硅光子器件
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
硅光子器件的視頻教程
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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硅光子器件的實例教程
<p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(31, 73, 125);">Ansys與臺積電和微軟展開合作，將硅光子器件的仿真和分析速度提高10倍以上</strong></p><h2 class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(0, 122, 170);">主要亮點</strong></h2><ul><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">借助使用NVIDIA圖形處理單元（GPU）的Microsoft Azure虛擬機，Ansys Lumerical? FDTD 3D電磁仿真的光子器件仿真速度實現了10倍提升</span></li></ul><p><span style="color: rgb(63, 63, 63);"><span class="ql-cursor">?</span></span></p><ul><li><span style="color: rgb(63, 63, 63);">憑借Azure云平臺的可擴展性，Ansys軟件提供了理想的綜合平臺，可應用于數據通信、生物醫學工具、汽車激光雷達系統和人工智能 (AI) 等領域，以應對新一輪的硅光子集成電路（PIC）技術浪潮</span></li></ul><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(63, 63, 63);">近日，Ansys和臺積電日前宣布與微軟成功合作開展試點項目，實現了硅光子器件的仿真和分析速度的顯著提升。
展開 在這項研究中，研究人員成功地將光子器件集成到塊狀硅CMOS芯片中。他們采用標準的CMOS制造技術，在制造工藝中引入少量變化，從而在塊狀硅中創造出光子器件區域。這些光子器件在晶體管處理期間集成。這包括，在塊狀硅中添加一個由絕緣體材料二氧化硅形成的“孤島”，并在其頂部沉積多晶硅薄膜，從而形成了絕緣襯底上的硅。光子器件會從這個絕緣襯底上的硅區域制造出來，而晶體管則會在CMOS芯片上標準的塊狀硅區域形成。
（圖片來源：Nature）
價值
這一新型平臺將光子器件帶入最先進的塊狀硅微電子芯片中，帶來更快更節能的通信，并將為光電子系統芯片的量產鋪平道路，極大地改善計算設備與移動設備。
除傳統數據通信之外，其應用還包括圖像和數據識別任務中的深度學習神經網絡的訓練，無人駕駛汽車中采用的低成本紅外激光雷達傳感器、智能手機人臉識別技術以及增強現實技術。
此外，光學使能的芯片將帶來新型的數據安全和硬件鑒權、應用于第五代（5G）無線通信網絡的更加強大的芯片、量子信息處理器件和量子計算器件。
關鍵字
半導體、芯片、電子、光子、工藝
展開 Ansys Lumerical是業界領先的光子學仿真工具，其擁有完整的光子學仿真解決方案，支持全套光子學器件級和系統級仿真。器件和系統級工具無縫協作，讓設計人員能夠對相互作用的光學、電氣和熱效應進行建模仿真。
產品之間靈活的互操作性支持將多物理場仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結合的各種工作流程，以幫助優化產品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間。
Ansys Lumerical FDTD是業界公認的微納光子器件仿真的標準工具。
這款高性能二維／三維麥克斯韋方程求解軟件，能夠精確分析具有微納尺寸或亞波長結構與紫外、可見、紅外、太赫茲和微波的相互作用，能被廣泛應用千微納光電子器件、工藝以及材料的設計、分析和優化。
FDTD的集成設計環境支持腳本語言操作、高級后處理和結構優化功能，讓用戶可以更專注有效地完成設計要求。
規格概要
二維或三維建模
自定義任意表面和立體形貌
高級共形網格技術
靈活的材料插件
支持隨空間變化的各向異性材料
全矢量自定義和高數值孔徑的寬譜高斯光源
遠場分析
Q因子分析
自動提取S參數
能帶結構分析
腳本和優化程序
支持云計算和HPC高性能并行計算
主要特點
光子器件逆向設計優化
針對目標自動化探索最佳設計與結構；找出性能優化、面積最小化并提升工藝匹性的非直觀幾何形狀。
強大的后處理
強大的后處理功能，包括遠場分析，能帶結構分析，雙向散射分布函數(BSDF)生成，Q因子分析，電荷產生率。
非線性與各向異性材料
對含有非線性材料或各向異性空間變化材料的器件進行彷真。可以選擇各種非線性、負折射率和增益的材料模型，或者使用靈活的材料插件自行定義新材料模型。
展開 硅光子技術應用的分析
調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發器領域取得很好的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價格相對比較高。
傳統光通信模塊是將三五族半導體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導體芯片及系統封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產技術降低芯片生產成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術的最大特點就是成本低、速度快。當然，硅光子若進一步發展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。
