Использование разнородной гибридной интеграции для связывания трансшкального многомерного волоконно-чипового передачи и обработки данных

Почему каналам Интернета будущего нужен новый тип моста

Каждый видеозвонок, резервное копирование в облако и запуск обучения ИИ зависят от света, мчащегося по тончайшим стеклянным волокнам и миниатюрным чиповым схемам. Но сегодня есть скрытое узкое место: данные быстро бегут по магистральным оптическим волокнам, а затем сталкиваются с более медленной и энергоёмкой электроникой при попадании в оборудование центров обработки данных и узлы сети. В этой статье показан новый способ прямого соединения волокон высокой пропускной способности с продвинутыми фотонными чипами, что сокращает это узкое место и указывает путь к значительно более быстрым и энергоэффективным сетям связи.

От магистральных кабелей до крошечных чипов

Современные сети всё чаще полагаются на «многополосный» свет, где информация упакована одновременно в нескольких измерениях: разные цвета (длины волн), поляризации и пространственные паттерны (моды) света. Волокна с несколькими модами могут нести несколько таких пространственных мод, значительно повышая ёмкость на больших расстояниях. На другом конце спектра кремниевые фотонные чипы могут направлять, фильтровать и обрабатывать свет на миллиметровых масштабах с помощью плотных on-chip волноводов. Но эти два мира по своей природе не совпадают: профиль поля в сердечниках волокна сильно отличается от мод в нанометровых волноводах чипа. Современные решения часто требуют множества промежуточных преобразований, стоек оборудования и повторных оптическо‑электрических‑оптических циклов, которые потребляют энергию и добавляют задержку.

Построение моста через масштабы

Авторы предлагают гибридный «мост», который сочетает трёхмерный стеклянный чип с двумерной кремниевой фотонной схемой. Вместо попытки напрямую согласовать сложные многомодовые паттерны между волокном и чипом, мост сначала преобразует свет в упорядоченный массив простых одномодовых каналов. В стеклянной части разные пространственные паттерны (моды) из волокна с несколькими модами аккуратно разделяются с помощью специально сформированного переходника и направляются в отдельные одномодовые волноводы, все записанные в 3D с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Эти одномодовые пути затем передают свет к кремниевому чипу через конические переходы, спроектированные для низких потерь и хорошей толерантности к технологическим допускам.

Преобразование оптических магистралей в перенастраиваемые сетки

Попав на кремниевый чип, разделённые каналы формируют в те моды, которые используются в многомодовых волноводах чипа. Дополнительные структуры на чипе разделяют и поворачивают поляризации, так что всё может обрабатываться с использованием общей, хорошо контролируемой фундаментальной моды. Сердцем процессорного блока является крупный перенастраиваемый оптический адд‑дроп мультиплексор (ROADM), собранный из массивов крошечных кольцевых резонаторов. Слегка нагревая эти кольца, команда может смещать спектральные позиции их взаимодействия со светом, что позволяет добавлять или удалять отдельные длины волн из потока данных по требованию. Более 2000 отдельных компонентов — перекрёстки, комбинирующие элементы, нагреватели и контактные площадки — интегрированы на одном кремниевом кристалле для реализации 192 различных каналов, охватывающих три пространственные моды, две поляризации и 32 длины волны.

Практическое испытание системы

Чтобы показать, что это не просто лабораторный курьёз, исследователи собрали полный эксперимент по передаче. Они сгенерировали 32 длины волны, каждая несла высокоскоростной сигнал с использованием общепринятого продвинутого формата модуляции. Эти сигналы были распределены по шести комбинациям пространственной моды и поляризации, запущены в волокно с несколькими модами, прошли через гибридный 3D/2D переход и были маршрутизированы на чипе ROADM. На выходе когерентный приёмник и цифровая обработка восстановили данные. По всем 192 каналам измеренные уровни ошибок оставались ниже стандартных порогов коррекции прямых ошибок при практических уровнях оптического сигнала к шуму, что соответствует общей пропускной способности примерно 20 тербит в секунду. Испытания с большими длинами волокна показали лишь умеренное ухудшение характеристик, а широкий диапазон перенастройки резонаторов позволял перераспределять каналы при отказе портов, повышая надёжность.

Что это означает для следующего поколения Интернета

По сути, эта работа закрывает два разрыва одновременно: физический разрыв по размерам между толстыми магистральными волокнами и крошечными чиповыми волноводами, и разрыв по производительности между сверхбыстрой оптической передачей и более медленной электронной обработкой. Сочетая 3D стеклянные волноводы, 2D кремниевую фотонику и высокоперенастраиваемую коммутационную матрицу на чипе, авторы демонстрируют масштабируемую архитектуру, способную перемещать и обрабатывать огромные объёмы данных, не возвращаясь постоянно в электронную область. Хотя возможны дальнейшие улучшения по потерям, масштабированию и функциональности, эта 192‑канальная волоконно‑чиповая система с пропускной способностью 20 тербит/с является серьёзным шагом к сетям связи будущего, где свет остаётся в оптической области от магистрального кабеля до процессирующего чипа.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кремниевая фотоника, оптические волоконные сети, мультиплексирование по модам, перенастраиваемый оптический адд-дроп мультиплексор, террабитная передача данных