ANSYS 部落格
March 28, 2024
Spark Photonics 和 Ansys 塑造光子技術領域的領導者與學習者
如果想要在蓬勃發展的領域中學習或展開職涯，光積體電路可能正是適合您的道路。這個領域正強勁成長：近期預測顯示全球光子積體電路 (PIC) 市場將在 2028 年達到 $304 億美元，預期年複合成長率會在 2023 年至 2028 年之間達到 19.6%。
光子領域涉及光粒子 (光子) 的物理科學和應用，光粒子構成了許多光學應用的基礎，包括高速資料通訊、影像和進階感測等。而光積體電路則是基本上已小型化並整合至晶片表面的光子。
電場監控器
光積體電路的尺寸通常以微米為單位，一微米為千分之一公釐。做個比擬來幫助您能更有概念， 您的指甲每月平均會生長 3 到 3.5 公釐。因此，這種技術能夠將數千個光子裝置放在指甲尖端上。
可以想見，要設計肉眼不可見的光子裝置，本質上相當複雜。這時就需要高度專業和模擬技術的幫助。
透過模擬技術細分為微米
那麼，要如何成功地以微米的規模設計出光子裝置呢？Spark Photonics 可以提供解方。透過光子積體電路 (PIC) 設計軟體和專業知識，Spark Photonics提供一站式可擴充光子設計。他們仰賴 Ansys Startup Program 和 Ansys 模擬軟體的支援，如此不但可最佳化設計，更能訓練技能純熟專業人員，協助未來創新。
「我們為客戶進行端對端 PIC 設計和佈局，並且是從最基本的元件開始，這就是 Ansys 能派上用場的時候。」Spark Photonics 執行長 Kevin McComber 表示。「我們需要進行模擬迭代和想出嶄新元件，然後讓這些元件一路進入佈局階段，此時電路會被簡化為藍圖，並傳送至晶圓廠進行製造。Ansys Lumerical 也可搭配我們的佈局軟體無縫運作，因此這是絕佳的端對端設計流程。」
在 Ansys Lumerical EME 中進行 1x2 多模干涉 (MMI) 模擬。EME 方法可用於對引導式光學元件 (波導) 建模。
最終多模干涉設計
根據 McComber 的說法，現在趨勢確實有將光積體電路擴展到其他領域並開發新應用，而這對企業來說是好事。然而，在缺乏合適軟體的情況下，以微米等級生產的複雜性，讓成長成為一大挑戰。
「我們目前正在打造可能有數千種元件，這些零件大小都無法用肉眼驗證。」Spark Photonics 的光子設計工程師 Cooper Hurley 表示。「我們設計的這些元件除了必須執行特定工作外，還必須在不同波長的光線下運作。模擬技術可協助我們虛擬化並建立結構，接著在軟體內建立訊號，以元件規模來模擬裝置效能。」
Spark Photonics 的工作非常精確，其中採用多個 Ansys 工具和求解器，以加速進行設計迭代。接著，團隊會用產出的元件在極為特定的波長或光線頻率下運作，並根據特定情況進行調整，以符合客戶需求。雖然在不同頻率間轉移元件並讓其運作的程序似乎很簡單，但這是涉及許多設計考量的迭代最佳化程序。
若沒有模擬以及來自 Ansys Startup Program 的支援，利用實體原型進行前述所有測試與迭代就會耗費太多成本。此計畫以實惠的價格提供客製化組合的模擬軟體，讓 Spark Photonics 等早期至中期新創公司，能夠取得所需的工具和求解器來解決複雜的工程挑戰。
舉例來說，Spark Photonics 的工作流程與 Ansys Lumerical Multiphysics 光子元件模擬軟體密切相關。存取 Lumerical Multiphysics 讓團隊可視需要快速在電腦上瀏覽多個迭代，才能夠在決定最終設計之前，幫助做出最佳化設計。
另一方面，製作 PIC 設計的實體原型十分昂貴。某些晶片的每一晶片建置成本可能高達數千美元，取決於各種應用的方式。Lumerical Multiphysics 能幫助讓團隊最佳化，然後以虛擬方式測試其設計，大幅減少進行最終確認與驗證所需的實體原型數量。
Ansys Lumerical FDTD 的光柵耦合器 2D 模擬。光柵耦合器是常用於整合式光子中的光學介面，可用於耦合光。
Ansys Lumerical FDTD 的 2D 光柵耦合器模擬的電源監控器。
