光子集成芯片
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2020-10-24
光子集成芯片的視頻教程
Ansys Lumerical光子集成電路PIC 有源器件的設計與仿真
光子集成電路(Photonic Integrated Circuit, PIC) 由于具備可實現高速光電轉換、高頻寬、低損耗等特性，并且可以大幅縮減模組尺寸及成本，是未來發展的關鍵技術。 Ansys Lumerical 為設計人員提供高性能光子模擬軟體，提供專門用于光子器件、電路和系統設計的模擬環境。
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光子集成芯片的實例教程
硅光芯片是當前情況下非常熱的一個主題。隨著中美關系的惡化，光子集成芯片的設計也成為目前的一個“卡脖子”技術。本文主要說明如何用OptSim Circuit和OptoDesigner兩款軟件，進行數據中心常用的QPSK收發器光子集成芯片設計。
圖1：QPSK發射端的設計示意圖
如圖1 所示，QPSK發射端主要由分束器，馬赫-曾德爾調制器，相位調制器等組成。
圖2：OptSim Circuit中發射端的原理圖設計
圖2是在OptSim Circuit軟件中，實現的QPSK發射端的原理圖設計。設計中各個單元器件均來自Tower Semiconductor的PDK套件。
圖3：QPSK接受端的設計示意圖
如圖3所示，QPSK接受端主要由方向耦合器，光探測器，相位調制器等組成。
圖4：OptSim Circuit中的接收端原理圖設計
圖4是在OptSim Circuit軟件中，實現的QPSK接收端的原理圖設計。設計中各個單元器件均來自Tower Semiconductor的PDK套件。
圖5：OptSim Circuit中的QPSK測試平臺
為了仿真QPSK的性能，在OptSim Circuit中搭建了如圖5所示的測試平臺。如圖6所示，眼圖非常清晰。
圖6：OptSim Circuit中的QPSK仿真的眼圖結果
仿真驗證無誤之后，OptoDesigner 將對應的版圖做出（如圖7所示）。得到的版圖布局直接可以通過foundry去流片獲取芯片。
圖7：OptoDesigner中的版圖布局
本文只是光子集成芯片的一個范例。如有其它關于光子集成芯片的需求，歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 12月7日，國際物理學權威期刊《物理評論快報》以“Mapping Twisted Light into and out of a Photonic Chip”為題發表了上海交通大學金賢敏團隊最新研究成果，報道了世界上首個軌道角動量（OAM）波導光子芯片。并且同時作為Editors’ Suggestion和Featured in Physics 亮點文章（highlighted article）在PRL網站首頁重點推薦，美國物理學會的《物理》期刊也做了同步發表亮點文章。
這是首次在光芯片內制備出可攜帶光子軌道角動量自由度的光波導，并實現在波導內高效和高保真地傳輸。這項研究進展使得未來在光子集成芯片內高效利用光子軌道角動量這一新興的的自由度成為可能，為基于光子軌道角動量自由度的光信息以及量子信息技術芯片化集成化打開了大門。研究組發表文章前已經為該波導芯片申請了發明專利。
帶有螺旋形波陣面的軌道角動量光子通過芯片內的波導
顯微鏡下所觀察到的“甜甜圈”型波導的橫截面，波導直徑約為10微米
近年來，由于扭曲光（twisted light）獨特的特性，具有“甜甜圈”分布的強度結構，螺旋型波陣面的位相結構，攜帶軌道角動量的動態特性，使其被廣泛地應用于光束縛、光操縱以及光鉗等領域。不同于光的自旋角動量，軌道角動量擁有無限的拓撲荷和內在的正交性，可以為模式多路分發提供巨大的資源，用于解決通信系統上信道容量緊縮的問題。
展開 ——Timothy Creazzo, Phase Sensitive Innovation公司”
AIM Photonics和Analog Photonics通過AP_SUNY PDK 4.0a的統計學緊湊模型，最大化光子芯片的可制造性。
圖1：部分AP_SUNY v4.0a CML中的INTERCONNECT緊湊模型（共計60多個）
?
