CN114371553A - 用于产生光栅耦合器的物理布局的方法 - Google Patents

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CN114371553A CN202110400326.3A CN202110400326A CN114371553A CN 114371553 A CN114371553 A CN 114371553A CN 202110400326 A CN202110400326 A CN 202110400326A CN 114371553 A CN114371553 A CN 114371553A
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Abstract

一种用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法及系统。在一些实施例中，所述方法进行以下操作：接收参数化波长、参数化第一折射率、参数化第二折射率、参数化锥形长度、参数化宽度、参数化光栅长度、以及入射到光栅耦合器上的光束的参数化入射角并且基于所接收的参数化输入来产生光栅耦合器的物理布局，所述产生物理布局是根据预定的模型进行；以及输出光栅耦合器的物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。

Description

用于产生光栅耦合器的物理布局的方法
技术领域
本发明实施例涉及一种用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法。
背景技术
光子集成是未来光学通信技术发展的关键技术。光学构建元件(opticalbuilding element)的按比例缩小能够实现成本效益、复杂且超紧凑的光子电路(即，包括形成在衬底上或衬底中的集成光学组件且通过平面波导(planar waveguide)内连的芯片)。通常期望能够将由这种平面波导传导的信号光学耦合到集成芯片中或耦合出集成芯片，例如从光学纤维耦合出来或耦合到光学纤维中。
这些平面波导是有利的，因为它们可被紧凑地结合在平面平台(即，半导体衬底)中或所述平面平台上，以形成类似于集成电路(integrated circuit，IC)的平面封装。采用类似于安装在衬底中或衬底上的半导体电子IC中的导体迹线的平面波导用于将光引导至芯片上的各种光学、电光学、及光电器件或组件。
在许多应用中，期望通过将平面波导结构传输的光学信号光学耦合到集成光学芯片中或耦合出集成光学芯片。一种可能的解决方案是光栅耦合器，光栅耦合器是将光耦合出芯片(例如，到达自由空间或光学纤维)的周期性结构。在集成硅光子电路中，设计者在制作之前对光学元件(例如光栅耦合器)的几何结构进行布局。
电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)工具及方法常常用于在半导体晶片上设计及放置硅光子启用(silicon photonically-enabled)的集成电路。这使得硅光子电路的EDA工具设计者能够为具有数十亿个组件的极其复杂的集成电路创建一步到位的设计。在许多应用中，硅光子启用的集成电路的光学元件的布局几何形状可能是基于反射、耦合效率、通信带宽、通信信道、调制方案、锥形角(taper angle)及宽度等。然而，提供光学元件的布局几何形状的当前方法及系统未能针对各种设计特性进行优化。此外，用于产生光学元件的布局的当前方法及系统没有提供参数化光学元件布局产生技术，所述参数化光学元件布局产生技术可使用各种脚本语言(例如SKILL、Ample、STP、Python或Tcl)来定义。事实上，当前的方法仅仅提供了针对特定设计特性(例如，低反射率)优化的光学元件的复杂弯曲形状的数据库。
因此，需要一种可扩展的系统及方法，以基于期望的设计特性产生自动化及参数化的光学元件(Parameterized Cell，PCell))。具体来说，需要一种可扩展的系统及方法以在光学光栅耦合器中产生参数化的弯曲图案。
在背景技术部分中公开的信息仅旨在为以下阐述的本发明的各种实施例提供上下文，且因此本背景部分可包括未必是现有技术信息(即，所属领域中的一般技术人员已知的信息)的信息。因此，在本背景技术部分中阐述当前命名的发明人的工作的范围内，所述工作以及在提出申请时可能不符合现有技术的说明的方面既不明确也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。
发明内容
本发明实施例提供一种用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，包括：接收光子启用的集成电路设计；接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
