Wykorzystanie różnorodnej hybrydowej integracji do łączenia wieloskalowej, wielowymiarowej transmisji i przetwarzania danych włókno–układ

Dlaczego przyszłe rurociągi internetowe potrzebują nowego rodzaju mostu

Każde połączenie wideo, kopia zapasowa w chmurze i trening AI zależą od światła przemieszczającego się przez włókna szklane cienkie jak włos oraz maleńkie on-chipowe obwody. Jednak dzisiaj istnieje ukryte wąskie gardło: dane pędzą szybko przez dalekosiężne włókna optyczne, by uderzyć w wolniejszą, energochłonną elektronikę po dotarciu do sprzętu przetwarzającego w centrach danych i węzłach sieci. W artykule zaprezentowano nowy sposób bezpośredniego połączenia włókien o dużej pojemności z zaawansowanymi układami fotonicznymi, co zmniejsza to wąskie gardło i wskazuje drogę do znacznie szybszych, bardziej efektywnych sieci komunikacyjnych.

Od kabli dalekiego zasięgu do maleńkich układów

Współczesne sieci coraz częściej polegają na „wielopasmowym” świetle, gdzie informacja jest pakowana jednocześnie w wiele wymiarów: różne kolory (długości fal), polaryzacje i przestrzenne wzory (tryby) światła. Włókna z kilkoma trybami mogą przenosić kilka takich przestrzennych trybów, znacząco zwiększając pojemność na dużych odległościach. Z drugiej strony, krzemowe układy fotoniczne potrafią kierować, filtrować i przetwarzać światło na skalach milimetrów, używając gęstych falowodów na chipie. Te dwa światy nie pasują jednak do siebie naturalnie: wzory pola świetlnego w rdzeniach włókien znacznie różnią się od trybów w nanometrowych falowodach chipu. Dzisiejsze rozwiązania często wymagają wielu pośrednich konwersji, szaf sprzętowych i powtarzanych kroków optyczno–elektryczno–optycznych, które zużywają energię i dodają opóźnienia.

Budowanie mostu przez skale

Autorzy proponują hybrydowy „most”, który łączy trójwymiarowy szklany chip z dwuwymiarowym obwodem fotonicznym na krzemie. Zamiast próbować bezpośrednio dopasować złożone wielotrybowe pola między włóknem a chipem, most najpierw przekształca światło w uporządkowaną macierz prostych kanałów jednotrybowych. W części szklanej różne przestrzenne wzory (tryby) z włókna wielotrybowego są starannie rozdzielane za pomocą specjalnie ukształtowanego sprzęgacza i kierowane do odrębnych falowodów jednotrybowych, wszystkie wypisane w 3D przy użyciu femtosekundowych impulsów laserowych. Te ścieżki jednotrybowe następnie przekazują światło do krzemowego chipa przez połaczenia zwężane zaprojektowane dla niskich strat i dobrej tolerancji na zmienności procesu technologicznego.

Przekształcanie optycznych autostrad w rekonfigurowalne siatki

Po znalezieniu się na krzemowym chipie, rozdzielone kanały są przekształcane w tryby używane przez on-chipowe falowody wielotrybowe. Dodatkowe struktury na chipie dzielą i obracają polaryzacje, tak aby wszystko mogło być przetwarzane przy użyciu wspólnego, dobrze kontrolowanego trybu podstawowego. Sercem jednostki przetwarzającej jest duży rekonfigurowalny multiplekser add–drop (ROADM) zbudowany z macierzy małych rezonatorów pierścieniowych. Poprzez lekkie ogrzewanie tych pierścieni zespół może przesuwać zakres długości fal, z którymi rezonatory oddziałują, co pozwala na dodawanie lub usuwanie wybranych kanałów długości fali z przepływu danych na żądanie. Ponad 2000 indywidualnych elementów — skrzyżowań, sprzęgaczy, grzałek i padów kontaktowych — zostało zintegrowanych na pojedynczym krzemowym układzie, aby zrealizować 192 odrębne kanały obejmujące trzy tryby przestrzenne, dwie polaryzacje i 32 długości fali.

Przetestowanie systemu w realistycznych warunkach

Aby wykazać, że to więcej niż ciekawostka laboratoryjna, badacze zbudowali pełny eksperyment transmisyjny. Wygenerowali 32 kanały długości fali, z których każdy przenosił szybki sygnał danych używając wspólnego zaawansowanego formatu modulacji. Sygnały te zostały rozdzielone między sześć kombinacji przestrzennych i polaryzacyjnych, wprowadzone do włókna wielotrybowego, przeprowadzone przez hybrydowy sprzęgacz 3D/2D i skierowane przez on-chipowy ROADM. Na wyjściu odbiornik koherentny i cyfrowe przetwarzanie odzyskały dane. We wszystkich 192 kanałach zmierzone współczynniki błędów utrzymywały się poniżej standardowych progów korekcji błędów (FEC) przy praktycznych poziomach stosunku sygnału do szumu optycznego, odpowiadając łącznemu przepływowi rzędu 20 terabitów na sekundę. Testy z dłuższymi odcinkami włókna wykazały jedynie umiarkowane kary wydajności, a szeroki zakres strojenia rezonatorów pozwalał na przypisywanie kanałów na nowo w razie awarii portu, co poprawiało odporność systemu.

Co to oznacza dla przyszłego internetu

W istocie praca ta zamyka jednocześnie dwie przepaści: lukę fizycznej skali między grubymi włóknami dalekosiężnymi a maleńkimi falowodami na chipie oraz lukę wydajności między ultraszybką transmisją optyczną a wolniejszym przetwarzaniem elektronicznym. Poprzez połączenie trójwymiarowych falowodów szklanych, dwuwymiarowej fotoniki krzemowej oraz wysoko rekonfigurowalnej, on-chipowej macierzy przełączającej, autorzy demonstrują skalowalną architekturę, która może przesuwać i manipulować ogromnymi ilościami danych bez ciągłego przechodzenia na elektronikę. Choć dalsze ulepszenia w zakresie strat, skalowania i funkcjonalności są możliwe, ten 192-kanałowy system włókno–chip o przepustowości 20 terabitów na sekundę stanowi istotny krok w kierunku przyszłych sieci komunikacyjnych, w których światło pozostaje w domenie optycznej od kabla szkieletowego aż do układu przetwarzającego.

Cytowanie: Li, K., Yan, G., Wang, K. et al. Harnessing diverse hybrid integration for bridging trans-scale multi-dimensional fiber-chip data transmission and processing. Light Sci Appl 15, 167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02194-9

Słowa kluczowe: fotonia krzemowa, optyczne sieci światłowodowe, multipleksacja podziału trybów, rekonfigurowalny multiplekser add-drop optyczny, terabitowa transmisja danych