besprochene Design-Workflow beschreibt, wie mehrere optische Funktionalitäten kombiniert werden können, um photonische Schaltkreise zu erstellen. In realen Designs sind photonische Schaltungen mit elektronischen Schaltungen verbunden, und es ist ihre kombinierte Funktionalität und Leistung, die optimiert werden muss. Schaltungssimulatoren in der Elektronik modellieren Signale als Spannungen und Ströme, aber es gibt einzigartige Anforderungen an photonische Schaltungssimulationsmethoden. Optische Signale tragen sowohl Amplitude als auch Phase, haben eine Wellenlänge, sind von Natur aus bidirektional und multimodal. Photonische Schaltungssimulatoren müssen all diese Phänomene erfassen.
Auf der Layoutseite erfordern photonische Designs im Gegensatz zu den Manhattan-Formen in der Elektronik Unterstützung für krummlinige Geometrien, was auch zu komplexen Design Rule Checking (DRC) und Layout versus Schematic (LVS) Herausforderungen führt. Ansys Lumerical und Cadence haben gemeinsam hochmoderne EPDA-Lösungen (Electronic-Photonic Design Automation) entwickelt, die erstklassige photonische und elektronische Tools verwenden, um die Einschränkungen der Design-Skalierung sowohl im Front-End als auch im Back-End zu beseitigen Design-Flow.
PICs umfassen viele aktive optoelektronische Blöcke wie Laser, Fotodetektoren und Modulatoren, die zugehörige elektronische Treiber und Abstimmschaltungen aufweisen. Die Co-Simulation der elektronischen und photonischen Schaltungen erfasst die engen Wechselwirkungen zwischen den optischen und elektrischen Domänen. Stellen Sie sich die elektrische Rückkopplungsschleife vor, die aus Überwachungsfotodetektoren und zugehörigen TIA-Teilschaltkreisen besteht, die zum Abstimmen der Resonanzwellenlänge von Modulatoren in einem ringbasierten Transceiver-Design verwendet werden. Auch wenn dieser Anwendungsfall nicht unbedingt eine Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungsschleife erfordert, gibt es immer noch eine kontinuierliche Interaktion zwischen der Erkennung und den Tuning-Blöcken, und angesichts der Mehrkanal-Topologien von Transceiver-Designs müssten Designer Millionen davon im Auge behalten Datenpunkte, die zwischen optischen und elektrischen Schaltungssimulatoren ausgetauscht werden. In unserem bevorstehenden Webinar am 7. Juni erfahren Sie mehr über das Erstellen kompakter Modelle, krummliniges photonisches Layout, Co-Design, Co-Simulation und schemagesteuertes Layout mit Back-Annotation Entwerfen Sie einen WDM-Transceiver auf Silizium-Photonik-Ringbasis mit EPDA.
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