Toward Topology-Optimized Foundry PDKs: A Seeded Design Framework for Multimode Interferometers

In der Welt der modernen Elektronik war der Siliziumchip lange Zeit der Motor des Fortschritts, doch eine neue Grenze eröffnet sich dort, wo Licht statt Elektrizität Informationen trägt. Dieses Feld, bekannt als Silizium-Photonik, zielt darauf ab, Schaltkreise zu bauen, die Licht durch mikroskopisch kleine Kanäle leiten, die in Silizium geätzt sind, ganz ähnlich wie Drähte Elektronen leiten. Diese lichtbasierten Schaltkreise versprechen, Daten schneller und mit weniger Hitze als herkömmliche Elektronik zu bewegen – ein entscheidender Vorteil angesichts unserer wachsenden digitalen Anforderungen. Der Bau dieser Schaltkreise ist jedoch nicht so einfach wie das Zeichnen einer Linie; das Licht muss mit äußerster Präzision aufgeteilt, kombiniert oder umgelenkt werden. Wenn der Pfad auch nur leicht daneben liegt, wird das Signal schwächer oder streut. Jahrzehntelang haben sich Ingenieure auf etablierte mathematische Regeln verlassen, um diese Lichtleiter zu entwerfen und Formen zu kreieren, die zuverlässig und einfach herzustellen sind. Doch diese traditionellen Formen haben Grenzen, da sie oft Leistung liegen lassen, weil sie an die Einfachheit ihrer ursprünglichen Formeln gebunden sind. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, die Leistung höher zu treiben, ohne die Bauteile so komplex zu machen, dass Fabriken sie nicht mehr bauen können.

Ein Forschungsteam am Georgia Institute of Technology hat eine neue Methode entwickelt, um diese Lücke zu schließen, indem es einen Designprozess schafft, der beim Bekannten ansetzt und sich hin zum Optimalen entwickelt. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von lichtteilendem Bauteil, ein Multimode-Interferometer, das als Knotenpunkt fungiert, an dem sich Lichtwellen überlagern und interferieren, um einen gewünschten Ausgang zu erzeugen. Traditionell werden diese Bauteile mithilfe analytischer Modelle entworft – mathematische Beschreibungen darüber, wie sich Licht in einfachen, vorhersehbaren Formen verhält. Während diese Modelle robust und einfach herzustellen sind, können sie nicht immer die absolut beste Leistung finden. Auf der anderen Seite kann eine leistungsstarke Computermethode namens Topologieoptimierung theoretisch die perfekte Form finden, indem sie Millionen von Variationen testet, aber sie erzeugt oft Designs, die für reale Fabriken zu fragil oder zu komplex sind. Die Lösung der Forscher war die Kombination aus beidem: Sie begannen mit einem soliden, fabrikgerechten Design und nutzten dann das leistungsstarke Optimierungswerkzeug, um es zu verfeinern, wodurch sichergestellt wurde, dass das Endergebnis sowohl leistungsstark als auch bereit für die Massenproduktion ist.

Das Team testete diesen Ansatz an drei verschiedenen Arten von lichtverarbeitenden Bauteilen: einem einfachen Splitter, der Licht in zwei Pfade teilt, einem Multiplexer, der verschiedene Lichtmodi kombiniert, und einem Splitter, der Licht basierend auf seiner Polarisation trennt. Für jedes Bauteil erstellten sie zunächst ein Standarddesign unter Verwendung der traditionellen mathematischen Regeln. Dieses initiale Design diente als „Keim“ (Seed), ein funktionierender Ausgangspunkt, der bereits gut funktionierte. Sie speisten diesen Keim dann in ihren Optimierungsprozess ein. Anstatt den Computer mit zufälligen Formen von Grund auf neu beginnen zu lassen, was oft zu Designs führt, die gegen Fertigungsregeln verstoßen, begann der Computer mit dem Keim und nahm kleine, iterative Anpassungen vor. Er glättete scharfe Ecken, passte die Breite der Lichtkanäle an, korrigierte die Abstände zwischen den Teilen und prüfte dabei ständig, ob das Design innerhalb der strengen Grenzen blieb, die eine kommerzielle Fabrik produzieren kann. Dieser Prozess ermöglichte es dem Computer, einen viel größeren Raum an Möglichkeiten zu erkunden und subtile Verbesserungen zu finden, die die ursprünglichen Formeln übersehen hatten.