本发明实施例提供一种存储指令的非暂时性机器可读介质，所述指令在由处理器执行时实行用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，所述方法包括：接收光子启用的集成电路设计；接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
本发明实施例提供一种集成电路设计系统，包括：计算机，具有处理器及存储器；软件应用，由所述处理器运行，并且驻留在所述存储器中；所述软件应用包括多个软件模块，所述多个软件模块包括：放置及布线模块，被配置成接收光子启用的集成电路设计且将所接收的所述光子启用的集成电路设计的光栅耦合器放置在半导体衬底上的分配位置中；物理布局产生模块，耦合到预定的布局模型且被配置成：接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角、以及所述预定的布局模型来产生所述光栅耦合器的物理布局；以及布线模块，被配置成输出所述光子启用的集成电路设计的物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
附图说明
以下参照下面各图来详细阐述本公开的各种示例性实施例。提供图式仅是为了例示的目的，并且仅绘示本公开的示例性实施例，以有利于读者理解本公开。因此，不应将图式视为对本公开的宽度、范围或适用性的限制。应注意，为了清楚及易于例示起见，这些图式未必按比例绘制。
图1是示出根据一些实施例的示例性光学收发器的示意图。
图2A示出根据一些实施例的集成在光子启用的集成电路中的单偏振光栅耦合器(single polarization grating coupler，SPGC)的顶部布局图，所述光子启用的集成电路在集成光学芯片上的平面波导与光学纤维之间耦合光。
图2B示出根据一些实施例的在其中散射横截面宽度发生变化的情况下的光栅总成的俯视图。
图3A是根据一些实施例的二维(two-dimensional，2D)偏振分束光栅耦合器(2Dpolarization splitting grating coupler)的俯视图，所述2D偏振分束光栅耦合器同时耦合平面外(out-of-plane)光束的两个偏振分量与两个集成波导。
图3B示出光栅耦合器的多个光栅元件的俯视图。
图4A是根据一些实施例的单偏振光栅耦合器的示意性剖视图。
图4B示出根据一些实施例的具有锥形长度、宽度及光栅长度的光栅总成的俯视图。
图5A示出根据一些实施例的2D光栅元件的结构。
图5B示出根据一些实施例的确定2D光栅耦合器的结构的交叉椭圆的交点。
图6示出根据一些实施例的用于基于所接收的参数自动产生光栅耦合器的物理布局的方法的流程图。
图7示出根据又一些实施例的用于基于所接收的参数自动产生光栅耦合器的物理布局的方法的流程图。
具体实施方式
以下参照附图来阐述本公开的各种示例性实施例，以使所属领域中的一般技术人员能够制作及使用本公开。对于所属领域中的一般技术人员来说将显而易见的是，在阅读本公开之后，在不背离本公开的范围的条件下，可对本文阐述的实例进行各种改变或修改。因此，本公开不限于本文阐述及示出的示例性实施例及应用。另外，在本文中公开的方法中步骤的特定次序和/或层次仅是示例性方式。基于设计偏好，所公开的方法或工艺的步骤的特定次序或层次可在保持在本公开的范围内的同时被重新布置。因此，所属领域中的一般技术人员将理解，除非另有明确说明，否则本文公开的方法及技术以样本次序呈现各种步骤或动作，且本公开不限于所呈现的特定次序或层次。
如图1中所示，示例性光学收发器100可包括光学调制器117、监视器光电二极管113、以及光学光栅耦合器115及121。示例性光学收发器100可还包括包含放大器105及123、模拟到数位转换器电路111、数位控制电路101、光电二极管107以及控制区段109的电气装置及电路。举例来说，放大器105及123可包括跨阻及限制放大器(transimpedance andlimiting amplifier，TIA/LA)。在一些实施例中，示例性光学收发器100可还包括具有激光总成的光子管芯103。在一些实施例中，激光总成可包括一个或多个半导体激光器131、透镜、用于导引一个或多个连续波(continuous-wave，CW)光学信号的旋转器、以及一个或多个激光驱动器129。
在又一些实施例中，示例性光学收发器100可包括耦合器137及分光器133，耦合器137被配置成从激光器131接收光学信号，分光器133被配置成将光学信号分成四个大致相等的功率的光学信号。在各种实施例中，可通过光学波导将分束功率信号从分光器133传输到光学调制器117。在一些实施例中，分光器133可耦合到至少一个输入波导137及至少四个输出波导102。在一些实施例中，分光器133可包括低损耗Y结功率分配器。在一些实施例中，所述至少一个输入波导137可包括单偏振光栅耦合器(single polarization gratingcoupler，SPGC)。
