硅光子器件的案例
客戶案例 | Ansys與臺積電和微軟合作加速光子仿真
<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 新制造工藝：有望實現高速低功耗光電子芯片！
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 領先的光子學仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：微納光子器件仿真的標準工具
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?？梢赃x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
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 
適合中國的新賽道——硅光子！
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。
展開 硅光子技術原理介紹
硅光子技術原理介紹
硅光子技術即在硅晶圓上實現光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速率的光通信技術。硅光子技術的實用化和研發的推進改速度都超過了預期，其中，進展尤為快速的當屬日本。
光子學使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術的應用范圍可以從電路板間的數據傳輸擴大到芯片內的傳輸，并且未來硅光子技術的應用范圍有望擴大到芯片間和芯片內的傳輸，預計這方面的應用將在2020年左右實現實用化。
有專家表示，硅光子技術是一個原理性的技術，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨立元件的話，它的優勢在于獨立波長，這不像其他傳統的激光器，傳統的激光器會產生紅光、綠光，而基于硅光子的獨立元件能產生傳統激光器產生不了的光。
來源：中國電力電子產業網
展開 硅光子學的“最后一米”難題
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硅光技術要在現有全電子系統中搶占機遇，必須要有技術和商業兩方面的強大優勢。這種器件必須能夠解決一個重大難題，并顯著改善整個系統。它還必須小巧、節能，擁有超高的可靠性，并必須以極快的速度傳輸數據。
目前尚未有滿足上述這些要求的解決方案，因此電子技術仍會繼續發展，而不必與光子緊密結合。如果沒有重大突破，在由“瘦”電子主宰的功能系統中，“胖”光子仍無一席之地。但是，如果能大量、低成本地可靠生產光器件，那么數十年來對于光纖接入處理器技術及相關架構的設想就能夠成為現實。
在過去的15年中我們已取得了很多進展。我們對光子技術有了更好的理解，對于它在數據中心哪里可用、哪里不可用有了更深刻的認識。此外，一個可持續的、每年可達數十億美元的光器件商業市場已經形成。光連接已經成為全球信息基礎設施的重要部分。但是目前，在現有電子系統核心部分中應用大量光器件的設想尚不可行。
那么未來會一直如此嗎？我想不會。
來源：悅智網
作者 Anthony F.J. Levi
展開 光學及硅光子仿真推動汽車行業的技術發展
業內已經采用固態技術作為應對這些挑戰的第一步，但越來越多的長期解決方案傾向于使用硅光子技術和共封裝光學。其中一個例子是英特爾旗下自動駕駛子公司Mobileye，該公司將使用光子集成電路（PIC, photonic integrated circuits）為新一代激光雷達傳感器提供動力，并預計在2025年之前將這些傳感器部署完成。其他激光雷達公司如果還沒有采取這樣的措施，預計也很快就會開始行動。
行業逐漸意識到，對激光雷達的定位即將從“前景和可能性”轉向“全面生產和部署”，但仍然存在一些技術挑戰需要克服，仿真是了解這些挑戰并尋找其解決方案的關鍵。最近，我與TKL Engineering的Thomas Kümpfel以及Ansys Optics的產品負責人Julien Muller和James Pond共同主持了一個圓桌會議。在此期間，我們討論了汽車行業近期的創新技術以及仿真在推動這些創新技術方面發揮的作用。激光雷達系統的微型化是幾個熱門話題之一，同時我們一致認為，從PIC級到系統級為這些系統建模的能力對于工程師創建魯棒性和可擴展設計至關重要。如今我們已得益于此類仿真功能，這也是整個汽車行業對自動駕駛汽車的未來持樂觀態度的眾多原因之一。
隨著我們逐步邁向完全自動駕駛，“互聯性”是其關鍵要素之一，即道路上的每輛汽車都需要了解其他車輛的情況。這種實時通信網絡將需要構建云端高帶寬基礎架構，而這些需要高性能數據中心為其提供支持。因此，即使對于新興的自動駕駛技術，集成光子學和CPO在數據中心的作用也是至關重要的。
我們正處于光學行業高速發展時期，重大變革可能將發生，以推動包括汽車在內的各類市場的新一代技術進步。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規?；某咝阅?。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規?；某咝阅?。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
展開 Ansys與GF合作交付新一代硅光子解決方案，開啟數據中心新時代
Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
Ansys宣布與GlobalFoundries（GF）合作，交付獨特且功能豐富的創新型解決方案，以解決當前數據中心面臨的一些巨大挑戰。
隨著數據以前所未有的速度生成，全球各地數據中心的功耗也隨之激增，這導致人們更迫切地需要既能加快數據傳輸，同時又能優化能效的創新型解決方案。為滿足這種不斷增長的需求，GF著力開發突破性的半導體解決方案，利用光子而非電子的優勢來傳輸和移動數據，有助于GF在快速發展的光網絡領域保持領先地位。
