Auf dem Weg zu universellen multidimensionalen Parallelkommunikationen durch direkte hybride Integration vielfältiger Fasern/3D/2D‑Chips

Warum es wichtig ist, mehr Daten ins Licht zu packen

Wann immer Sie einen Film streamen, an einem Videoanruf teilnehmen oder Dateien in die Cloud sichern, rasen Ihre Informationen durch haarfeine Glasfasern. Diese Fasern stoßen an ihre Grenzen, während unser Datenhunger weiter wächst. Dieser Artikel beschreibt eine neue Methode, die Menge an Informationen, die durch eine einzige Verbindung fließen kann, radikal zu erhöhen, indem verschiedene Fasertypen mit winzigen dreidimensionalen und zweidimensionalen Chips kombiniert werden. Das Ergebnis ist eine kompakte Plattform, die Hunderte von Datenkanälen parallel handhaben kann und auf die nächste Generation von hochkapazitiven Internet‑Backbones und Rechenzentren zielt.

Den Raum in einer Faser als zusätzliche Fahrspuren nutzen

Konventionelle Faserverbindungen übertragen Informationen, indem Helligkeit, Farbe oder Polarisation des Lichts in einem einzigen Pfad verändert werden. Raum‑Multiplexing behandelt den Querschnitt einer Faser hingegen wie eine mehrspurige Autobahn und nutzt verschiedene Kerne oder Muster des Lichts als parallele Kanäle. Dafür wurden mehrere spezialisierte Fasern entwickelt: Few‑Mode‑Fasern, die eine kleine Anzahl von Lichtmustern unterstützen, Mehrkernfasern, die viele winzige Kerne bündeln, und Fasern für orbitalen Drehimpuls, die Licht in korkenzieherförmigen Bahnen führen. Jeder Fasertyp hat seine Einsatzgebiete, doch es ist unwahrscheinlich, dass einer allein dominieren wird. In realen Netzen müssen alle koexistieren und gleichzeitig effizient mit On‑Chip‑Wellenleitern kommunizieren, die Licht über Millimeter oder Zentimeter in photonischen Schaltkreisen leiten.

Unterschiedliche Bausteine mit 3D‑ und 2D‑Chips verbinden

Ein großes Problem ist, dass diese Fasern und Chips sehr unterschiedliche Formen und Größen von Lichtfeldern haben, wodurch direkte Verbindungen mit geringem Verlust schwierig werden. Die Autoren begegnen dem, indem sie einen „Brücken“‑Chip aus Glas mittels Femtosekunden‑Laserstrukturierung herstellen, einer Methode, mit der dreidimensionale Wellenleiter in einen Silikatblock geschrieben werden können. Dieser 3D‑Chip nimmt Licht aus verschiedenen Fasern auf und formt und umlenkt es schrittweise so, dass jeder räumliche Kanal als sauberer Single‑Mode‑Ausgang erscheint. Gleichzeitig verkleinert das Team die Lichtflecken so weit, dass sie zu den winzigen Silizium‑Wellenleitern auf einem zweiten, flachen 2D‑Chip passen. Durch sorgfältig gestaltete gekrümmte Pfade, Teiler und verjüngte Strukturen bleiben Verlust und Übersprechen gering, sodass komplexe Mode‑Konversionen zwischen Mehrkern‑, Few‑Mode‑, Orbital‑Drehimpuls‑ und Standard‑Single‑Mode‑Fasern sowie in On‑Chip‑Multimode‑Wellenleiter möglich sind.

Ein winziger optischer Knoten, der Hunderte von Kanälen steuert

Sobald die räumlichen Kanäle den Siliziumchip erreichen, lassen sie sich ähnlich wie Signale auf einer Elektronikplatine – jedoch im optischen Bereich – verarbeiten. Die Autoren integrieren eine große Zahl von Bausteinen, darunter interferometerbasierte Dämpfer und Arrays mikroskopischer Ringresonatoren. Die Interferometer können die Leistung in jedem räumlichen Pfad fein ausbalancieren, während die Ringresonatoren bestimmte Farben des Lichts innerhalb dieser Pfade auswählen oder umlenken. Durch ein Design der Ringe mit weitem Abstand zwischen den Resonanzen kann der Chip pro räumlichem Kanal 36 eng beieinanderliegende Wellenlängen verarbeiten. Acht räumliche Kanäle mal 36 Wellenlängen ergeben 288 unterscheidbare optische Kanäle, die dynamisch entfernt, hinzugefügt oder ausgeglichen werden können – alles auf einer Fläche von nur wenigen Zentimetern.

Nachweis von Hochgeschwindigkeitsdaten über viele Fahrspuren

Um zu zeigen, dass dieses komplexe System in der Praxis funktioniert, bauten die Forscher eine vollständige Faser–Chip–Faser‑Kommunikationsverbindung auf. Sie erzeugten 36 Laserwellenlängen mit fortgeschrittenen 16‑stufig codierten Signalen und teilten sie auf acht räumliche Pfade auf, indem sie Mehrkern‑ und Few‑Mode‑Fasern verwendeten. Diese Signale durchliefen den 3D‑Glaschip, gelangten in den 2D‑Silizium‑Manager und wurden wieder über Fasern an einen kohärenten Empfänger ausgegeben, so wie in einem realen Netzwerkknoten. Über alle 288 Kanäle blieben die gemessenen Fehlerraten unter der Schwelle, die mit Standard‑Fehlerkorrekturverfahren bereinigt werden kann. Insgesamt erreichte das System etwa 30 Terabit pro Sekunde Durchsatz – die Datenmenge von Zehntausenden hochauflösender Videostreams – über eine einzige integrierte Plattform.

Was das für zukünftige Netze bedeutet

Alltagssprachlich zeigt diese Arbeit, wie sich eine einzelne optische Verbindung in eine hochorganisierte, mehrspurige Datenautobahn verwandeln lässt, indem verschiedene Fasern mit 3D‑ und 2D‑photonischen Chips kombiniert werden. Obwohl die demonstrierte Kapazität noch unter rekordverdächtigen Laborsystemen liegt, die auf sperrige Optik setzen, ist der hybride Ansatz kompakt, skalierbar und mit Halbleiterfertigungsverfahren kompatibel. Die Autoren argumentieren, dass ähnliche Architekturen, wenn diese Komponenten ausgereifter werden und mehr räumliche Kanäle sowie Wellenlängen hinzukommen, schließlich Petabit‑pro‑Sekunde‑Kapazitäten erreichen könnten. Das würde Netzplanern einen praktikablen Weg bieten, mit dem explodierenden Datenbedarf Schritt zu halten, ohne endlos neue Fasern verlegen zu müssen.

Zitation: Li, K., Cai, C., Yan, G. et al. Towards universal multi-dimensional parallelization communications by direct diverse fiber/3D/2D chip hybrid integration. Nat Commun 17, 3771 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70455-7

Schlüsselwörter: optische Kommunikation, Raum‑Multiplexverfahren, Siliziumphotonik, Mehrkernfaser, photonische Integration