חילוץ רוחב מדריך גל בעזרת רשת עצבית עמוקה באמצעות מדידה אופטי של מכשיר מאך־זקנדר סדר־נמוך יחיד

מדוע מדידת נתיבי אור זעירים חשובה

בתוך מרכזי הנתונים והמחשבים הקוונטיים העתידיים שמעבירים מידע באמצעות אור במקום חשמל, מסלולים דמויי־זכוכית בעובי שערה הנקראים מדריכי גל מנווטים את האור על גבי השבב. הרוחב המדויק של מסלולים אלה מתגלה כקריטי: שינוי של מספר ננומטרים בודדים יכול לשנות את התנהגות האור עד כדי פגיעה במהירות, בצריכת האנרגיה או באיכות האות. עם זאת, בדיקה של הממדים האלה בדרך כלל מחייבת פתיחת שבבים ובחינה במיקרוסקופים יקרים. המחקר הזה מציג שיטה מהירה ולא־הרסנית ל"קריאת" רוחב מדריך הגל באמצעות מבנה בדיקה אופטי פשוט בלבד ומודל למידה עמוקה.

האור כמד־מרחק על שבב

המחברים מבססים את עבודתם על מכשיר קלאסי באופטיקה הנקרא מתמרון מאך–זקנדר (Mach–Zehnder interferometer), שמפצל קרן אור לשני מסלולים ואז מאחדם מחדש. אם אף אחד מהמסלולים שונה במעט מהשני, האור היוצא יוצר דפוס אופייני של פסי אור וחושך על פני צבעים שונים, בדומה לגלים שמצטלבים במים. מאחר שהדפוס רגיש לאופן בו האור מוכנס ומוגבל במדריך הגל, הוא מקודד בעקיפין מידע על רוחב המדריך. הצוות מעצב גרסה קומפקטית במיוחד של המתקן הזה בפלטפורמת פוטוניקה בסיליקון, כששתי הזרועות זהות פרט להפרש אורך זעיר של 26.672 מיקרומטר בלבד—הרבה קצר יותר מהמבנים שמקובלים בדרך כלל למדידות מסוג זה.

הפיכת ספקטרות מורכבות לממדים פשוטים

במקום להסתמך על נוסחאות התאמת עקומות מסורתיות, הקשוחות כשהפיזיקה הופכת לא־ליניארית, החוקרים פונים לרשת עצבית עמוקה. הם משתמשים תחילה בסימולציות מחשב כדי להראות כיצד התכונות האופטיות היעילות של מדריך הגל משתנות עם אורך גל ורוחב בטווחי ייצור ריאליסטיים. מהסימולציות הללו הם מייצרים מערך גדול של ספקטרות מדגם שתואמות לרוחבים האמיתיים שלהם ומשתמשים בבסיס נתונים זה לאימון רשת עצבית מחוברת לחלוטין שתפעל כמודל הפוך: בהתבסס על ההתנהגות האופטית היא חוזה את הרוחב הפיזי. המודל המאומן משיג שגיאת ממוצע מוחלט מרשימה של 0.15 ננומטר על נתונים מדומים שלא נראו במהלך האימון, מה שמרמז שהוא קלט את הקשר המורכב בין ספקטרום לגיאומטריה הרבה מעבר למה שפולינומים פשוטים יכולים לבטא בקלות.

מהמדידות במעבדה למכשירים אמיתיים

כדי לבדוק את השיטה בפועל, הצוות מייצר 30 מכשירי מאך־זקנדר על וויפר סטנדרטי של סיליקון על מבודד, כאשר רוחבי מדריכי הגל בפועל מפוזרים בטווח של ±20 ננומטר סביב ערך התכנון. הם מאירים כל מבנה זעיר בלייזר כוונן ורושמים את הספקטרום המועבר בתחום התקשורת C‑band. על ידי איתור מדויק של שקעים כהים בדפוס והערכת המרחק ביניהם, הם קובעים זוג כמויות אופטיות—אינדקס יעיל ואינדקס קבוצתי—that יחד מזהים באיזה סדר פס הם צופים. ערכים אלה מוזנים אל הרשת הנוירונית המאומנת מראש, שמחזירה חיזוי של רוחב פיזי לכל מכשיר, והכל ללא חיתוך השבב.

כמה זה קרוב למיקרוסקופ

המחברים משווים את התחזיות האופטיות הללו למדידות ישירות שבוצעו במיקרוסקופ אלקטרוני סורק, שמשמש כתקן הזהב. על פני 30 המכשירים, השיטה החדשה משיגה שגיאה ממוצעת של 3.28 ננומטר בלבד, כאשר המקרה הגרוע ביותר עדיין מתחת ל‑6.7 ננומטר. המחקר מנתח הלאה מאיפה נובעות ההבדלים שנותרו, ומאתר אותם באי־וודאויות שגרתיות במדידות ספקטרליות, בשינויי זווית קלים בדפנות המדריך ובשינויים זעירים בעובי השכבות שלא נכללו בסימולציות האימון. גם בהתחשב בפגמים אלה מהעולם האמיתי, הגישה מוכיחה עצמה כעמידה ומדויקת מספיק כדי לנטר עד כמה תהליך הייצור עומד ביעדי הממדים שלו.

מבנים קטנים יותר, בקרה חכמה יותר

על ידי שילוב של מתמרון אחד קומפקטי מאוד עם מודל למידה עמוקה מאומן על סימולציות ריאליסטיות, עבודה זו מראה כי יצרני שבבים יכולים לקרוא במהירות ובאופן לא־הרסני את רוחבי מדריכי הגל ברמת דיוק שקרובה לזו של מיקרוסקופ. משמעות הדבר היא שהם יכולים לזהות סטיות בתהליכי ליתוגרפיה או חיתוך בתוך דקות מאז יציאת הוויפר מהקו, במקום להמתין לצילום מחוץ לקו. אותה אסטרטגיה ניתנת להרחבה למעקב אחרי מספר פרמטרים גיאומטריים בו־זמנית, פשוט על‑ידי העשרת נתוני האימון והוספת תכונות אופטייות נוספות. בטווח הארוך, מטולוגיה מסייעת על־ידי בינה מלאכותית עשויה להפוך לכלי משוב מרכזי בבניית מעגלים פוטוניים צפופים, אמינים יותר, שנושאים את נתוני העולם בקרני אור.

ציטוט: Wang, F., You, H., Xu, X. et al. DNN-assisted waveguide width extraction via optical measurement of a single low-order Mach-Zehnder interferometer. Sci Rep 16, 12260 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41085-2

מילות מפתח: פוטוניקה בסיליקון, מטולוגיית מדריכי גל, מכשיר מאך־זקנדר, רשתות נוירונים עמוקות, איפיון אופטי