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AR(Augmented Reality：拡張現実)やVR(Virtual Reality：仮想現実)におけるフォトニックデバイスの需要が高まるにつれ、効率的で小型化された光学部品の必要性が高まっています。中でも注目されているメタレンズや光結合器、車載用LiDARやカメラからAR/VRシステムまで幅広い用途で重要な役割を担っています。しかし、性能を損なうことなくこれらの光学部品を大量生産することは難しい課題となっています。

製造性を考虑したメタレンズ

フラットオプティクスとしても知られるメタオプティクスは、従来の集积回路製造技术を用いた大量生产(贬痴惭)に移行しつつあります。メタオプティクスは、メタアトムで构成されるメタサーフェスとして构筑されています。メタアトムは、约0.5～3μ尘の厚さの高屈折率フィルムに作られたサブ波长ユニットセルです。メタサーフェスは、集光レンズ、スプリッタ、导波路やその他の光学的机能として使用することができます。

メタレンズは、イメージングシステムに革命をもたらす可能性を秘めており、光学の分野で関心を集めています。しかし、メタレンズの设计と大量生産は困難であり、マスク製造、面取り、エッチング、フィレット、レイアウト生成、基板の平坦性への影響などが課題となっています。フォトリソグラフィやエッチングの工程では、四角形の角部や 垂直な側面など、望ましい結果を得られないことがしばしばあります。これらの欠陥は、メタサーフェスの性能指標に悪影響を与えます。

製造工程を考慮した设计手法でメタレンズを最適化することにより、设计者は製造上の課題を解決することができます。この手法では、光学设计(RSoft Photonic Device Tools)と製造プロセス设计(Synopsys Proteus、S-Litho、Sentaurus Process Explorer)ソフトウェアの先進技術を組み合わせることで、製造されるメタレンズが特定の製造技術にとって最適な性能に近づけることができます。また、これにより、光学设计および製造プロセス设计から设计ルールを実装でき、设计サイクルを短縮するとともに、”right-first-time"なメタレンズ设计を実現します。

図1：製造上の制限を組み込んだメタレンズ设计フロー。设计者が作成したメタアトムセットを製造工程でシミュレーションし、製造を考慮したメタアトムライブラリを作成します。その後、メタアトムライブラリを使用して、製造性能を向上させたメタレンズを開発します。

础搁/痴搁デバイスにおける同様の课题への応用

製造上の課題はメタレンズに限ったことではありません。AR/VR の導波路コンバイナの表面レリーフグレーティングを低コスト且つ高精度に製造することは、大量生産に適したデバイスを実現するための重要なステップのひとつです。

表面レリーフグレーティング(厂搁骋)は、マイクロスケールの特徴を持ち、製造时に导入される表面フィレット、エッチング、粗さの影响を受けやすいです。光结合器にとって重要なパラメータは、厂搁骋の空间回折効率を注意深く制御することになります。

SRGの形状に偏差があると、回折効率にばらつきが生じます。最適化の初期段階でこのようなばらつきを無視すると、アイボックス上の光の均一性という光結合器の目標性能に収束するために、複数の设计ループが発生することになります。光結合器の製造性を考慮した最適化フローを導入することは、SRGの製造上の不具合が部品の特性評価の一部となるため、设计の最終的な性能とロバスト性に対して有益です。

シノプシスは以下の図2に示すような完全な设计フローを提供しており、设计者は最適化の初期段階でSRGの製造プロファイルを統合することが可能です。光結合器の最適化は、画質と色の鮮明さだけでなく、アイボックス上の照度均一性の要件を満たすように実行されます。

図2：SRG製造プロファイルを初期点として使用した”right-first-time"な设计手法の概略図

结论

光学设计、特にメタレンズやAR/VRデバイスの设计において、製造性を考慮することは、ロバストで効率的な光学设计フローにとって有益です。製造プロセスがこれらのデバイスに与える影響を理解しシミュレーションすることで、设计者は性能を向上させ、设计/製造/テストの繰り返し作業を減らし、時間とコストの両方を節約することができます。これらのデバイスの需要が伸び続ける中、このようなアプローチは、光学およびフォトニクス技術を進歩させる上で極めて重要です。