加州大學圣巴巴拉分校的研究人員用格芯的 Fotonix挑戰(zhàn)極限

在之前的文章中，我們已經(jīng)介紹了格芯（GF）通過其大學合作計劃（UPP）與領先的學術研究人員進行的一些合作。這些合作非常重要，為格芯的差異化技術的新應用帶來了驗證點和參考設計，是對格芯內(nèi)部研究和開發(fā)團隊工作的補充。

最近推出的格芯 Fotonix平臺在許多方面受益于學術研究，我們將在本篇博文的后面了解到這一點。格芯 Fotonix將高性能CMOS、射頻（RF）和光子元件單片集成在同一芯片上，有可能顛覆許多現(xiàn)有技術。

與格芯Fotonix合作，客戶可以創(chuàng)建創(chuàng)新的光電解決方案，同時利用格芯的300毫米芯片制造工藝的規(guī)模和效率，實現(xiàn)創(chuàng)新的封裝解決方案，并提供首次成功所需的設計工具。

迫切需要新的電光解決方案，因為在社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推動下，數(shù)據(jù)量正在成倍增長。僅僅是基于電子的解決方案無法跟上數(shù)據(jù)中心和整個通信基礎設施對更多容量、速度和能源效率的需求。光子，或基于光的解決方案提供了許多優(yōu)勢，但讓電子和光子以高度集成、可靠和具有成本效益的方式工作一直是困難的。

不再是了。"格芯 Fotonix在系統(tǒng)集成方面邁出了非常大的一步，因為毫米波（mmWave）電路和數(shù)字系統(tǒng)首次與光子構(gòu)件集成在同一塊硅片上。這開辟了許多新的系統(tǒng)和產(chǎn)品選擇，最初是為數(shù)據(jù)中心開發(fā)下一代光互連，最終導致數(shù)據(jù)中心的分解，"格芯企業(yè)研究員Ted Letavic說，他領導著格芯的硅光子技術解決方案團隊，為格芯實驗室提供創(chuàng)新和技術領導。

他說："你可以想象，讓300GHz級的控制電子元件和光子元件很好地配合，是一項艱巨的挑戰(zhàn)。加利福尼亞大學圣巴巴拉分校（UCSB）的James Buckwalter教授和Clint Schow教授等人進行的實際測試和基準測試工作對GF的集成工作有很大幫助。

芯片的自由形式設計

Letavic說，“除了對下一代光互連有用之外，格芯 Fotonix還集成了新型光子元件，這將導致直接在硅中設計新的光子解決方案。” Letavic說："我們的不同的大學合作伙伴正在探索使用數(shù)學驅(qū)動的設計技術來提高光子性能，并開辟全新的應用。"這些技術被稱為逆向設計、光學轉(zhuǎn)換設計或亞波長設計。從本質(zhì)上講，你決定光需要如何在你的光子系統(tǒng)中傳播以執(zhí)行所需的功能，然后你創(chuàng)建一系列的數(shù)學表達式--類似于神經(jīng)網(wǎng)絡中的反向傳播--解決一組物理坐標，這些坐標被映射到硅的物理形狀上，以提供所需的性能。"

格芯和它的大學合作伙伴在證明使用這種方法建造的結(jié)構(gòu)的準確性方面取得了良好的進展。"事實上，我們已經(jīng)到了開始優(yōu)化我們的工藝設計工具包（PDK）和其他設計工具的地步，以便在我們的設計流程中實施這些'逆向'技術。"

Letavic說："這確實是一種思考如何在硅片中設計東西的全新方式，在其核心部分挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的光子設計。"它使我們走向我們所說的自由設計，在那里你可以設計任何你想要的結(jié)構(gòu)，只要它符合我們的基本規(guī)則，我們就可以建造它。這是一個游戲規(guī)則的改變，將打開我們客戶的創(chuàng)意閘門，而且它也很有成本效益，因為我們不必改變我們的工藝流程。"

格芯正在與其他大學伙伴合作，探索全新的光子領域，如光子計算、光子量子計算和生物醫(yī)學應用。"這些研究團隊正在進行研究，以回答一些藍天問題，如：'在硅中實現(xiàn)光子量子計算需要哪些元素？''如果基于光子的COVID-19傳感器會是什么樣子？我們正在合作了解如何使用GF技術來解決這些新的前沿問題，"他說。

長期的學術伙伴

加州大學圣巴巴拉分校是研究射頻和混合信號技術的溫床，沒有人比格芯在那里的兩位合作伙伴James Buckwalter教授和Clint Schow教授更能體現(xiàn)這種關注了。兩人都與格芯有著長期的合作關系，而且他們也是格芯某些相關項目的合作伙伴。

Buckwalter是IEEE會員，研究射頻、毫米波和光子學交叉領域的高頻器件，用于140/220GHz的前端接口、信號處理和毫米波通信。在他多年來使用的技術中，有格芯的FD-SOI（GF FDX）和SiGe工藝。"他說："在我的職業(yè)生涯中，我已經(jīng)畢業(yè)了30多名碩士和博士生，他們都使用過格芯的技術，并把這些知識帶到了他們的雇主那里。

