Обычный MMI научили эволюционировать по правилам фотонной фабрики

MMI-делитель выглядит почти скучно: свет входит в расширенный участок кремниевого волновода, возбуждает несколько мод, а их интерференционная картина раскладывает мощность по выходам. Именно эта простота сделала MMI базовым примитивом фотонных PDK. Но гладкая параметрическая форма оставляет запас для локальных изменений контура, которые человек обычно не станет перебирать вручную.

Inverse design давно умеет находить такие изменения. Проблема в том, что результат часто похож на красивый артефакт численного решателя: слишком мелкие зубцы, запрещённые углы, хрупкость к травлению и геометрия, которую невозможно безболезненно провести через фабричный DRC. Работа Jacob M. Hiesener и коллег предлагает другой маршрут. Оптимизация начинает с параметрически настроенного MMI, уже совместимого с технологией, а затем корректирует его форму небольшими шагами.

После каждого короткого участка топологической оптимизации контур размывают, проверяют на правила проектирования, исправляют запрещённые особенности и снова бинаризуют. Поля и градиенты рассчитываются forward/adjoint FDTD в MEEP, обновление геометрии ведёт GCMMA. Так оптимизатору не дают уйти в идеальный, но нефабрикуемый рисунок. Это не косметическая DRC-проверка в финале: производственные ограничения входят в сам цикл поиска.

Авторы изготовили custom-устройства на платформе GF Fotonix с 160-нм SOI и измерили их в O-band. Для 1×2 splitter средние потери в полосе измерения уменьшились с 0.20 до 0.14 дБ. Разницу извлекали cutback-методом по цепочкам из одного—четырёх последовательно включённых MMI, поэтому речь идёт именно о потерях примитива, а не о случайной удаче одного оптического тракта. Шесть сотых децибела кажутся скромной добычей, пока такой делитель не становится одним из десятков каскадных блоков на фотонном чипе.

Картина у модового мультиплексора оказалась содержательнее. Передача TE00 выросла с −2.79 до −1.01 дБ, TE01 — с −5.99 до −0.72 дБ. Одновременно crosstalk по приведённой авторами метрике ухудшился с −32.02 до −27.44 дБ. Метод хорошо демонстрирует инженерную реальность inverse design: оптимизация способна вытащить мощность из потерь, однако метрика изоляции требует отдельного веса и отдельного компромисса.

Для готовых 1×2 и 2×2 блоков GF Fotonix пока опубликованы симуляции. У 2×2 средний splitting ratio по O-band приблизился к идеальным 0.5 с 0.524 до 0.506, а устойчивость проверяли численно, эродируя и расширяя экспортированную GDS-геометрию как модель недотрава и перетрава. Изготовление и измерения именно этих PDK-вариантов ещё продолжаются. Поэтому это пока не история о том, что foundry уже внесла новые контуры в коммерческую библиотеку. Это убедительная демонстрация процесса, который превращает топологическую оптимизацию из генератора экзотических форм в инструмент доработки фабричных фотонных примитивов.

Источники

arXiv:2608.18308, “Toward Topology-Optimized Foundry PDKs: A Seeded Design Framework for Multimode Interferometers” — arXiv:2608.18308

Полный текст и методика эксперимента — arXiv:2608.18308

Доклад CLEO 2026 по той же линии работы — https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=CLEO_AT-2026-JTU.33