加州大學圣巴巴拉分校的研究人員用格芯的 Fotonix挑戰極限

在之前的文章中，我們已經介紹了格芯（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，是對格芯內部研究和開發團隊工作的補充。

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，有可能顛覆許多現有技術。

與格芯Fotonix合作，客戶可以創建創新的光電解決方案，同時利用格芯的300毫米芯片制造工藝的規模和效率，實現創新的封裝解決方案，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，因為在社會數字化轉型的推動下，數據量正在成倍增長。僅僅是基于電子的解決方案無法跟上數據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在系統集成方面邁出了非常大的一步，因為毫米波（mmWave）電路和數字系統首次與光子構件集成在同一塊硅片上。這開辟了許多新的系統和產品選擇，最初是為數據中心開發下一代光互連，最終導致數據中心的分解，"格芯企業研究員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。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學驅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、光學轉換設計或亞波長設計。從本質上講，你決定光需要如何在你的光子系統中傳播以執行所需的功能，然后你創建一系列的數學表達式--類似于神經網絡中的反向傳播--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構的準確性方面取得了良好的進展。"事實上，我們已經到了開始優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，在其核心部分挑戰傳統的光子設計。"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構，只要它符合我們的基本規則，我們就可以建造它。這是一個游戲規則的改變，將打開我們客戶的創意閘門，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："在我的職業生涯中，我已經畢業了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諧激光器創業公司工作過，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，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，但卻是調整電路的關鍵，還有定制移相器以優化性能。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，該項目涉及在數據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據中心的光纜中可以攜帶的數據量。

它涉及到發射器和接收器的數字信號處理，研究人員正在使用格芯 Fotonix進行這項工作。"雖然相干光學已經被用于長距離數據傳輸，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據中心的短距離通信鏈路，以改善網絡架構。” 但是建立完整的相干鏈路子系統真的很困難。他說："在電子方面，你需要非常高效的高擺幅驅動器與光子調制器集成，以產生信令波形，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/發射器子系統一起工作；而且它們還必須作為將一切聯系在一起的完整環節發揮作用。

"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。我認為它培養出的學生有足夠的能力走出去，在行業中大顯身手，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合起來，作為一種低損耗的方式來發送信息。“

"雖然毫米波支持的光子學將有很多有趣的應用，但它也將反過來發揮作用，光子學使毫米波成為可能。例如，對于未來的蜂窩網絡，我們將需要在極寬的帶寬上顯示出越來越高的動態范圍，而單靠電子學是無法滿足這些挑戰的，" 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。現有的做事方式永遠不會消逝，但我認為我們現在正看到這種情況的出現。“

審核編輯 ：李倩