目標是讓 AIM 實現光子開發一次成功
Spark Photonics 服務模型的另一個層面是製程設計套件 (PDK) 開發服務。PDK 是一套完整的文件與技術檔案，讓設計師能將設計直接提供給晶圓廠。基本上，PDK 讓設計師能使用特定的晶圓廠技術。
特定 PDK 內有許多項目。例如技術文件，包括使用者必須遵守的設計規則，以及可讓設計工具搭配 PDK 運作的軟體檔案。另外還有預先設計、預先驗證元件的資料庫，且在許多情況下這些元件都已經針對特定應用進行製造和測試。
取得資料庫存取權之後，就能根據一組既有規則將這些現有元件調整至電路中，不需要全部從頭設計。
自 2020 年起，Spark Photonics 即持續為 AIM Photonics 開發 PDK 資料庫；AIM Photonics 是位於紐約上州的整合式光子晶圓廠。AIM Photonics 最近宣布推出第二個 Spark Photonics 資料庫，這次是在 AIM 的氮化矽平台，讓設計師能存取 700-1300 奈米範圍內的波長，以用於化學感測、原子鐘和量子運算等多種應用。
當然，此處的策略是協助 Spark Photonics 和 AIM Photonics 的客戶節省時間和金錢，同時實現光子裝置開發一次成功。
光柵耦合器模擬
「Spark 的 AIM Photonics 元件資料庫主要是使用 Ansys 軟體進行開發，並且也會繼續使用此軟體。」McComber 表示。「我們在資料庫中納入了許多重要裝置，例如分光器、耦合器及波導。使用者可採用這些已設計好的元件並將其整合至較大型的設計中，且在許多情況下這些元件都已經進行製造和測試。因此，與其嘗試自行設計一切，他們只要使用波導連接元件、查看電路的運作情況，然後接著佈局與製造。」
模擬技術培養出天才的光芒
與 Ansys 建立關係後，McComber 得以不超出預算也能解決複雜的設計難題。但這是否能協助打造工作團隊，並納入專門針對光子領域接受訓練的合格技術專業人員？教育和模擬技術是這項努力的關鍵。
對業界人才迫切的需求，促使 McComber 創立了獨立公司 Spark Photonics Foundation。利用美國政府提供的資金，這個 501(c)(3) 非營利組織透過名為 SparkAlpha 的專案型學習計畫，教導 K-12 (中小學) 與大學學生瞭解 STEM (科學、 科技、工程、數學) 的概念，以及使用半導體和光子技術的先進製造概念。Spark Photonics 在 Ansys 的支援之下，促使此計畫擴及到逾 500 名麻薩諸塞州學生。
「此基金會收到了 Ansys 以企業捐款形式提供的資金，以擴展 SparkAlpha 計畫，其中部分將用於訓練教師執行我們的計畫，」McComber 補充說明。
SparkAlpha 計畫讓學生可接觸到整合式電子的應用，包括化學感測與機器視覺等。其中也包括親身前往的旅程與虛擬旅程，前往當地大學與半導體供應鏈公司。最後還有類似「創智贏家」的學生競賽，學生在其中分享自己最好的想法，並接受評估。此外，基金會也推出了 SparkBeta，這個計畫會教導學生編寫 Python 程式碼，以及如何用其設計光子晶片。
SparkAlpha 學生在工業日 (Industry Day) 前往 Governors America Corporation (位於麻薩諸塞州阿加萬) 參觀。
SparkAlpha 學生使用光子感應器合作構思裝置。
Ansys 協助啟發新一代的光子專家
那麼，如何將模擬技術應用在基金會的工作？藉由在不遠的將來把 Ansys 模擬引進教室，SparkAlpha 和 SparkBeta 希望能為學生提供更多深入見解和技能，讓他們能運用在工作上。
Spark Photonics Foundation 教育推廣計畫總監 Robert Vigneau 表示，「從與潛在合作夥伴學校進行的討論中，我們所得到的心得之一就是大家持續對目前的製造工作抱有誤解。」。「我認為模擬能拓展學生對製造的概念。使用 Ansys 模擬器，他們可以獲得全新的觀點。在模擬環境中，他們可透過虛擬方式對產品建模並進行測試，並且將重點放在於先進製造設施中的產品製程。」
瞭解更多關於 Ansys Startup Program。