GF Fotonix是GF在多方面均取得突破性進展的新一代單片平臺，在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一硅晶圓上，實現了規?；某咝阅?。
展開 
7/29 與Foundry工藝兼容的Lumerical新版光子器件設計流程
內容簡介：
光子集成電路近年在眾多應用領域包括數據通訊，RF，傳感，AR/VR，自動駕駛和醫療等得到了快速發展。光電工藝設計套件（PDKs）的開發對于硅光技術在這些領域的商用至關重要。Ansys基于PDK-driven methodologies的思路創新的提供了一種基于工藝的器件設計流程，可以幫助設計人員添加符合Foundry生產規范的自定義器件庫，快速實現可用器件庫的擴充。
在設計流程中，用戶可通過Ansys Lumerical的DEVICE Suite高效可靠的實現與Foundry工藝兼容的器件仿真設計，幫助設計者更有信心的實現器件仿真與鑄造工藝一致性。Ansys與世界領先的硅光Foundry積極合作，為新的設計流程提供充分支持，并在其PDK中已提供了所需的工藝文檔。
無論是PDK設計人員或是PIC的終端產品設計者，都將從本次網絡研討會學習到符合工藝規范流程的自定義設計流程和所需工具的實用知識。本次網絡研討會從研發這項工作流程的動機和概述開始，然后會進一步演示如何通過DEVICE Suite中改良版的Layer Builder工具，創建和使用Foundry提供的工藝文件。網絡研討會最后會提供現有晶圓廠對該設計流程支持的討論環節。
培訓時間及內容：
2020年7月29日 10:00-11:00
報名鏈接：http://event.31huiyi.com/1891235984/index?c=jishulink
展開 英飛凌采訪：第三代半導體與硅器件將長期共存
氮化鎵市場的發展變化：這兩年硅基氮化鎵開關器件的商用化進程，和五年前市場的普遍看法已經發生了很大的變化，其中有目共睹的是基于氮化鎵件的高功率密度快充的快速成長。這說明影響新材料市場發展的，技術只是眾多因素當中的一個。未來五年，我們比較看好的氮化鎵的應用領域包括：消費類快充、服務器/通信電源，馬達驅動，工業電源，音響，無線充電，激光雷達等，其中快充會繼續引領氮化鎵開關器件的市場成長。
氮化鎵落地的技術挑戰及英飛凌的解決方案：作為功率開關器件的硅基氮化鎵在商用化的進程中，除了性能和價格，最引起關注的話題是長期可靠性。目前氮化鎵開關器件絕大多數都是在硅襯底上生長氮化鎵，并以二維電子氣作為溝道的GaN HEMT。從2010年IR發布的業界第一款硅基氮化鎵開關器件到現在，整個業界對硅基氮化鎵的研究可以說已經很深入了，但真正大規模的應用還是在最近幾年的事。相對而言，硅乃至碳化硅在市場上運行的時間要長得多，現存器件數量也大得多，因此氮化鎵相對其他兩種材料而言，可供分析的失效案例要少很多。這也是消費類的快充成為氮化鎵快速成長引擎的其中一個原因。另外，因為硅基氮化鎵超小的寄生參數，使其為用戶帶來極低開關損耗的優勢之外，也大大提高了驅動此類器件的難度。
英飛凌很早就將著眼點放在硅基氮化鎵可靠性的研究實踐上，并在JEDEC標準之上增加了多重措施，確保我們生產的硅基氮化鎵的長期可靠性遠高于市場平均水平。另外，硅基氮化鎵的長期可靠性與器件在其應用場景中的電壓擺幅、開關頻率、占空比、溫度等等都高度相關。因此我們建議用戶在產品設計中，與硅基氮化鎵供應商的技術支持人員就具體應用場景做深度交流，以對長期可靠性做出評估。在器件驅動方面，英飛凌開發了專用的氮化鎵驅動器，減輕了用戶設計驅動電路時的壓力。
展開 面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。由于感生偶極矩作用，液晶分子排列能夠通過電場進行操控，進而主動控制液晶器件的特性，便于制造主動液晶光柵、可調液晶微透鏡陣列等核心光學部件。
波前像差?。汗鈱W幾何相位分布通過液晶分子取向控制獲得，在0至2π相位突變位置，自組裝液晶分子指向平滑連續，便于消除拼接等成像誤差；
工作參數便于擴展。將多層液晶器件堆疊，能夠擴展光束調控的自由度。例如，將多個偏振光柵堆疊，能夠實現大角度、小間隔光束掃描。將多個渦旋波片堆疊，能夠實現多種拓撲荷光束輸出。將多個透鏡堆疊，能夠實現不同焦距的液晶成像系統。
展開 報名 | Ansys Lumerical光子集成電路PIC無源器件的設計與仿真培訓
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，將是未來發展的關鍵技術。Ansys Lumerical 為設計人員提供高性能光子仿真軟件，提供專門用于光子器件、電路和系統設計的模擬環境。針對PIC的應用，Lumerical提供包括光子有源器件，無源器件及circuit芯片級的完整解決方案。
5月25日，Ansys Lumerical光子集成電路PIC無源器件的設計與仿真網絡培訓即將開始，培訓將以PIC無源器件設計作為范例，針對FDTD及MODE兩個產品作深入淺出的介紹，從演算法到實際范例演示，包括完整軟件的操作、分析及設計流程。歡迎報名參加，本次培訓人數限定20人，席位有限先到先得！
時間：5月25日（星期二），14:00-17:00
培訓日程：
講師介紹：
陳致豪
陳致豪(Chih-Hao Chen)，大學就讀于清華大學電機系，在臺灣大學光電工程研究所取得碩士學位。畢業后曾就職于顯示器產業，研究液晶光學以及液晶顯示器光學設計，有六年液晶顯示器的設計經驗。在2020年加入Ansys/Lumerical擔任應用工程師，熟悉FDTD和MODE仿真工具。主要負責亞太地區客戶的技術支持，幫助客戶排除問題以及實現仿真目標，同時也協助介紹和推廣公司產品，不定期參加或協助舉辦研討會，分享光學相關領域的產品應用實例。
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