展開 硅光子和光電收發模塊有什么關系？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等許多組件，過去這些組件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺上的光電信號轉換，都能算在硅光子技術范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。
集成電路下一步集成“光”路：硅光子三部曲
硅光子第一階段：從傳統插拔式模塊升級
硅光子已默默耕耘20多年，傳統的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個作法，正是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號延遲。
據了解，這項技術能降低成本，數據量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現在進行式，如何精進CPO技術，成為硅光子發展的下一個重要步驟。
解決 CPO 瓶頸然后呢？硅光子第二階段：解決CPU/GPU 對傳問題
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號延遲之挑戰，隨著技術發展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸的電信號問題。
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引言
本文演示了一種將Synopsys OptoCompiler中開發的無源光子器件版圖導入Lumerical產品進行光路仿真的工作流程。該工作流程利用Ansys Lumerical MODE中的EME（特征模擴展）求解器進行光學仿真，利用Ansys Lumerical CML Compiler生成緊湊模型，并利用Ansys Lumerical INTERCONNECT進行光子電路設計和仿真。
近日，一項發表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。本文將從技術背景、設計原理、實驗結果展開解析。
光纖-芯片耦合的挑戰與機遇
硅光子技術的核心優勢在于其高折射率對比度，可實現超緊湊的光學器件。
<p>隨著高速光通信與集成光子學技術的飛速發展，行波馬赫曾德調制器（Travelling Wave Mach-Zehnder Modulator, TW-MZM）因其高帶寬、低驅動電壓等優勢，成為高速光互連系統的核心器件。</p><p>然而，其設計涉及光波導模式匹配、微波傳輸線阻抗調諧等多物理場耦合問題的協同優化，傳統設計方法存在效率低、迭代周期長、跨域協同難等問題。</p><p>基于此，<strong
<p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(31, 73, 125);">Ansys與臺積電和微軟展開合作，將硅光子器件的仿真和分析速度提高10倍以上</strong></p><h2 class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(0, 122, 170);">主要亮點</strong
來源：EETOP整理自科技新報
隨著 AI、通訊、自駕車等領域對海量運算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，集成電路的技術演進已面臨物理極限，該如何突破？
有一項技術，它讓IBM早在20年前就積極投入，稱霸CPU市場多年的Intel也早已投資這項技術超過10年的時間，中國大陸更是將它視做半導體發展突圍的武器
Ansys Lumerical是業界領先的光子學仿真工具，其擁有完整的光子學仿真解決方案，支持全套光子學器件級和系統級仿真。器件和系統級工具無縫協作，讓設計人員能夠對相互作用的光學、電氣和熱效應進行建模仿真。
產品之間靈活的互操作性支持將多物理場仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結合的各種工作流程，以幫助優化產品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間。
Ansys
本文原刊登于Ansys Blog：《Optics & Photonics Industry Insights: Automotive》
作者：Sanjay Gangadhara | Ansys 光學高級項目總監
筆者有幸參加了2022年由美國光學學會（Optica）和車載光學聯盟（COBO）聯合舉辦的峰會，主題是共封裝光學（CPO, co-packaged
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氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據其不同的特性，分別適用在哪些應用領域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產品？
相似之處：相較于傳統的硅材料，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料，具有更大的禁帶寬度、更高的臨界場強，使得基于這兩種材料制作的功率半導體具有耐高壓、低導通電阻
一 背景介紹
在以大數據為基礎的現代信息社會，硅基光電子已經成為最具潛力的高效率、低成本片上解決方案。硅基光電子技術以其集成度高、尺寸小、與微電子工藝相兼容等優勢，在數據中心、通信、自動駕駛、傳感、高性能計算和人工智能等各個領域彰顯出巨大應用價值。Lumerical是目前市場上專業的模擬光學仿真和硅基光電子設計軟件，提供了強大的設計環境，能夠為光子設計師提供具有創造性，高精確度和成本效益的設計解決方案
上海市明確提出發展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模塊化技術、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發展產業。
