DNN destekli tek düşük mertebeden Mach-Zehnder interferometresiyle optik ölçüm yoluyla dalga kılavuzu genişliği çıkarımı

Neden mikroskobik ışık yollarını ölçmek önemli

Veriyi elektriğin yerine ışıkla taşıyan veri merkezleri ve gelecekteki kuantum bilgisayarların içinde, dalga kılavuzları adı verilen saç inceliğinde cam benzeri yollar ışığı bir çip boyunca yönlendirir. Bu yolların tam genişliği hayati öneme sahiptir: sadece birkaç nanometrenin milyarda birine denk gelen bir değişiklik bile ışığın davranışını hız, güç tüketimi veya sinyal kalitesi açısından yeterince kaydırabilir. Oysa bu boyutları kontrol etmek genellikle çipleri kesip pahalı mikroskoplarla incelemeyi gerektirir. Bu çalışma, yalnızca basit bir optik test yapısı ve bir derin öğrenme modeli kullanarak dalga kılavuzu genişliğini daha hızlı, tahribatsız bir şekilde "okuma" yöntemini sunar.

Çip üzerinde bir cetvel olarak ışık

Yazarlar, ışık demetini iki yola bölen ve sonra yeniden birleştiren klasik bir optik aygıt olan Mach–Zehnder interferometresine dayanıyor. Eğer bir yol diğerinden hafifçe bile farklıysa, çıkan ışık farklı renklerde parlak ve karanlık çizgilerden oluşan belirgin bir desen oluşturur; bu, su yüzeyinde iki dalga setinin buluştuğunda oluşan dalgacıklara benzer. Bu desen, ışığın bir dalga kılavuzunda ne kadar sıkı tutulduğuna duyarlı olduğu için dolaylı yoldan dalga kılavuzunun genişliği hakkında bilgi kodlar. Ekip, iki kolu birbirinin aynı olan fakat sadece 26.672 mikrometre gibi çok küçük bir uzunluk farkına sahip—bu tür ölçümler için tipik yapılardan çok daha kısa—özellikle kompakt bir interferometre versiyonunu silisyum fotoniği platformunda tasarlıyor.

Karmaşık spektrumları basit boyutlara dönüştürmek

Fizik güçlü şekilde doğrusal olmayan bir rejime girdiğinde zorlanan geleneksel eğri uydurma formüllerine güvenmek yerine, araştırmacılar derin bir sinir ağına yöneliyor. Önce bilgisayar simülasyonlarıyla dalga kılavuzunun etkin optik özelliklerinin gerçekçi üretim aralıkları içinde hem dalga boyuna hem de genişliğe göre nasıl değiştiğini gösteriyorlar. Bu simülasyonlardan, gerçek genişlikleriyle eşleştirilmiş çok sayıda örnek spektrum üretiyor ve bu veritabanını optik davranışı alıp fiziksel genişliği tahmin eden ters bir model görevi görecek tam bağlı bir sinir ağını eğitmek için kullanıyorlar. Eğitilmiş model, görülmemiş simüle edilmiş verilerde yalnızca 0.15 nanometrelik etkileyici bir ortalama mutlak hata ulaşıyor; bu da modelin spektrum ile geometri arasındaki karmaşık ilişkiyi basit polinomların kolayca ifade edebileceğinin çok ötesinde yakaladığını gösteriyor.

Laboratuvar ölçümlerinden gerçek aygıtlara

Yöntemi pratikte test etmek için ekip, standart bir silisyum-on-izolatör (silicon-on-insulator) wafer üzerinde tasarım değerinin etrafında ±20 nanometrelik bir aralıkta gerçek dalga kılavuzu genişlikleri olacak şekilde 30 interferometre aygıtı üretiyor. Her küçük yapıdan geçirerek ayarlanabilir bir lazerle iletilen spektrumu telekomünikasyon C-bandında kaydediyorlar. Desendeki belirli karanlık çukurları dikkatle bularak ve bu çukurların ne kadar sık aralıkla dizildiğini tahmin ederek, birlikte hangi çizgi mertebesini gözlemlediklerini belirleyen iki optik nicelik—etkin indeks ve grup indeksi—belirleniyor. Bu değerler önceden eğitilmiş sinir ağına veriliyor ve ağ, her aygıt için fiziksel genişlik tahminini, çipe zarar vermeden döndürüyor.

Bir mikroskoba ne kadar yaklaşabiliyor

Yazarlar daha sonra bu optik tahminleri altın standart olarak hizmet eden taramalı elektron mikroskobu ile yapılan doğrudan ölçümlerle karşılaştırıyor. 30 aygıt üzerinde yeni yöntem yalnızca 3.28 nanometrelik ortalama hata elde ediyor ve en kötü durum bile 6.7 nanometrenin altında kalıyor. Çalışma, kalan tutarsızlıkların nereden kaynaklandığını daha ayrıntılı inceliyor; bunları spektral ölçümlerdeki rutin belirsizlikler, dalga kılavuzu yan duvarlarının açısındaki küçük varyasyonlar ve eğitim simülasyonlarına dahil edilmeyen katman kalınlıklarındaki çok küçük değişikliklere bağlıyor. Bu gerçek dünya kusurlarını da hesaba kattığında bile yaklaşım, bir üretim sürecinin hedef boyutları ne ölçüde koruduğunu izlemek için yeterince sağlam ve doğru olduğunu gösteriyor.

Daha küçük test yapıları, daha akıllı kontrol

Tek bir çok kompakt interferometreyi gerçekçi simülasyonlarda eğitilmiş bir derin öğrenme modeliyle birleştirerek, bu çalışma çip üreticilerinin dalga kılavuzu genişliklerini neredeyse mikroskop düzeyinde hassasiyetle hızla ve tahribatsız olarak okuyabileceğini gösteriyor. Bu, bir wafer hattı terk ettikten sonra çevrimdışı görüntülemeyi beklemek yerine, litografi veya aşındırma adımlarındaki kaymaları dakikalar içinde tespit edebilecekleri anlamına geliyor. Aynı strateji, eğitim verilerini zenginleştirip daha fazla optik özellik ekleyerek birden fazla geometrik parametreyi aynı anda izlemek üzere genişletilebilir. Daha uzun vadede, bu tür yapay zekâ destekli metrologi, dünyanın verisini ışık demetleriyle taşıyan daha yoğun, daha güvenilir fotonik devreler inşa etmek için önemli bir geri besleme aracı haline gelebilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: silisyum fotoniği, dalga kılavuzu metrologisi, Mach-Zehnder interferometresi, derin sinir ağları, optik karakterizasyon