PIC版图的DRC检查

在集成电路中，DRC(design rule checking)检查是EDA的重要组成部分。顾名思义，也就是检查版图(layout)是否满足Fab的设计规则，避免错误的发生，导致整个电路设计不可以使用，造成巨大的经济与时间损失，影响项目的进展。

与集成电路类似，PIC版图绘制完成后，也需要进行DRC检查。DRC的三个基本类型包括：线宽(width)，间距(spacing), 包含距离(inclusion, 翻译可能不太准确)。这三个类型的示意图如下，

（图片来自文献1）

最小线宽和最小间距比较好理解，也就是版图中图案的最小宽度，以及图案之间的最小距离。对于inclusion, 它指的是位于两个不同层(layer)图案之间的最小距离。两个不同层图案间还存在其他一些关系，不一定是包含关系。

除了这三个设计规则之外，还有些更复杂的规则。例如，波导宽度发生突变，例如在MMI的设计中，taper型波导与多模波导相连，即下图中虚线所示的区域，波导宽度发生突变 。

（图片来https://kb.lumerical.com/）

对于这种宽度突变，DRC检查要能够判断出。至于这种突变是有意为之，还是设计错误，需要设计人员进一步的确认。

上述的这些DRC检查，其处理方式与集成电路的情况类似，由于图案简单，可以通过比较图案的坐标，用较简单的程序实现。PIC版图的难点是对于弯曲形状的DRC检查。与集成电路不同，PIC版图中会有较多的弯曲形状的图形，如下图所示，

（图片来自文献2）

弯曲波导在gds文件中是由非常多的点构成，相邻的点之间构成多边形，如下图所示，

(图片来自http://www.irtnanoelec.fr/wp-content/uploads/2017/11/FGays-Leti.pdf)

一方面，弯曲波导的网格点需要取得足够多，否则图案不是原先设计的弯曲波导结构，就会发生上图中的问题，导致光场不能较好地传输，增加传输损耗。另一方面，由于网格的划分，多边形的宽度可能小于DRC的最小宽度，而实际波导宽度并没有违反DRC规则，如下图所示，弯曲波导的某一个多边形，因为网格的划分，其宽度小于最小线宽，这种问题不能划分为设计错误。

(图片来自文献2)

对于这种情形，在DRC检查的时候，需要对最小宽度，增加一个tolerance，

对于更复杂的图案，人们提出了所谓的equation-based DRC方法，将简单的检查距离方法，扩展至多个维度的检查（不同维度对应图案的不同参数，包括宽度、角度等）。例如，对于taper型波导，其角度的示意图如下，

（图片来自http://www.ece.ust.hk/~eexu/OPTICS2017/Marcel_PhoeniX_OPTICS_2017.pdf）

对应的语句如下，

给出了taper的最小角度和最小线宽。

相比于EIC，PIC的组成器件类型较多，设计规则也比较多, 不同类型的器件设计规则也不太一致。版图完成后，通过人力对图案进行检查，效率非常低，并且仍然有可能存在没有发现的错误。如何通过程序实现自动化的DRC检查，是一个难点。现在一般PIC版图软件的做法是，先定义好不同的mask layer，不同的layer有各自的设计规则。对于某一特定的layer, 往往先对图案形状进行判断分类，如果是规则的矩形，就检查其线宽等参数，而如果是弯曲形状，通过equation-based DRC方法，从多个维度对版图进行检查。虽然复杂度提高了，但是效率提升不少。

设计人员在绘制版图的时候，也需尽量仔细，避免一些不该发生的错误。也许经过一定时间的发展，PIC也可以像EIC一样，实现EDA设计，实现设计任务的细化分工。设计人员只需在逻辑层进行设计，而不需要关心器件级的物理仿真，不需要关心layout的实现。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. L. Chrostowski, M. Hochberg, "Silicon photonics design: from devices to systems"
2. R. Cao, "Silicon Photonics Design Rule Checking: Application of a Programmable Modeling Engine for Non-Manhattan Geometry Verification"