Die Ergebnisse dieser Methode wurden auf tatsächlichen Chips gemessen, die in einer kommerziellen Foundry gefertigt wurden. Beim einfachen Splitter reduzierte die optimierte Version den Lichtverlust beim Durchgang durch das Bauteil. Während das ursprüngliche Design einen Signalverlust von 0,20 Dezibel aufwies, verzeichnete das neue Design nur noch 0,14 Dezibel Verlust. In der Welt der Lichtübertragung, in der jedes Zehntel-Dezibel zählt, ist dies ein bedeutender Gewinn. Das Team testete auch ein komplexeres Bauteil, das zwei verschiedene Arten von Lichtmodi kombiniert. Hier war die Verbesserung noch dramatischer. Das ursprüngliche Design ließ nur einen Bruchteil des beabsichtigten Lichts passieren, aber die optimierte Version ließ signifikant mehr Licht durch, was die Übertragung von einem Verlust von 2,79 Dezibel auf 1,01 Dezibel verbesserte. Entscheidend war, dass diese Verbesserungen nicht nur theoretisch waren; sie wurden durch physische Messungen an realen Chips bestätigt, was bewies, dass die Designs robust genug waren, um den Herstellungsprozess zu überstehen.

Über die Entwicklung neuer Bauteile hinaus wandten die Forscher ihre Methode an, um bestehende Designs zu verbessern, die bereits Teil von Standard-Kommerz-Toolkits sind, die von Ingenieuren verwendet werden. Sie nahmen einen Standard-Splitter und einen komplexeren Vier-Port-Splitter, die von einer großen Foundry bereitgestellt werden, und ließen sie durch ihre Optimierungspipeline laufen. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst diese etablierten, zuverlässigen Designs verbessert werden konnten. Der optimierte Vier-Port-Splitter beispielsweise teilte das Licht gleichmäßiger zwischen seinen Ausgängen auf, wobei er von einem Verhältnis von 0,524 auf nahezu perfekte 0,506 stieg. Darüber hinaus simulierten das Team, was passieren würde, wenn der Herstellungsprozess leicht variiert, etwa wenn die Ätzung des Siliziums ein klein wenig zu tief oder zu flach ist. Die optimierten Designs hielten sich besser als die Originale und behielten ihre Leistung auch unter diesen unvollkommenen Bedingungen bei. Dies deutet darauf hin, dass die neue Methode nicht nur zusätzliche Leistung herauspresst, sondern die Bauteile auch unempfindlicher gegenüber den unvermeidlichen kleinen Fehlern macht, die in jeder Fabrik auftreten.

Die Arbeit zeigt, dass der beste Weg für fortgeschrittenes photonisches Design nicht darin besteht, die zuverlässigen, gut verstandenen Methoden der Vergangenheit aufzugeben, sondern sie als Fundament für eine anspruchsvollere Optimierung zu nutzen. Indem sie mit einem Design begannen, von dem bekannt ist, dass es funktioniert, und es dann verfeinerten, umgingen die Forscher die Fallstricke des Versuchs, völlig neue Formen von Grund auf zu erfinden, was oft zu unbaubaren Designs führt. Ihr Ansatz bietet einen praktischen Weg, um die Vorteile des fortschrittlichen computergestützten Designs in die kommerziellen Chips zu integrieren, die die Technologien der Zukunft antreiben werden. Während das Team diese Methoden weiter verfeinert, blickt es auf noch größere und komplexere Bauteile, mit dem Ziel, die volle Kraft des inversen Designs auf die Standardkomponenten anzuwenden, auf die sich Ingenieure jeden Tag verlassen. Das Ziel ist eine Zukunft, in der die effizientesten lichtleitenden Strukturen nicht nur theoretische Möglichkeiten sind, sondern Standardteile, die in den Toolkits von Chipdesignern überall zur Verfügung stehen.