在一些实施例中，光学调制器117可包括例如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)或环形调制器，并且使得能够调制连续波(CW)激光输入信号。光学调制器117可还包括高速及低速相位调制区段，并且由控制区段109控制。在一些实施例中，每一个光学调制器117的输出中的至少一者可经由光栅耦合器115光学耦合到例如光学纤维等光学输出120。在一些实施例中，光栅耦合器115可包括单偏振光栅耦合器(SPGC)。光学调制器117的其他输出可光学耦合到监视器光电二极管113，监视器光电二极管113被配置成提供从光学调制器117的输出到控制区段109的反馈路径。
此外，示例性光学收发器100可还利用光栅耦合器121从光学输入119接收光学信号。在其它实施例中，光栅耦合器121可包括单偏振光栅耦合器(SPGC)和/或偏振分束光栅耦合器(polarization splitting grating coupler，PSGC)。在其中利用PSGC的情况下，可利用两个输入或输出波导。
在一些实施例中，示例性光学收发器100采用光电二极管107，光电二极管107可利用直接沉积在硅上的外延锗/SiGe膜来实施。在其它实施例中，光电二极管107可包括例如高速异质结光电晶体管(high-speed heterojunction phototransistor)，并且可包含在集电极及基极区中的锗(Ge)，以在1.3μm到1.6μm光学波长范围内吸收，并且可集成在互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶片上。光电二极管107可被配置成将从PSGC121接收到的光学信号转换成电信号，所述电信号被传送到接收器(receiver，Rx)123，接收器(Rx)123可被配置成结合数据流，并且对所接收的光学信号进行解编(demultiplex)。此外，所接收的光学信号可例如被跨阻放大器125放大，并且随后被传送到小形状因素可插拔(small form-factor pluggable，SFP)接口电路系统127。
在一些实施例中，示例性光学收发器100可还包括数位控制电路101，所述数位控制电路101耦合到串行接口135且配置成通过串行接口135传送所接收的光学数据。
如图1中所示，光学收发器100的光栅耦合器115及121使得光能够耦合到包括光学收发器100的集成电路中及耦合出所述集成电路。在一些实施例中，可在光子启用的集成电路的布线及布局期间将光栅耦合器115及121的几何参数参数化并基于性能指标将光栅耦合器115及121的几何参数优化。
同样地，图2A示出集成在光子启用的集成电路中的单偏振光栅耦合器(SPGC)的顶部布局图。在一些实施例中，光学收发器100的传输或接收光学路径可包括光学波导202，光学波导202具有连接到光学波导202的两侧的第一光栅耦合器201及第二光栅耦合器203。所述两个光栅耦合器201及203也可被称为光栅耦合器对。在一些实施例中，第一光栅耦合器201可被配置用于横电波模(transverse electric mode，TE mode)，且第二光栅耦合器203可被配置用于横磁波模(transverse magnetic mode，TM mode)。
图2A还示出第一光栅耦合器201或第二光栅耦合器203中的一者的光栅总成的俯视图205，所述光栅总成具有扩口端(flared end)及多个细长散射元件(即，划线(rulings)或格栅(grate)207)，所述划线或格栅207被配置成将波前(wavefront)从小尺寸的平面波变换成大尺寸的平面波或反之亦然。在一些优选实施例中，这些散射元件207可被造型成椭圆形，以辅助上述变换。在一些实施例中，如图2A中所示，这些细长散射元件或格栅207的一部分被分段。
图2B示出根据一些实施例的在其中散射截面宽度发生变化的情况下的光栅总成205的俯视图。在一些实施例中，可将光栅总成205的尺寸211参数化，以在光栅耦合器与光学纤维之间产生波前，光学纤维具有光学纤维的尺寸兼容的强度分布。在一些实施例中，细长散射元件或格栅207可具有逐渐增大或减小的宽度。在一些实施例中，可将格栅207的渐进宽度参数化。此外，还可将光栅总成205的长度209参数化。这样一来，可选择尺寸211(重量)、格栅207的逐渐变化的宽度、及光栅总成205的长度209作为要变化的参数，以实现光栅耦合器的期望几何形状，从而产生最佳性能指标。
尽管图2A及图2B中所示的一维(one-dimensional，1D)SPGC可实现接近1(nearunity)的效率，但SPGC适用于单波偏振。在一些实施例中，二维正交定位的PSGC可从光学输入纤维119接收两个偏振。
