案例分享 | 光电子集成电路仿真工具助力提高光子芯片可制造性
客户
美国集成光电子制造研究所（AIM Photonics）, 模拟光电（Analog Photonics）
所使用的产品
Ansys Lumerical INTERCONNECT 及CML Compiler
应用领域
光子集成芯片
AIM CML在Ansys Lumerical INTERCONNECT中实现的仿真功能可帮助我们专注于应用层面的开发，而不是担心个别器件的功能，从而显著加快我们的研发速度。新版本可在INTERCONNECT中开展Monte Carlo仿真并分析良率，它将成为我们技术商业化进程的关键因素。
——Timothy Creazzo, Phase Sensitive Innovation公司
AIM Photonics和Analog Photonics通过AP_SUNY PDK 4.0a的统计学紧凑模型，最大化光子芯片的可制造性。
图1：部分AP_SUNY v4.0a CML中的INTERCONNECT紧凑模型（共计60多个）
行业需求
广阔的商业市场对制造成本和可扩展性的需求驱动着设计流程的不断成熟。近年来，光子工艺设计套件（PDK）的推出显著提高了光子设计的抽象水平和生产力，这是通过采用先进的光电子集成电路级设计流程才得以实现，该设计流程包括使用Ansys Lumerical的光电子集成电路仿真工具INTERCONNECT以及紧凑模型自动化工具CML Compiler。
为了满足行业对提高良率、缩短产品上市时间的需求，支持统计学功能的PDK和设计流程变得尤其重要。准确模拟工艺制造偏差可以降低高昂的反复原型迭代的费用，缩短设计周期，提高良率，最大化投资回报。
AP_SUNY PDK套件
AIM Photonics、NY CREATES、Analog Photonics和Ansys Lumerical 联合开发了支持统计模型的PDK套件，以满足市场需求。Analog Photonics的PDK器件库率先在Lumerical的INTERCONNECT中支持统计学模型，这些光子模型基于器件的晶圆级测量数据，包含了波导、无源器件和有源器件的工艺误差统计数据。该PDK可极大帮助光子芯片设计企业的产品开发，并由AIM Photonics多项目晶圆（MPW）服务在NY CREATES Albany纳米技术中心先进的300mm微电子芯片制造厂生产。
AP_SUNY PDK 4.0a 是采用Lumerical紧凑模型的300mm晶圆半导体光子工艺设计套件，4.0a版本是在过去四年里的第七次重大更新。它包含60多个经过验证且业界最佳的调制器和探测器，兼容3种AIM技术（passive, full-build and passive interposer）。PDK器件库中，所有对工艺敏感的器件均含有统计学模型，其中包括：5个波导、5个无源器件（C L频带3端口分路器、C L频带4端口分路器、C L频带99/1 tap、C L频带90/10 tap、O频带4端口分路器）和12个有源器件（3个马赫泽德调制器、4个C L频带可调谐微盘调制器、4个C L频带可调谐滤波器和1个O频带微盘调制器）。
AP_SUNY PDK 4.0a基于此前的PDK v3.5b进行改进，增加了马赫泽德调制器的掺杂分布统计变化模型。此外，还新增了四个器件，包含基于物理结构变化的统计分布。
Analog Photonics的PDK研发总监Erman Timurdogan博士表示：“采用v4.0a，用户可以利用基于实验数据的统计学模型，并且该组件库可以支持Active Interposer。这些统计学模型可用于预测器件、系统或产品性能、良率和corner analysis，降**造和测试的时间和费用。这些模型还有助于在AIM Photonics平台上进行可制造性设计（DFM）实践。”
Ansys Lumerical首席技术官James Pond称：“首次推出统计学紧凑模型是我们在打造客户所需的产业化环境方面的又一个重要里程碑。”
AIM Photonics首席运营官兼EPDA、测试、封装和工艺研发总监David Harame博士表示：“能率先提供来自Lumerical的统计学CML，我们深感自豪。借助最新的PDK 4.0a，我们将继续运用基于掺杂分布的统计方法来推动PIC生态系统走向前沿。”
成效
图2：AP_SUNY CML器件库中，C L频带且具有统计学模型的环形调制器
AP_SUNY v4.0a CML中包含超过25个带有统计学模型的器件，可助力光子集成电路设计人员在Lumerical INTERCONNECT中开展Corner和Monte Carlo分析，研究波导宽度、高度和掺杂分布（有源器件）等工艺误差对设计的影响。图2是AP_SUNY v4.0a CML中16个含有统计学模型的有源器件之一。这个C频带环形调制器的紧凑模型考虑了环形波导宽度和高度的制造变化。图2展示了在INTERCONNECT中运行Monte Carlo仿真所获得的环形谐振波长和FSR的变化。
注：NY CREATES目前负责位于纽约州Albany的制造工厂并管理所有AIM Photonics运营，PDK的新版本将被重新命名，以体现这一变化。访问ny-creates.org了解更多详细信息。
关于AIM Photonics
AIM Photonics于2015年在纽约州罗切斯特正式成立，以提高美国光电制造能力，以加速光电子集成行业在商业和国防应用领域从创新走向成熟制造的系统开展。该研究所由美国纽约州立大学研究基金会负责管理，由国防部主导，始创成员有124家企业以及纽约州立大学研究基金会领导的非营利机构和大学。
