Toward Topology-Optimized Foundry PDKs: A Seeded Design Framework for Multimode Interferometers
本文提出了一种符合代工厂标准的端到端设计框架，该框架将参数优化与种子拓扑优化相结合，通过模拟和在商业工艺上的实验制备验证，显著提升了基于多模干涉仪的光子器件的性能与制造鲁棒性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在现代电子技术的领域中，硅芯片长期以来一直是进步的引擎，但一个新的前沿正在开启，在那里，光而非电负责传递信息。这一被称为硅光子学的领域，旨在构建通过刻蚀在硅片上的微观通道来引导光的电路，就像导线引导电子一样。这些基于光的电路有望比传统的电子设备更快地传输数据，且产生更少的热量，随着我们数字需求的增长，这是一个至关重要的优势。然而，构建这些电路并不像画一条线那么简单；光必须被极其精确地分裂、组合或重定向。如果路径稍有偏差，信号就会减弱或散射。几十年来，工程师们一直依赖既定的数学规则来设计这些光导管，创造出可靠且易于制造的形状。然而，这些传统的形状存在局限性，由于受限于其原始公式的简洁性，往往无法发挥出最佳性能。挑战在于，如何找到一种方法，在不使器件过于复杂以至于工厂无法制造的前提下，进一步提升性能。
佐治亚理工学院的一个研究小组开发了一种新方法来弥补这一差距，创造了一种从已知出发并向最优解演进的设计过程。他们专注于一种特定类型的分光组件——多模干涉仪，它充当了一个光波发生重叠和干涉以产生预期输出的接点。传统上，这些器件是使用解析模型设计的——即描述光在简单、可预测形状中行为的数学描述。虽然这些模型稳健且易于制造，但它们并不总能找到绝对的最佳性能。另一方面，一种名为拓扑优化的强大计算机技术在理论上可以通过测试数百万种变化来找到完美的形状，但它产生的设计往往过于脆弱或复杂，难以在现实世界的工厂中实现制造。研究人员的解决方案是将两者结合起来：他们从一个坚实的、经过工厂验证的设计开始，然后利用强大的优化工具对其进行精炼，从而确保最终结果既具有高性能，又具备大规模生产的准备条件。
该团队在三种不同类型的光处理器件上测试了这种方法：一个将光分成两条路径的简单分路器，一个组合不同光模式的多路复用器，以及一个根据极化分离光的分配器。对于每种器件，他们首先使用传统的数学规则创建一个标准设计。这个初始设计作为一个“种子”，即一个已经运作良好的功能性起点。随后，他们将这个种子输入到优化过程中。由于计算机不是从随机形状开始从头设计（这通常会导致违反制造规则的设计），而是从种子开始进行微小的迭代调整。它平滑了尖锐的角，微调了光通道的宽度，并调整了部件之间的间距，同时始终确保设计保持在商业工厂能够生产的严格限制之内。这一过程允许计算机探索比传统方法更广阔的可能性空间，找到了原始公式所遗漏的细微改进。
该方法的测试结果是在商业代工厂制造的实际芯片上测得的。对于简单的分路器，优化后的版本降低了光通过器件时的损耗。原始设计的信号损耗为 0.20 分贝，而新设计的损耗仅为 0.14 分贝。在光传输领域，每一分贝的增益都至关重要，这是一个显著的提升。团队还测试了一个更复杂的器件，该器件结合了两种不同的光模式。在这里，改进更为显著。原始设计仅允许极小部分的预期光通过，而优化版本让更多的光通过，将传输损耗从 2.79 分贝降低到了 1.01 分贝。至关重要的是，这些改进不仅仅是理论上的；它们通过真实芯片的物理测量得到了证实，证明这些设计足以承受制造过程中的考验。
除了创造新器件外，研究人员还将他们的方法应用于改进已包含在工程师使用的标准商业工具包中的现有设计。他们采用了一个由主要代工厂提供的标准分路器和一个更复杂的多端口分路器，并将其运行在他们的优化流水线中。结果表明，即使是这些成熟、可靠的设计也可以变得更好。例如，优化的四端口分路器在输出端分配光更加均匀，将比例从 0.524 提升到了接近完美的 0.506。此外，团队还模拟了当制造过程发生轻微变化时会发生什么，例如硅的刻蚀稍微过深或过浅。优化后的设计比原始设计表现得更稳健，即使在这些不完美的情况下也能保持性能。这表明，新方法不仅挤出了额外的性能，还使器件对工厂中不可避免的小误差更具容错性。
这项工作表明，先进光子设计的最佳途径不是放弃过去那些可靠且被广泛理解的方法，而是将它们作为更高级优化的基础。通过从一个已知有效的设计开始并对其进行精炼，研究人员避免了试图从零开始发明全新形状的陷阱，而后者往往会导致无法制造的设计。他们的方法提供了一条将先进计算机辅助设计带来的好处融入商业芯片的实用路径，这些芯片将驱动未来的技术。随着团队继续完善这些方法，他们正看向更大、更复杂的器件，旨在将逆向设计的全部力量引入工程师日常赖以生存的标准组件中。目标是实现这样一个未来：最高效的光引导结构不再仅仅是理论上的可能性，而是成为芯片设计师工具包中的标准部件。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。