图3A示出根据一些实施例的2D光栅耦合器303的顶部布局图，所述2D光栅耦合器303同时耦合光束的两个偏振分量与两个集成波导。在一些实施例中，所述两个集成波导(第一集成波导301及第二集成波导305)可为在集成电路上制作的平面硅波导。在一些实施例中，2D光栅耦合器303的结构可从所接收的光学信号分离两个偏振(例如TE及TM)，并将每一偏振转发到第一波导301及第二波导305中。在一些实施例中，示例性光学收发器100可包括多个2D光栅耦合器，所述多个2D光栅耦合器具有布线在示例性光学收发器100的集成电路上的一对相应的波导。在又一些实施例中，可在相应的波导中单独处理所接收的光束的偏振中的每一者。
在一实施例中，平面外光束可以相对于光栅耦合器表面的法线以预定入射角(例如，15°)指向2D光栅耦合器303。在一些实施例中，入射光束可包括两个正交的线性偏振分量。2D光栅耦合器303可包括2D光栅元件307，所述2D光栅元件307被配置成将正交偏振分量分离并且具有八角孔的阵列309(或者作为另一种选择，柱的阵列(未示出))。在一些实施例中，可使用矩形孔或柱的阵列，因为矩形孔或柱与八角形孔相比更难使用光学光刻来制作。在一实施例中，2D光栅元件307可形成在一对一维SPGC的相交处。在其他实施例中，可将阵列309中的八角孔的周期参数化，且因此基于期望应用的性能矩阵将所述周期优化。此外，在一些实施例中，可将2D光栅元件307的周长及几何形状参数化且基于期望应用的性能矩阵将2D光栅元件307的周长及几何形状优化。
在一些实施例中，可将形成2D光栅耦合器303的一维SPGC的锥形角参数化且基于期望应用的性能矩阵选择所述锥形角。举例来说，如图3B中所示，可将光栅耦合器的锥形角311及313参数化。在一些实施例中，可使用光栅耦合器的宽度211和/或长度209将锥形角参数化。
在一些实施例中，为了减少2D光栅耦合器的偏振相关损耗(polarizationdependent loss，PDL)，可如图3B中所示使用类金刚石光栅晶格(diamond-like gratinglattice)315。在此实施例中，光栅单元包括彼此正交的交叉椭圆。在一些实施例中，可将交叉椭圆的尺寸、数目及垂直布置参数化且基于期望应用的性能矩阵选择交叉椭圆的尺寸、数目及垂直布置。
图4A是1D光栅耦合器400的示意性剖视图，所述1D光栅耦合器400耦合平面外光束的单个偏振分量与波导偏振模式。在一些实施例中，1D光栅耦合器400可包括衬底411。在一些实施例中，衬底411可为用于制作集成电路的硅(Si)衬底。在实施例中，集成波导401可形成在衬底411上，并且可被形成在集成波导401上的包覆层(cladding layer)402环绕。在一些实施例中，包覆层402可由SiO2形成。在其他实施例中，包含集成波导401的核心区可具有折射率neff而包覆层402可具有折射率ncladding。包含集成波导401的核心区的折射率可大于包覆层402的折射率。
在一实施例中，所公开的1D光栅耦合器400可包括多个光栅元件403。在一些实施例中，所述多个光栅元件403可被配置成耦合平面外的所接收或传输的光束405与集成波导401。在一实施例中，平面外的光束405可通过自由空间传播和/或光学纤维与所述多个光栅元件403耦合。在一些实施例中，可将所述多个光栅元件403的横截面宽度参数化且基于期望应用的性能矩阵选择所述多个光栅元件403的横截面宽度。如图4A中所示，平面外光束可以入射角θ407入射且可根据周期409将所述多个光栅元件403分离。在一些实施例中，周期409可发生变化且可基于期望应用的性能矩阵选择周期409。
在一些实施例中，入射在光栅元件403上的平面外光束可在以下情况下与对应的波导401耦合：
Figure BDA0003020171140000071
其中ncladding是包覆层402的折射率，θ是入射角407，neff是集成波导401的折射率，λ是入射的平面外光束的波长，a是光栅周期409，且m是代表衍射阶(diffraction order)的整数(对于1D光栅耦合器等于1)。在一些实施例中，所述多个光栅元件403的一个或多个结构参数(例如周期409或光栅元件403的宽度)的过程变化可产生偏移neff。继而，偏移neff可能导致平面外光束与集成波导401之间的耦合失配。在一些实施例中，所述多个光栅元件403可具有基于期望应用的性能矩阵选择的参数化周期和/或宽度。在一些实施例中，可基于参数化周期和/或宽度来产生1D光栅耦合器400的物理布局的参数化变体。在一些实施例中，可基于周期和/或宽度的参数化值来产生1D光栅耦合器400的各种物理布局实例/变体。
将1D光栅耦合器400的物理布局参数化的一个示例性优点是会减少代表设计数据所需的存储器资源。此外，将1D光栅耦合器400的物理布局参数化能够有效地减少布局时间。
在一个实施例中，如图4B中所示，1D光栅耦合器400可具有锥形长度409、宽度411、及光栅长度413。在一些实施例中，可将锥形长度409、宽度411、光栅长度413参数化，以根据方程式(1)将模式匹配优化。在其它实施例中，可将格栅415之间的周期或空间参数化，以根据方程式(1)将模式匹配优化。
