以成熟度來看,儘管光學整合技術大約較電子整合落後30年,但它仍是一種快速進展的技術。光學整合在2000年的網路泡沫化時代歷經最佳的發展,當時約有數百萬種用於光纖網路的被動光學元件開始被整合於以矽製造的平面光波電路(PLC)中。

如今,有多種成熟的材料平台可用於無晶圓廠(Fabless)的晶片開發,每一種都具有不同的卓越特性:PLC的優點是低損耗和低成本被動電路;矽(Si)的優點在於高密度和CMOS相容性;磷化銦(InP)能夠在晶片上產生以及放大光路;而氮化矽(Si3N4)則具有低損耗和高密度的特性。

20161117 VLC TA31P1 圖1:以氮化矽(Si3N4)製造的光子晶片,適合帶有金屬微型加熱器的感測應用

雖然磷化銦和矽平台通常針對作業於C波段(約1550nm)和O波段(約1310nm)的光纖通訊波長範圍進行了最佳化,但PLC和氮化矽則能作業於低至400nm的可見光波長範圍,目前有許多感測和生物醫學應用都作業於這一範圍。

在選擇了能夠滿足目標應用要求的材料平台後,設計人員接著還必須選擇一家特定的代工廠,或是讓有經驗的IC設計公司(如VLC Photonics)協助選擇。光子晶片設計的第一步是根據波導幾何形狀確定沿著電路傳導的光學模式。

20161117 VLC TA31P2 圖2:整合於矽光子微晶片上的精巧型量子光學干擾儀

在這個階段通常會執行全面的頻域分析,計算色散、群速、群指數、傳播損耗、有效折射率等光學參數,並考慮某些邊界條件(如週期性、對稱、非對稱與金屬特性等)。常用方法是有限差分(FD)、薄膜模式匹配(FMM)、有限元素法(FEM)、關聯法或高斯模式光纖解算器等,目前已有多種建置這些方法的商用軟體工具,如PhoeniX Software或Photon Design等。

下一步是這些光模型沿著組成電路的元件進行傳播。雖然可採用多種方法(BEP、特徵模式擴張、傳遞矩陣、分離-階躍),但最常用的方法是光束傳播方法(BPM)和時域中的有限差分(FDTD)方法。

第一種方法用於緩慢變化的非均勻波導結構(如錐體、彎管、耦合器)中的光線傳播,可以在近軸途徑下實現純量(scalar)或向量(vector)總場(而非模場)的單向或雙向傳播。

20161117 VLC TA31P3 圖3:磷化銦平台複雜的微波光子晶片佈局

第二種FDTD方法是與時間相關的Maxwell等式在網格上的一種離散表現,透過將系統的時間變化響應進行傅利葉轉換為輸入,並在單次模擬中擷取到較寬頻寬的響應。這是一種真正全向性的方法,但具有運算密集的特性,通常要求高度最佳化。

一旦這兩個步驟完成後,就可以在時域或頻域上進行完整的電路模擬。不僅能實現光子電路的功能性設計驗證,還能最佳化元件及其連線能力,以及評估容差與虛擬實驗。

同樣地,市場上有好幾種這方面的商用工具,如Filarete的ASPIC或VPIcomponentMaker,設計公司也能協助為模擬每個階段選擇最合適的工具,或是檢查所需要的建模和模擬工作。

20161117 VLC TA31P4a 20161117 VLC TA31P4b 圖4:不同的光波導幾何形狀

最後一步是在光子的電腦輔助設計(CAD)工具中佈局電路,輸出具有分層資訊的標準GDSII檔案。在此使用參數化晶片和光罩佈局非常重要,因為這能避免任何可能影響連續性的人工繪製或佈局錯誤,以簡化佈線作業。大多數光學代工廠提供的製程設計套件(PDK)可用於其平台上實現最常用的建構模組,如連接光纖埠的直線波導(帶和條)、彎管、多模干擾耦合器、光柵耦合器和邊緣耦合器,以及光電二極體、半導體光學放大器、調變器、加熱器和DBR或DFB雷射器等主動元件。

這種PDK使用標準語言以及透過PDA標準流程的統一架構,支持多家EDA供應商工具之間的互通性,其中的構建模組通常包括參數化元件佈局,也稱之為pCell。

由於製造光子晶片需要大量的時間與資成本,設計公司也提供自家的設計庫,?補強其代工廠PDK,並協助設計驗證和規則檢查,這對於降低整個開發風險至關重要。

20161117 VLC TA31P5 圖5:在光子磷化銦晶片上製造的完整的微型光束控制系統

總之,在整個設計過程結束時,不僅要將佈局設計交給代工廠,隨後還必須在製造的晶粒上進行光學表徵,並將設計模型反饋至模擬工具中,以驗證系統功能和製造容差。

在開發最終需要投產的任何複雜系統時,這對於反覆最佳化光子電路可說是關鍵的一步。當製造的晶片數量超過一定值時,建議利用測試公司提供的自動化表徵裝置和量測設備,以便加快進程,並獲得可靠和一致的資訊。

最後,在設計光子晶片時還有許多其它因素要考慮,如測試要求、封裝標準或最佳實踐,以及特殊的設計要求、捷徑和以及每家具體代工廠有關的最佳化等。

設計公司通常不僅提供設計,還提供測試服務,例如VLC Photonics可支援在所有主要的材料平台上開發任何的光子晶片,過去十年來在整個無晶圓廠生態系統中也收獲甚豐。

20161117 VLC TA31P6 圖6:以矽光子開發的中階光柵波分多工器,瞄準光資料通訊應用