לקראת תקשורת מקבילה רב־ממדית אוניברסלית על ידי אינטגרציה היברידית ישירה של סיבים מגוונים/שבבים תלת־ממדיים/דו־ממדיים

למה זה חשוב לדחוס יותר נתונים לתוך האור

בכל פעם שאתם צופים בסרט שזורם, מצטרפים לשיחת וידאו או מגבים קבצים לענן, המידע שלכם רץ דרך סיבים זעירים מזכוכית. הסיבים האלה מתקרבים למגבלותיהם, בעוד התיאבון שלנו לנתונים ממשיך לגדול. מאמר זה מדווח על שיטה חדשה להגדיל באופן דרמטי את כמות המידע שעוברת דרך חיבור יחיד על ידי שילוב סוגים שונים של סיבים אופטיים עם שבבים זעירים תלת־ממדיים ודו־ממדיים. התוצאה היא פלטפורמה קומפקטית שיכולה לנהל מאות ערוצי נתונים במקביל, וסוללת את הדרך לדור הבא של רשתות גב ונתבי מרכזי נתונים בעלי קיבולת גבוהה.

שימוש במרחב בתוך הסיב כנתיבים נוספים

קישורים סיביים מסורתיים משדרים מידע על־ידי שינוי הבהירות, הצבע או הקיטוב של האור בדרך בודדת. מולטי־פליטה חללית, לעומת זאת, מתייחסת לחתך הסיב כמו לכביש רב־נתיבים, ומשתמשת בליבות שונות או בתבניות אור כמקבילות של ערוצים. פותחו מספר סוגי סיבים מיוחדים לכך: סיבים בעלי מצבים מעטים (few‑mode) התומכים בקבוצת תבניות אור קטנה, סיבים רב־ליבות שמכילים ליבות זעירות רבות בחבילה אחת, וסיבים עם מומנט אנגולרי אורביטלי שמכוונים אור במסלולים כפרזוליים. כל סוג סיב מתאים ליישומים שונים, אך אף סוג יחיד אינו צפוי להשתלט. ברשתות ממשיות כל הסוגים הללו יצטרכו לחיות יחד, והם גם צריכים לתקשר ביעילות עם גלגלונים על־שבב שמעבירים אור על מרחקים של מילימטרים או סנטימטרים בתוך מעגלים פוטוניים.

גישור בין חלקים שאינם מתאימים בעזרת שבבים תלת‑ממדיים ודו־ממדיים

כאב ראש מרכזי הוא שלשדות האור בסיבים ובשבבים יש צורות וגדלים שונים מאוד, מה שמקשה על חיבור ישיר עם איבודי אות נמוכים. המחברים מתמודדים עם זה על ידי בניית שבב "גשר" מזכוכית באמצעות כתיבה בלייזר בפולסים פמטו־שנייה, שיטה שיכולה לצייר גלגלוני־גל תלת־ממדיים בתוך גוש של סיליקה. שבב תלת־ממדי זה מקבל אור המגיע מסוגי סיבים מגוונים ומעצב ומנתב אותו בהדרגה כך שכל ערוץ מרחבי יוצא כיציאה חד־מצבית מסודרת. במקביל, הצוות מצמצם את נקודות האור במידה שתתאים לגלגלוני הסיליקון הזעירים על שבב דו־ממדי נפרד. עיצוב מדוקדק של מסלולים מעוקלים, מפצלים ומבנים מתחדדים שומר על אובדן וצליל־חפיפה נמוכים, ומאפשר המרות מצב מורכבות בין סיבים רב־ליבות, בעלי מצבים מעטים, בעלי מומנט זוויתי אורביטלי וסיבים חד־מצבית סטנדרטיים, וכן לתוך גלגלוני־גל רב־מצבית על‑שבב.

מצלבה אופטית זעירה שמנהלת מאות ערוצים

ברגע שהערוצים המרחביים מגיעים לשבב הסיליקון, ניתן למנף אותם באופנים דומים לאותות על‑פני לוח מעגלים אלקטרוני — אבל בתחום האופטי. המחברים משלבים מספר גדול של מרכיבים, כולל דיכוּי מבוססי אינטרפרומטרים ומערכים של תהודות טבעתיות זעירות. האינטרפרומטרים יכולים לאזן באופן עדין את העוצמה בכל נתיב מרחבי, בעוד שהתא המשולש הטבעתות (ring resonators) בוחרים או מנתבים צבעים מסוימים של אור בתוך אותם נתיבים. בעיצוב טבעות עם הפרדה רחבה בין ההרמונים, השבב יכול לטפל ב‑36 אורכי גל צפופים לכל ערוץ מרחבי. שמונה ערוצים מרחביים כפול 36 אורכי גל מניבים 288 ערוצים אופטיים נבדלים שניתן לשחרר, להוסיף או לאזן באופן דינמי בתוך טביעת רגל שגודלה כמה סנטימטרים בלבד.

הדגמה של נתונים מהירים על פני ערוצים רבים

כדי להוכיח שמערכת מורכבת זו עובדת במציאות, הצוות בנה קישור תקשורת מלא סיב–שבב–סיב. הם ייצרו 36 אורכי גל לייזר שנשאו אותות מתקדמים עם קידוד בן 16 רמות וחילקו אותם לשמונה נתיבים מרחביים באמצעות סיבים רב־ליבות ובעלי מצבים מעטים. אותות אלה עברו דרך שבב הזכוכית התלת־ממדי, לשבב הניהול הדו־ממדי בסיליקון, וחזרו החוצה דרך סיבים לקבלן קוהרנטי — בדיוק כפי שיהיה בנקודת רשת אמיתית. לאורך כל 288 הערוצים, שיעורי השגיאה הנמדדים נשארו מתחת לסף שבו תיקון שגיאות דיגיטלי סטנדרטי יכול לתקן את השגיאות. בסך הכל, המערכת השיגה כ‑30 טרביט לשנייה של קיבולת נתונים — שווה ערך לעשרות אלפי שידורי וידאו ברזולוציה גבוהה — דרך פלטפורמה משולבת אחת.

מה המשמעות של זה לרשתות העתיד

בשפה יומיומית, עבודה זו מראה כיצד להפוך קישור אופטי יחיד לכביש־על מאורגן רב‑נתיבי לשידור נתונים על ידי שילוב סיבים שונים עם שבבי פוטוניקה תלת־ממדיים ודו־ממדיים. אמנם הקיבולת שהודגמה עדיין נמוכה ממערכות מעבדה שוברות שיאים התלויות באופטיקה מגושמת, הגישה ההיברידית קומפקטית, מדרגית ותואמת לשיטות ייצור שבבים. המחברים טוענים שככל שהמרכיבים האלה יתפתחו ותתווספנה עוד ערוצים מרחביים ואורכי גל, ארכיטקטורות דומות עשויות בסופו של דבר להגיע לקיבות של פטאביט לשנייה. זה יספק למתכנני רשתות מסלול מעשי לעמוד בקצב הדרישות הנתונים המתפוצצות מבלי להניח סיבים חדשים אינסופית.

ציטוט: 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

מילות מפתח: תקשורת אופטית, מולטי־פליטה חללית (space-division multiplexing), פוטוניקה בסיליקון, סיב רב־ליבות, אינטגרציה פוטונית