在一些实施例中，格栅415包括多个弯曲的细长散射元件，所述多个弯曲的细长散射元件可以是弯曲的，使得穿行过波导的TE偏振模式或TM偏振模式的平面波前可根据方程式(1)进行相位匹配到位于入射角θ407处的光学纤维。在其他实施例中，细长散射元件可被造型成至少局部为椭圆形、至少局部为卵形，或者具有其他形状，例如(举例来说)双曲线形状、抛物线形状、或任何二阶(或更高阶)函数。在又一些实施例中，可将散射元件的曲率参数化，以根据方程式(1)将模式匹配优化。
图5A示出2D光栅元件307的示意性结构。在一些实施例中，光栅孔或电极501由两个交叉椭圆507及509(图5B)产生，所述两个椭圆507及509在交叉点511(图5B)处交叉。在又一些实施例中，所述两个交叉椭圆507及509(图5B)彼此正交。这种类型的结构有助于改善2D光栅耦合器303的PDL。此外，光栅孔或电极501的类金刚石晶格在水平方向505上可为近似10μm且在垂直方向503上可为近似40μm。
在一些实施例中，正交椭圆507及509可根据以下方程式(2)及(3)产牛
Figure BDA0003020171140000081
Figure BDA0003020171140000082
其中原点是焦点，q1(q1＝1、2、3、...)是椭圆509的整数，且q2(q2＝1、2、3、...)是椭圆507的整数，ncladding是包覆层的折射率，且neff是2D光栅耦合器的折射率，θ是平面外光束的入射角(例如，光学纤维相对于光栅表面形成θ＝12°角)，且Δ是垂直偏移。由于neff可能因工艺变化而无法被精确评估，因此可将Δ垂直偏移参数参数化，以确定光栅孔或电极501的类金刚石晶格的最佳几何形状及尺寸。使用所述两个交叉椭圆来产生2D光栅元件307的物理布局的一个示例性优点是减少集成光学芯片上的物理足迹(physical footprint)，而参数化的垂直偏移还可允许产生任何曲线图案(例如，圆、椭圆或任何二阶曲线)，从而减少物理布局时间。
图6示出根据一些实施例的用于基于所接收的参数自动产生光栅耦合器的物理布局的方法的流程图。在操作601处，可接收IC设计。在一些实施例中，IC设计可包括阐述现有IC设计的源门级网表(source gate-level netlist)。在一些实施例中，源门级网表可为通过寄存器传输级(Register Transfer Level，RTL)编译器合成工具从RTL源代码合成的文本文件。在又一些实施例中，源门级网表可包括代表IC设计的分层或平的门级网表。此外，源门级网表可包括组件及对它们使用网络互连的说明。此外，组件源门级网表可简化为组合逻辑门或顺序逻辑门，或者它们可为较低级的分层块。在一些实施例中，源门级网表可被解析成数据结构，例如有向图(directed graph)(其中图的顶点用作解析的标准单元或参数化单元(Pcell))及有向边，所述有向边用作解析的标准单元或Pcell的输入及输出。
在操作603处，可接收参数化波长λ，光栅耦合器的折射率neff，包覆层的折射率ncladding、锥形长度、宽度、及光栅长度、以及入射角θ。根据一些实施例，在2D光栅耦合器的情况下，还可接收将正交椭圆的数目参数化的q1及q2整数及垂直Δ偏移参数。
在操作605处，在半导体基板的分配位置中自动放置1D或2D光栅耦合器之后，可产生每一放置的光栅耦合器的布线连接。在一些实施例中，平面波导结构可用来产生进入或离开集成在光子启用的芯片中的光栅耦合器的布线连接。
在操作607处，在产生每一放置的光栅耦合器的布线连接之后，可基于所接收的参数化波长λ、光栅耦合器的折射率neff、包覆层的折射率ncladding、锥形长度409、宽度411、及光栅长度413、以及入射角θ407来产生并输出光栅耦合器的物理布局。根据一些实施例，在2D光栅耦合器的情况下，可基于将正交椭圆的数目参数化的q1及q2整数及垂直Δ偏移参数来产生光栅孔或电极501的类金刚石晶格的物理布局。在一些实施例中，可根据方程式(1)、(2)及(3)来产生参数化光栅耦合器的物理布局的尺寸。在又一些实施例中，可根据任何其他预定的模型来产生参数化光栅耦合器的物理布局的尺寸。
图7示出根据一些实施例的用于基于以Python或Skill脚本阐述的所选参数及布局模型自动产生光栅耦合器的物理布局的方法的流程图。在操作701处，可以Python或Skill脚本来阐述1D或2D光栅耦合器的布局的预定的模型。在一些实施例中，可通过以Python或Skill脚本阐述的方程式(1)、(2)或(3)给出预定的布局模型。
在操作703处，可选择波长λ、光栅耦合器的折射率neff及包覆层的折射率ncladding。在一些实施例中，可从输入文件或图形用户界面(graphical user interface，GUI)选择波长λ、光栅耦合器的折射率neff及包覆层的折射率ncladding。
在操作705处，可选择由起点及终点规定的光栅长度。在一些实施例中，可从输入文件或图形用户界面(GUI)选择起点及终点。
在操作707处，可选择光栅耦合器的锥形角。在一些实施例中，可选择确定锥形角的锥形长度及锥形宽度。在一些实施例中，可从输入文件或图形用户界面(GUI)选择锥形角或锥形长度及锥形宽度。