行業需求
廣闊的商業市場對制造成本和可擴展性的需求驅動著設計流程的不斷成熟。近年來，光子工藝設計套件（PDK）的推出顯著提高了光子設計的抽象水平和生產力，這是通過采用先進的光電子集成電路級設計流程才得以實現，該設計流程包括使用Ansys Lumerical的光電子集成電路仿真工具INTERCONNECT以及緊湊模型自動化工具CML Compiler。
為了滿足行業對提高良率、縮短產品上市時間的需求，支持統計學功能的PDK和設計流程變得尤其重要。準確模擬工藝制造偏差可以降低高昂的反復原型迭代的費用，縮短設計周期，提高良率，最大化投資回報。
AP_SUNY PDK套件
AIM Photonics、NY CREATES、Analog Photonics和Ansys Lumerical 聯合開發了支持統計模型的PDK套件，以滿足市場需求。
展開 ——Timothy Creazzo, Phase Sensitive Innovation公司”
AIM Photonics和Analog Photonics通過AP_SUNY PDK 4.0a的統計學緊湊模型，最大化光子芯片的可制造性。
圖1：部分AP_SUNY v4.0a CML中的INTERCONNECT緊湊模型（共計60多個）
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行業需求
廣闊的商業市場對制造成本和可擴展性的需求驅動著設計流程的不斷成熟。近年來，光子工藝設計套件（PDK）的推出顯著提高了光子設計的抽象水平和生產力，這是通過采用先進的光電子集成電路級設計流程才得以實現，該設計流程包括使用Ansys Lumerical的光電子集成電路仿真工具INTERCONNECT以及緊湊模型自動化工具CML Compiler。
為了滿足行業對提高良率、縮短產品上市時間的需求，支持統計學功能的PDK和設計流程變得尤其重要。準確模擬工藝制造偏差可以降低高昂的反復原型迭代的費用，縮短設計周期，提高良率，最大化投資回報。
AP_SUNY PDK套件
AIM Photonics、NY CREATES、Analog Photonics和Ansys Lumerical 聯合開發了支持統計模型的PDK套件，以滿足市場需求。
展開 圖三：結構復雜度不斷增大的量子“快速到達”實驗結果
金賢敏研究團隊通過理論創新、高精度的芯片制備、單光子級的注入和成像等一系列努力，最終首次在復雜六方粘合樹結構“快速到達”問題中成功實現量子加速優勢。光量子集成芯片中的實驗結果與理論結果在最優到達效率及最優演化長度兩方面都吻合的很好，這與研究團隊過去三年所發展的飛秒激光直寫制備三維光量子集成芯片的精準工藝是分不開的。
金賢敏研究團隊所發展的基于三維光子集成芯片的大規模量子演化系統，使得研發各種物理系統可擴展的專用光量子計算原型機成為可能。同時，這種粘合樹結構很容易讓人聯想到計算機科學中的二元樹或決策樹，若能將量子算法運用到計算機科學中的優化、管理、及信息搜尋等各種實際問題中去，有望極大地推動量子計算機的實際應用。還有望用來解決許多跨學科交叉的科學問題并衍生新興研究領域，比如與實驗室天文學模擬、量子人工智能[Physical Review Letters 120, 240501 (2018)]、量子拓撲光子學[arXiv:1810.01435 (2018)]、生物醫藥及成像等學科相互關聯的綜合性研究。今年10月初，金賢敏團隊剛剛發布了首款專用光量子計算軟件FeynmanPAQS [arXiv: 1810.02289 (2018)]，也是旨在讓量子計算面向更加廣泛的科研學者、工程師和熱心科普的群體，力圖促進更多專用光量子計算算法的發現、基礎科研領域交叉、量子計算的工程化應用對接。
期待不久的將來，專用光量子計算機能夠真正為各行業帶來更多令人欣喜的應用。
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功能性說明：
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電機雙通道驅動芯片，通常指能夠控制直流電機實現正轉、反轉和制動等雙向運動功能的集成電路（IC）。這類芯片內部多采用H橋電路結構，通過控制功率MOSFET或晶體管的導通與關斷，改變電機兩端的電壓極性，從而實現電機的雙向驅動。
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H橋拓撲結構?：這是雙向驅動的基礎。芯片內部集成四個功率開關（通常為MOSFET），排列成“H”形。通過邏輯控制電路，精確控制對角線開關的導通
3D-IC技術：芯片集成的新范式
在消費電子、通信、計算和汽車等眾多領域，對更高性能、更低功耗設備的需求持續攀升。為了應對這一趨勢，集成電路（IC）設計正從傳統的二維平面向三維立體架構演進——3D-IC技術應運而生，成為行業關注的焦點。
什么是3D-IC技術？
3D-IC是一類多芯片集成電路封裝技術的總稱。其核心思想是將多個半導體芯片（業內常稱為“芯?！保┩ㄟ^兩種方式組合
在這個例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成電路(PIC)建模能力與Icepak強大的熱仿真能力相結合，用于仿真和設計波分復用(WDM)收發器，同時考慮封裝中其他區域（例如電子集成電路(EIC)、印刷電路板(PCB) 等）的發熱。
一、概述
本文以一個六通道WDM系統為例進行研究
PAN107x是一款集成了Bluetooth LE 5.3和2.4GHz雙模無線收發電路的SOC芯片。該無線收發電路工作于2.400–2.483GHz世界通用ISM頻段。
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微型組件音頻解決方案通常指集成度高、體積小巧的音頻芯片或模塊，它們被廣泛應用于各種便攜式和空間受限的電子設備中，以實現音頻信號的輸入、輸出、處理和傳輸。這些解決方案往往將多個功能（如數模轉換、模數轉換、放大、降噪、編解碼等）集成在單一芯片或緊湊的系統級封裝中。
?專用音頻編解碼器與放大器?：包括高精度DAC（數模轉換器）和ADC（模數轉換器）芯片，以及高效能的D類音頻放大器。這些組件常用于便攜式
引言
集成光子芯片中光的輸入和輸出有兩種常用方法，即通過光柵耦合器或端面耦合器。雖然光柵耦合器為從芯片上的任何位置輸入和輸出光提供了一種非破壞性解決方案，但由于光柵耦合器的色散工作原理，其帶寬可能受到限制。而端面耦合器需要額外的切割和拋光工藝來創建耦合面，但其優勢在于能提供較大的工作帶寬。
本文介紹了一種用于光子集成電路光纖-波導耦合系統的多尺度仿真工作流程。光與光柵耦合器在微觀上的相互作用使用 Ansys Lumerical 進行仿真，而 Ansys Zemax OpticStudio 則用于宏觀傳播和公差分析。此示例的工作流由四個步驟組成。前兩個步驟模擬了光從光柵耦合器傳播到光纖（“出”方向），而后兩個步驟模擬了光從光纖傳播到光柵耦合器（“入”方向）。分析了兩個方向對系統損耗的貢獻
