光子積體電路(PIC)模擬最佳利器 Ansys Lumerical - Comprehensive PIC Design Solutions

隨著5G萬物互聯時代的來臨，從智慧家庭、智慧交通、智慧工廠到智慧城市等應用皆蓬勃發展，而人類對於資訊傳輸的數量要越多、速度要越快、延遲要越低等這些需求卻是永無止盡的，所以如何使用更快速、更寬頻的光訊號取代電訊號來傳輸及處理訊號將是未來科技發展的趨勢。

光子積體電路(Photonic Integrated Circuit，簡稱PIC)是利用半導體製程技術將光子元件積體化整合到晶片上，以「光」做為訊號來傳送數位資料，實現高速光電轉換、縮小模組尺寸並降低功率消耗等優勢，應用範圍涵蓋光通訊傳輸、光感測系統、智慧物聯網與量子計算等領域。

光子元件一般會分為兩類元件，一類為被動光學元件，是負責傳輸、分岔、耦合、濾波或衰減光訊號的元件，如光波導、光柵耦合器、環形共振腔等；另一類為主動光電元件，是透過電能去產生、驅動或調製光訊號的元件，如雷射、電光調製器、熱調諧波導、光感測器等。

積體光路(Integrated Optical Circuit)則是整合了光子主被動元件，觀測整體在系統上時域及頻域的響應，如光收發模組、等化器、波長分波多工器等。2015年由柏克萊大學、麻省理工學院、科羅拉多大學波德分校等多所大學與IBM華生實驗室的研究團隊共同於自然期刊 Nature 上發表名為" Single-chip microprocessor that communicates directly using light "的論文[1]，成功將7000萬個電晶體與850光子元件整合至微處理器晶片上(圖一)，並採用IBM標準45nm-CMOS製程規範整合進現有積體電路晶圓代工廠的架構中，是光子積體電路發展歷程上的一個重要里程碑。

Ansys是全球公認在工程模擬領域的全球領導者，提供給世界各地的用戶一個可以滿足多物理工程模擬設計需求的全方位模擬軟體。

Ansys Lumerical做為Ansys旗下「黃金標準(Gold Standard)」的光子模擬軟體，提供從光子主被動元件級設計到積體光路系統級設計的完整解決方案，並與現有知名的電子設計自動化(Electronic Design Automation，簡稱EDA) 工具及晶圓代工廠合作，共同開發電子-光子設計自動化(Electronic-Photonic design automation，簡稱EPDA) 設計平台，並提供針對代工廠客製工藝校準的光子工藝設計套件(Process Design Kit，簡稱PDK)。圖二為Ansys Lumerical的全產品目錄[2]，產品類別分為四大類，分別是光子多物理元件級套件(DEVICE Suite)、光子積體電路系統級套件(SYSTEM Suite)、雲端及高效能運算工具(HPC & Cloud)與第三方合作互操作性產品(Interoperability Products)。

Ansys Lumerical是從光子主被動元件到積體光路系統分析的全方位PIC設計工具(圖三)。

• FDTD可基於有限時域差分法求解三維全向量馬克士威爾方程組，分析寬頻電磁波在微奈米尺寸結構下的全向量解。
• MODE可基於全向量有限差分法，針對波導和光纖計算其特徵模態及傳播行為。

• CHARGE可基於有限元素法求解飄移擴散方程式，進行半導體元件電荷傳輸模擬。
• HEAT可基於有限元素法求解熱傳導方程式，進行半導體元件的熱傳輸模擬。
• MQW可基於腳本函數構成的K·p微擾法求解全耦合量子力學的能帶結構，分析多層量子井結構的光學與電學特性。

• INTERCONNECT可生成光子主被動元件的緊湊模型，模擬系統在雙向、多通道、多模態下光電信號的時域和頻域響應。

Ansys Lumerical除了擁有元件級與系統級的設計模擬工具外，更結合第三方合作夥伴，包括如AIM Photonics、AMF、CompoundTek、Fraunhofer HHI、IMEC、SMART Photonics、TowerJazz和TSMC等晶圓代工合作夥伴，以及如Cadence Virtuoso、Luceda Photonics IPKISS、Siemens Mentor和KLayout等EDA工具整合，提供用戶完整的PIC設計生態系統(圖四)[6]。

元件級套件中內建有圖層構建器(Layer Builder)，可導入GDS 文件的分層結構設計佈局及流程文件的垂直層信息設計流程，模擬可使用代工工藝製造的定制光子元件。

要將元件級套件與系統級套件連結起來，需先將元件模擬資訊生成至緊湊模型庫(Compact Model Library，簡稱CML)，CML Compiler可提取來自元件模擬與實驗量測的數據自動編譯、維護、QA測試和創建 INTERCONNECT 和 Verilog-A 光子緊湊模型庫，並且還能考慮晶圓代工廠製造過程的非均勻性進行具有空間相關性的蒙特卡羅分析，取得考量製程變異性的統計結果數據。

系統級套件本身即是先進的光子設計自動化(Photonic design automation，簡稱PDA)工具，在整合了第三方EDA工具後，開發出更完整的EPDA設計環境，從而實現集成電子和光子電路的原理圖設計、模擬、佈局、優化和分析。

[1] Sun, Chen, Mark T. Wade, Yunsup Lee, Jason S. Orcutt, Luca Alloatti, Michael S. Georgas, Andrew S. Waterman et al. "Single-chip microprocessor that communicates directly using light." Nature 528, no. 7583 (2015): 534-538.

[2]Ansys Lumerical Product Overview, https://www.lumerical.com/products/

[3] Photonic integrated circuits – Passives, https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360043164634-Photonic-integrated-circuits-Passives-list-of-examples

[4] Photonic integrated circuits – Actives, https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360043164714-Photonic-integrated-circuits-Actives-list-of-examples

[5] Photonic integrated circuits – Circuits, https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360043682973-Photonic-integrated-circuits-Circuits-list-of-examples

[6] Ansys Lumerical Ecosystem Partners, https://www.lumerical.com/partners/