在操作709处，可选择光学纤维与光栅耦合器形成的入射角θ。在一些实施例中，可从输入文件或图形用户界面(GUI)选择入射角θ。
在操作711处，可产生每一放置的光栅耦合器的布线连接。在一些实施例中，平面波导结构可用来产生进入或离开集成在光子启用的芯片中的光栅耦合器的布线连接。
在操作713处，在成功编译阐述GC布局模型的Python或Skill脚本之后，可基于所选参数来产生并输出光栅耦合器的物理布局。在一些实施例中，如果Python或Skill脚本没有成功编译或者是所产生的物理布局违反设计规则检查(design rule check，DRC)，则否(NO)分支被带到操作701。如果Python或Skill脚本编译成功或者是所产生的物理布局通过了设计规则检查(DRC)，则图7中所示的处理将终止。如果采用否分支，则可修改GC布局模型及所选参数以通过DRC。
光栅耦合器的所产生的物理布局可用于使用半导体制作工艺来完成及制造光子启用的集成电路。可使用常常被称为“几何形状(geometry)”的物理布局来产生集成电路工具，所述集成电路工具是一系列掩模，所述掩模各自代表集成电路的层。制造商然后使用所述工具来制作光子启用的集成电路。
尽管以上已阐述了本公开的各种实施例，然而应理解，所述实施例仅以举例方式而非限制方式呈现。同样，各个图可绘示示例性架构或配置，提供所述示例性架构或配置是为了使所属领域中的一般技术人员能够理解本公开的示例性特征及功能。然而，所属领域中的一般技术人员应理解，本公开并非仅限于所示出的示例性架构或配置，而是可使用各种替代架构及配置来实施。另外，如所属领域中的一般技术人员应理解，一个实施例的一个或多个特征可与本文中所述的另一实施例的一个或多个特征进行组合。因此，本公开的广度及范围不应受上述示例性实施例中的任一示例性实施例限制。
还应理解，本文中每当使用例如“第一”、“第二”等称谓来提及元件时均不是笼统地限制所述元件的数量或次序。而是，本文中使用这些称谓作为区分两个或更多个元件或区分元件的实例的便捷手段。因此，提及“第一元件”及“第二元件”并不意味着仅可采用两个元件或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。
另外，所属领域中的一般技术人员应理解，可使用各种不同的技术及技法中的任意者来表示信息及信号。举例来说，数据、指令、命令、信息、信号、位及符号(举例来说，在以上说明中可能提及的)可由电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光学场或光学粒子或其任意组合来表示。
所属领域中的一般技术人员还应理解，结合本文所公开的各个方面阐述的各种例示性逻辑区块、模块、处理器、构件、电路、方法及功能中的任意者可由电子硬件(例如，数位实施形式、模拟实施形式或两者的组合)、韧件、包含指令的各种形式的程序或设计代码(为方便起见，在本文中可被称为“软件”或“软件模块”)或这些技法的任意组合来实施。
为清楚地例示硬件、韧件及软件的此种可互换性，以上已对各种例示性组件、区块、模块、电路及步骤在其功能方面进行了大体阐述。此种功能是被实施为硬件、韧件还是软件、抑或被实施为这些技法的组合取决于具体应用及施加于整个系统的设计约束条件。所属领域中的技术人员可针对每一具体应用以各种方式实施所阐述的功能，但此种实施方式决策不会导致背离本公开的范围。根据各种实施例，处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块等可被配置成实行本文中所述的功能中的一个或多个功能。本文中针对规定操作或功能使用的用语“被配置成”或“被配置用于”是指处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块、信号等被实体构造成、编程成、布置成和/或格式化成实行规定操作或功能。
此外，所属领域中的一般技术人员应理解，本文中所述的各种例示性逻辑区块、模块、器件、组件及电路可在集成电路(IC)内实施或由集成电路(IC)实行，所述集成电路可包括数位信号处理器(digital signal processor，DSP)、应用专用集成电路(applicationspecific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gatearray，FPGA)或其他可编程逻辑器件、或其任意组合。逻辑区块、模块及电路可还包括天线和/或收发器，以与网络内或器件内的各种组件进行通信。被编程成实行本文中的功能的处理器将变成专门编程的或专用的处理器，且可被实施成计算器件的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核的结合、或者实行本文中所述的功能的任何其他合适的配置。
