К универсальной многомерной параллельной передаче информации через прямую гибридную интеграцию разнообразных волокон/3D/2D чипов

Почему важно упаковывать больше данных в свет

Всякий раз, когда вы смотрите фильм в потоковом режиме, участвуете в видеозвонке или сохраняете файлы в облаке, ваши данные мчатся по тончайшим стеклянным волокнам. Эти волокна приближаются к своим пределам, тогда как наш аппетит к данным продолжает расти. В этой статье описан новый способ радикального увеличения объёма информации, проходящей по одному соединению, — сочетание различных типов оптических волокон с крошечными трёхмерными и двумерными чипами. В результате получается компактная платформа, способная одновременно обрабатывать сотни каналов данных, что указывает на следующий этап эволюции магистралей интернета и центров обработки данных с высокой пропускной способностью.

Использование пространства внутри волокна как дополнительных полос

Традиционные волоконные каналы передают информацию, меняя яркость, цвет или поляризацию света в одном пути. Мультиплексирование по пространственному разделению рассматривает поперечное сечение волокна как многополосную автомагистраль, используя разные сердечники или распределения света как параллельные каналы. Для этого разработано несколько специализированных волокон: few‑mode волокна, поддерживающие небольшой набор мод; multi‑core волокна с множеством крошечных сердечников; и волокна с орбитальным угловым моментом, направляющие свет по винтовым траекториям. Каждый тип волокна хорош в своих задачах, но ни один вряд ли станет универсальным. В реальных сетях все эти варианты должны сосуществовать и эффективно взаимодействовать с он‑чип волноводами, которые перемещают свет на миллиметровые или сантиметровые расстояния внутри фотонных схем.

Соединение несовместимых частей с помощью 3D и 2D чипов

Серьёзная проблема в том, что формы и размеры световых полей в этих волокнах и на чипах сильно различаются, поэтому прямые соединения с малым затуханием даются нелегко. Авторы решают эту задачу, создавая «мостовой» чип из стекла методом лазерной записи фемтосекундными импульсами, который позволяет «рисовать» трёхмерные волноводы внутри бруска кремнезёма. Этот 3D‑чип принимает свет из разнообразных волокон и постепенно перераспределяет и перенаправляет его так, чтобы каждый пространственный канал выходил в виде аккуратного одномодового выхода. Одновременно команда сужает пятна света до размеров, совместимых с крошечными кремниевыми волноводами на втором, плоском 2D‑чипе. Тщательная разработка изогнутых траекторий, делителей и конических переходов удерживает потери и перекрёстные помехи на низком уровне, позволяя выполнять сложные преобразования мод между multi‑core, few‑mode, волокнами с орбитальным моментом и стандартными одномодовыми волокнами, а также в многомодовые он‑чип волноводы.

Крошечный оптический узел, управляющий сотнями каналов

Когда пространственные каналы достигают кремниевого чипа, ими можно управлять почти как сигналами на электронной плате — но в оптической области. Авторы интегрируют большое число функциональных блоков, включая интерферометрические аттенюаторы и массивы микрорезонаторов. Интерферометры позволяют точно уравновешивать мощность в каждом пространственном пути, а микрорезонаторы выбирают или перенаправляют определённые длины волн внутри этих путей. При проектировании резонаторов с широким расстоянием между резонансами чип способен обрабатывать 36 близко расположенных длин волн на каждый пространственный канал. Восемь пространственных каналов, помноженные на 36 длин волн, дают 288 отдельных оптических каналов, которые можно динамически вырезать, добавлять или уравнивать в пределах площади всего в несколько сантиметров.

Демонстрация высокоскоростной передачи по многим полосам

Чтобы показать работоспособность этой сложной системы на практике, команда собрала полный канал связь «волокно–чип–волокно». Они сгенерировали 36 лазерных длин волн, неся продвинутые сигналы с 16‑уровневым кодированием, и разделили их на восемь пространственных путей с помощью multi‑core и few‑mode волокон. Эти сигналы прошли через 3D‑стеклянный чип, в 2D‑кремниевый управляющий модуль и обратно в волокна к когерентному приёмнику, как это могло бы происходить в реальном узле сети. По всем 288 каналам измеренные уровни ошибок оставались ниже порога, при котором стандартные цифровые методы коррекции ошибок способны устранить нарушения. В сумме установка обеспечила примерно 30 терабит в секунду пропускной способности — это эквивалент десятков тысяч потоков видео в высоком разрешении — через одну интегрированную платформу.

Что это означает для будущих сетей

Проще говоря, эта работа показывает, как превратить один оптический канал в высокоорганизованную многополосную супермагистраль для данных, сочетая разные волокна с 3D и 2D фотонными чипами. Хотя продемонстрированная ёмкость пока ниже рекордных лабораторных систем, использующих громоздкую оптику, гибридный подход компактен, масштабируем и совместим с методами производства чипов. Авторы утверждают, что по мере взросления этих компонентов и добавления большего числа пространственных каналов и длин волн подобные архитектуры в конечном итоге смогут достигать петабит‑в‑секундных пропускных способностей. Это дало бы конструкторам сетей практический путь для удовлетворения растущего спроса на данные без бесконечной прокладки новых волокон.

Цитирование: 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

Ключевые слова: оптическая связь, мультиплексирование по пространственному разделению, кремниевая фотоника, многополюсное волокно, фотонная интеграция