與此同時，Schow擁有更多的光子學背景。作為IEEE和OSA會員，他曾兩次在IBM工作，在那里他對現(xiàn)在屬于格芯的技術有了深刻的了解，比如90WG硅光子學平臺和SiGe BiCMOS。他還曾在圣巴巴拉的一家可調(diào)諧激光器創(chuàng)業(yè)公司工作過，這讓他有了在UCSB任教的愿望。他說："我一直都信賴格芯的技術，"他說。

大于其各部分的總和

Buckwalter說，在他們的研究中，他們不把光子設備和電子電路看作是兩個獨立的東西，而是看作是工具箱中的元素，可以用各種方式組合起來解決問題，而格芯的 Fotonix幫助他們推進這種方法。

他說："我們一直在推動這種共同設計，我們把光子元素拆開，并把它們納入，例如，作為電子放大器內(nèi)部的小段。"我們不把它們當作獨立的實體，我們只是把所有東西拆開，把它們混合起來，再把它們重新組合起來。最終，我認為在5年或10年內(nèi)，這種光子和電子元素的混合將是在高頻領域的設計方式。它把兩樣東西結(jié)合在一起，得到比各部分之和更大的東西。"

Schow說，格芯的設計手冊在這方面有很大幫助。"他們一直都很出色，在弄清基本規(guī)則方面給了我們很大的幫助，這樣我們就可以在這些準則中進行探索。他們幫助我們建立了一些東西，如定制的加熱器，這聽起來可能是低技術含量的設備，但卻是調(diào)整電路的關鍵，還有定制移相器以優(yōu)化性能。當我們追求混合設計時，從了解物理設計空間的角度來看，這是一個很好的經(jīng)驗，"他說。

低功耗相干光通信

他們的混合方法的一個很好的例子是他們兩人正在進行的一個項目，該項目涉及在數(shù)據(jù)中心使用相干光學技術的寬帶波形生成和檢測。相干光學技術被視為一種方法，通過調(diào)制（即改變）光的振幅和相位，并通過兩個不同的偏振進行傳輸，可以大大增加光在數(shù)據(jù)中心的光纜中可以攜帶的數(shù)據(jù)量。

它涉及到發(fā)射器和接收器的數(shù)字信號處理，研究人員正在使用格芯 Fotonix進行這項工作。"雖然相干光學已經(jīng)被用于長距離數(shù)據(jù)傳輸，但這需要大量的能量?！?Schow說："我們要做的是使它的功耗低到足以用于數(shù)據(jù)中心的短距離通信鏈路，以改善網(wǎng)絡架構(gòu)?！?但是建立完整的相干鏈路子系統(tǒng)真的很困難。他說："在電子方面，你需要非常高效的高擺幅驅(qū)動器與光子調(diào)制器集成，以產(chǎn)生信令波形，然后在接收器方面，你需要一個完整的光子混合器來分離波形，并與高速電子裝置接口。"因此，兩邊都有非常高度集成的電路；中間有非常高度集成的光子集成電路，它們必須被設計成與接收器/發(fā)射器子系統(tǒng)一起工作；而且它們還必須作為將一切聯(lián)系在一起的完整環(huán)節(jié)發(fā)揮作用。

"這迫使我們作為教學顧問，也迫使我們的學生有一個廣闊的視野。我認為它培養(yǎng)出的學生有足夠的能力走出去，在行業(yè)中大顯身手，當然，他們都將熟悉使之成為可能的格芯技術，"Schow說。

展望未來

Buckwalter說，“與毫米波電子器件集成的硅光子學將在未來的許多領域發(fā)揮越來越重要的作用。一個是毫米波無線通信向200GHz-300GHz及以上頻率的無情邁進。在毫米波頻譜的上游與紅外和可見光的波長之間存在著一道鴻溝。” 他說："硅光子學將在這里發(fā)揮非常重要的作用，因為在這些頻率下的損耗變得如此之大，需要將光子學和電子學結(jié)合起來，作為一種低損耗的方式來發(fā)送信息?！?/p>

"雖然毫米波支持的光子學將有很多有趣的應用，但它也將反過來發(fā)揮作用，光子學使毫米波成為可能。例如，對于未來的蜂窩網(wǎng)絡，我們將需要在極寬的帶寬上顯示出越來越高的動態(tài)范圍，而單靠電子學是無法滿足這些挑戰(zhàn)的，" Buckwalter說。

Schow說，”電子學和光子學的整合是不可避免的，無論是混合型的整合，即東西彼此靠近并密集地封裝在一起，還是單片式的方法?，F(xiàn)有的做事方式永遠不會消逝，但我認為我們現(xiàn)在正看到這種情況的出現(xiàn)?！?/p>

審核編輯 ：李倩