如果以软件的形式实施，则所述功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。因此，本文中所公开的方法或算法的步骤可被实施成存储在计算机可读介质上的软件。计算机可读介质包括计算机存储介质及通信介质二者，包括可能够将计算机程序或代码从一个地方传递到另一地方的任何介质。存储介质可为可由计算机存取的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-onlymemory，EEPROM)、只读光盘(compact disk-ROM，CD-ROM)或其他光盘存储器件、磁盘存储器件或其他磁性存储器件、或者可用于以指令或数据结构的形式存储所期望的程序代码且可由计算机存取的任何其他介质。
在本文件中，本文使用的用语“模块”是指用于实行本文中所述的相关联的功能的软件、韧件、硬件以及这些元件的任意组合。另外，为便于论述，各种模块被阐述为离散模块；然而，对于所属领域中的一般技术人员来说显而易见的是，可将两个或更多个模块组合形成单个模块，由所述单个模块实行根据本公开的实施例的相关联的功能。
在一些实施例中，一种用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，包括：接收光子启用的集成电路设计；接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。在一些实施例中，所述光栅耦合器是二维光栅耦合器，所述二维光栅耦合器同时耦合入射的所述光束的两个偏振分量与两个集成波导。在一些实施例中，所述光栅耦合器的所述物理布局包括光栅孔的晶格，所述光栅孔的所述晶格是由在垂直方向上偏移开的两个正交且同心的椭圆的相交产生。在一些实施例中，所述光栅孔的所述晶格的几何形状是由垂直偏移参数及相交椭圆的数目来确定。在一些实施例中，所述光栅耦合器是一维光栅耦合器，所述一维光栅耦合器具有多个光栅元件，所述多个光栅元件根据由所述预定的模型确定的周期分离且被配置成将入射的所述光束与集成波导耦合。
在一些实施例中，一种存储指令的非暂时性机器可读介质，所述指令在由处理器执行时实行用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，所述方法包括：接收光子启用的集成电路设计；接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。在一些实施例中，所述光栅耦合器是二维光栅耦合器，所述二维光栅耦合器同时耦合入射的所述光束的两个偏振分量与两个集成波导。在一些实施例中，所述光栅耦合器的所述物理布局包括光栅孔的晶格，所述光栅孔的所述晶格是由在垂直方向上偏移开的两个正交且同心的椭圆的相交产生。在一些实施例中，所述光栅孔的所述晶格的几何形状是由垂直偏移参数及相交椭圆的数目来确定。在一些实施例中，所述光栅耦合器是一维光栅耦合器，所述一维光栅耦合器具有多个光栅元件，所述多个光栅元件根据由所述预定的模型确定的周期分离且被配置成将入射的所述光束与集成波导耦合。在一些实施例中，所述多个光栅元件被造型成具有逐渐增加的宽度的椭圆形。
在一些实施例中，一种集成电路设计系统，包括：计算机，具有处理器及存储器；软件应用，由所述处理器运行，并且驻留在所述存储器中；所述软件应用包括多个软件模块，所述多个软件模块包括：放置及布线模块，被配置成接收光子启用的集成电路设计且将所接收的所述光子启用的集成电路设计的光栅耦合器放置在半导体衬底上的分配位置中；物理布局产生模块，耦合到预定的布局模型且被配置成：接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角、以及所述预定的布局模型来产生所述光栅耦合器的物理布局；以及布线模块，被配置成输出所述光子启用的集成电路设计的物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。在一些实施例中，所述放置及布线模块还被配置成产生将放置在所述半导体衬底上的所述光栅耦合器连接到光学调制器的连接布线布局。在一些实施例中，所述光栅耦合器是二维光栅耦合器，所述二维光栅耦合器同时耦合入射的所述光束的两个偏振分量与两个集成波导。在一些实施例中，所述光栅耦合器的所述物理布局包括光栅孔的晶格，所述光栅孔的所述晶格是由在垂直方向上偏移开的两个正交且同心的椭圆的相交产生。在一些实施例中，所述物理布局产生模块还被配置成基于垂直偏移参数及相交椭圆的数目来确定所述光栅孔的所述晶格的几何形状。在一些实施例中，所述光栅耦合器是一维光栅耦合器，所述一维光栅耦合器具有多个光栅元件，所述多个光栅元件根据由所述预定的布局模型确定的周期分离且被配置成将入射的所述光束与集成波导耦合。在一些实施例中，所述多个光栅元件被造型成具有逐渐增加的宽度的椭圆形。在一些实施例中，所述光栅孔是八边形的且被配置成将入射的所述光束的正交偏振分量分离。在一些实施例中，所述物理布局产生模块还被配置成接收同心的所述椭圆的参数化曲率。
