プロセス設計キットとは何ですか？

設計者は、ファウンドリのフォトニック部品を用いて、多種多様なフォトニック集積回路（PIC）を設計することができます。これらの部品は、プロセス設計キット（PDK）において技術的および幾何学的に表現されています。 

PDKは、一連のビルディングブロックに例えることができます。ライブラリ内の各フォトニックコンポーネントは、それぞれ独立したブロックとなります。設計者はこれらのブロックを用いて、さまざまな用途向けの多種多様なフォトニック回路を構築することができます。設計者が、自身が選択した材料プラットフォーム上で、あらかじめ定義され、テスト済みのフォトニックコンポーネントを使用する場合、汎用技術はコスト削減に役立ちます。

設計者は独自のビルディングブロックを作成することもできますが、特定のファウンドリのカスタムコンポーネントを使用するには、そのファウンドリの製造ルールに従わなければなりません。通常、これらのルールには、とりわけ次のようなものが含まれます：

• 材料の積層（層の種類と厚さ）
  
• 光学部品間の最小距離（導波路間の隙間など）
• 最大エッチング深さ
• メタライゼーションと電気プローブ（金属の配置方法、許容される金属層）
• 構造の寸法（導波路、穴、活性領域などのサイズ）

フォトニックPDKは、PIC設計プロセスにおいて極めて重要な要素である回路およびシステムレベルのシミュレーションを可能にします。シミュレーションの精度は、ファウンドリがプロセス設計キットの一部として提供するコンパクトモデルライブラリ（CML）の性能に左右されます。ファウンドリのCMLは、測定データに基づいて校正され、製造された固有のフォトニック素子や回路の挙動を正確にモデル化できる必要があります。

フォトニクスにおいて、PDKを構成する基本的な構成要素は、導波路、位相シフタ、アクティブセクション（半導体光増幅器（SOA）やレーザー）、および回転子（偏光子）である。これらは、次の図に示すように、電子工学における基本的な構成要素である配線・抵抗器、インダクタ、コンデンサ、トランジスタに類似している。

フォトニック素子をモデル化するには、材料特性と光学特性を考慮する必要があります。デバイスレベルでは、これらの特性は通常、以下の通りです：

• 材料スタックの屈折率と波長の関係。これは、屈折率の実部と虚部によって表される（光学性能とも呼ばれる）。
• 事前に特性評価済みのコンポーネントまたは検証済みのコンポーネントの値 
• （実データが入手できない場合の）性能を予測するための解析モデル

フォトニックコンポーネントの材料特性および光学特性は、S行列によって構成要素として表現することができます。S行列は、PICをシミュレーションするために、デバイスレベルから回路／レイアウトレベルに至るまで、コンポーネントのポート間における信号伝達を記述するものです。

これらの構成要素は、ホワイトボックスとブラックボックスとして表現されます。ブラックボックスは 幾何学的形状、通常は入力ポートと出力ポートを備えた長方形として表現され 、その内部にはコンポーネントの性能を表す線形および非線形モデル（あるいは事前に特性評価済みのコンポーネントからの値）が含まれています。これらが「ブラックボックス」と呼ばれるのは、設計者が入力ポートと出力ポートしか確認できない一方で、製造に関するコンポーネントの関連情報はファウンドリが保有しているためです。 この情報は、ファウンドリがマスクを組み立てる際（ウェハー上のすべての フォトニック集積回路 レイアウト設計をウェハー上に統合する）際に、ホワイトボックスコンポーネントに読み込まれます。ホワイトボックスとブラックボックスは、ファウンドリのプロセスフロー（マスク、層、材料）が設計者に公開されないため、ファウンドリの知的財産を保護する役割を果たしています。

ファウンドリでは、シリコンフォトニクス、InP、LiNbO3、ポリマー、ガラスなど、さまざまな材料プラットフォームが使用されています。各材料プラットフォームおよびファウンドリには（現時点では）独自のプロセスフローや製造プロセスがあり、それらは材料や光学特性に基づいて、物理的なレベルでのPICの性能を決定づけています。

PICを設計する際には、プロセス設計キットを設計フローに組み込む必要があります。 シノプシス’ OptSim 『Photonic Solutions』ポートフォリオの製品は、PDKベースの設計とカスタム設計の両方を可能にし、マルチプロジェクトウェーハ（MPW）ランへのアクセスを提供するファウンドリの最も幅広いポートフォリオをサポートしています。