对本公开中所述的实施方式的各种修改对于所属领域中的技术人员来说将显而易见，且在不背离本公开的范围的条件下，本文中所定义的一般原理也可应用于其他实施方式。因此，本公开并非旨在仅限于本文中所示的实施方式，而是符合与本文所公开新颖特征及原理一致的最宽广范围。

Claims (10)

1.一种用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，包括：
接收光子启用的集成电路设计；
接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；
接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；
产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；
基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及
输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
2.根据权利要求1所述的用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，其中所述光栅耦合器是二维光栅耦合器，所述二维光栅耦合器同时耦合入射的所述光束的两个偏振分量与两个集成波导。
3.根据权利要求2所述的用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，其中所述光栅耦合器的所述物理布局包括光栅孔的晶格，所述光栅孔的所述晶格是由在垂直方向上偏移开的两个正交且同心的椭圆的相交产生。
4.根据权利要求3所述的用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，其中所述光栅孔的所述晶格的几何形状是由垂直偏移参数及相交椭圆的数目来确定。
5.根据权利要求1所述的用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，其中所述光栅耦合器是一维光栅耦合器，所述一维光栅耦合器具有多个光栅元件，所述多个光栅元件根据由所述预定的模型确定的周期分离且被配置成将入射的所述光束与集成波导耦合。
6.一种存储指令的非暂时性机器可读介质，所述指令在由处理器执行时实行用于产生集成在光子启用的电路中的光栅耦合器的物理布局的方法，所述方法包括：
接收光子启用的集成电路设计；
接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；
接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；
产生放置在半导体衬底上的所述光栅耦合器的连接布线布局；
基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角来产生所述光栅耦合器的物理布局，其中所述产生所述物理布局是根据预定的模型进行；以及
输出所述光栅耦合器的所述物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
7.根据权利要求6所述的存储指令的非暂时性机器可读介质，其中所述光栅耦合器是一维光栅耦合器，所述一维光栅耦合器具有多个光栅元件，所述多个光栅元件根据由所述预定的模型确定的周期分离且被配置成将入射的所述光束与集成波导耦合。
8.根据权利要求7所述的存储指令的非暂时性机器可读介质，其中所述多个光栅元件被造型成具有逐渐增加的宽度的椭圆形。
9.一种集成电路设计系统，包括：
计算机，具有处理器及存储器；
软件应用，由所述处理器运行，并且驻留在所述存储器中；
所述软件应用包括多个软件模块，所述多个软件模块包括：
放置及布线模块，被配置成接收光子启用的集成电路设计且将所接收的所述光子启用的集成电路设计的光栅耦合器放置在半导体衬底上的分配位置中；
物理布局产生模块，耦合到预定的布局模型且被配置成：
接收光束的参数化波长、所述光栅耦合器的参数化第一折射率、以及包覆层的参数化第二折射率；
接收所述光栅耦合器的参数化锥形长度、所述光栅耦合器的参数化宽度、所述光栅耦合器的参数化光栅长度、以及所述光束入射到所述光栅耦合器上的参数化入射角；
基于所接收的所述参数化波长、所述参数化第一折射率、所述参数化第二折射率、所述参数化锥形长度、所述参数化宽度、所述参数化光栅长度、及所述参数化入射角、以及所述预定的布局模型来产生所述光栅耦合器的物理布局；以及
布线模块，被配置成输出所述光子启用的集成电路设计的物理布局，以用于在半导体制作工艺下进行制造。
10.根据权利要求9所述的集成电路设计系统，其中所述放置及布线模块还被配置成产生将放置在所述半导体衬底上的所述光栅耦合器连接到光学调制器的连接布线布局。
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