Utnyttjande av mångsidig hybridintegration för att överbrygga transskalig multimensionell fiber–chip-datatransmission och bearbetning

Varför framtidens internetledningar behöver en ny typ av bro

Varje videosamtal, molnbackup och AI-träning är beroende av ljus som far genom hårtunna glasfiber och små kretsar på chip. Men i dag finns en dold flaskhals: data rusar snabbt längs långdistans optiska fibrer, för att sedan träffa långsammare och energikrävande elektronik när det når bearbetningshårdvara i datacenter och nätverksnoder. Denna artikel visar ett nytt sätt att direkt koppla högkapacitetsoptiska fibrer till avancerade fotoniska chip, vilket krymper den flaskhalsen och pekar mot mycket snabbare och mer effektiva kommunikationsnät.

Från långdistanskablar till pyttesmå chip

Moderna nät bygger i allt större utsträckning på ”flerfilig” ljusöverföring, där information packas i många dimensioner samtidigt: olika färger (våglängder), polarisationer och spatiala mönster (moder) av ljus. Få-modes-fibrer kan bära flera sådana spatiala moder, vilket dramatiskt ökar kapaciteten över långa avstånd. I andra änden kan kisel-fotoniska chip styra, filtrera och bearbeta ljus på millimeternivå med tätpackade on-chip-vågledare. Men dessa två världar matchar inte naturligt: ljusets mönster inne i fiberkärnor ser mycket annorlunda ut än moderna i nanometersmå chip-vågledare. Dagens lösningar kräver ofta flera mellanliggande konversioner, rack med utrustning och upprepade optisk–elektrisk–optisk-omvandlingar som förbrukar energi och lägger till fördröjning.

Bygga en bro över skalorna

Författarna föreslår en hybrid ”bro” som kombinerar ett tredimensionellt glaschipp med en tvådimensionell kisel-fotonisk krets. Istället för att försöka matcha komplexa multimode-mönster direkt mellan fiber och chip, omvandlar bron först ljuset till en ordnad matris av enkla single-mode-kanaler. I glasdelen separeras olika spatiala mönster (moder) från få-mode-fibern noggrant med en särskilt formad kopplare och leds in i distinkta single-mode-vågledare, alla skrivna i 3D med femtosekundlaserpulser. Dessa single-mode-banor lämnar sedan över ljuset till kiselchippet via taperade förbindelser utformade för låga förluster och god tolerans mot fabrikationsvariationer.

Förvandla optiska motorvägar till omkonfigurerbara nät

När kanalerna väl är på kiselchippet formas de om till de moder som används i de on-chip multimode-vågledarna. Ytterligare strukturer på chippet delar upp och roterar polarisationer så att allt kan bearbetas med en gemensam, välkontrollerad fundamental mode. Kärnan i bearbetningsmotorn är en stor omkonfigurerbar optisk add–drop-multiplexer (ROADM) byggd av matriser av små ringformade resonatorer. Genom att lätt värma dessa ringar kan teamet förskjuta vilka färger av ljus de interagerar med, vilket gör det möjligt att lägga till eller ta bort specifika våglängdskanaler från datakanalen på begäran. Mer än 2 000 individuella komponenter — korsningar, kopplare, värmare och kontaktplattor — integreras på en enda kiselplatta för att realisera 192 distinkta kanaler som spänner över tre spatiala moder, två polarisationer och 32 våglängder.

Sätta systemet på ett realistiskt prov

För att visa att detta är mer än ett laboratoriefenomen byggde forskarna ett komplett transmissionsexperiment. De genererade 32 våglängdskanaler, vardera bärande en högfrekvent datasignal med en gemensam avancerad modulationsform. Dessa signaler delades mellan sex spatiala och polariseringskombinationer, lanserades in i en få-mode-fiber, passerade genom den hybrida 3D/2D-kopplaren och routades av den on-chip ROADM:en. Vid utgången återställde en koherent mottagare och digital bearbetning datan. Över alla 192 kanaler höll de uppmätta felnivåerna sig under standardtrösklar för felkorrigering vid praktiska optiska signal-brusnivåer, vilket motsvarar en total genomströmning på cirka 20 terabit per sekund. Tester med längre fiberlängder visade endast måttliga prestandastraff, och den breda avstämningsräckvidden hos resonatorerna gjorde det möjligt att tilldela om kanaler om någon port misslyckades, vilket ökade robustheten.

Vad detta betyder för nästa internet

I praktiken stänger detta arbete två gap samtidigt: det fysiska storleksgapet mellan tjocka långdistansfibrer och pyttesmå on-chip-vågledare, och prestandagapet mellan ultrarapid optisk transmission och långsammare elektronisk bearbetning. Genom att kombinera 3D glasvågledare, 2D kisel-fotonik och ett mycket omkonfigurerbart on-chip-switchnät visar författarna en skalbar arkitektur som kan flytta och manipulera enorma datamängder utan att ständigt falla tillbaka på elektronik. Även om ytterligare förbättringar i förluster, skalning och funktionalitet är möjliga, är detta 192-kanals, 20-terabit-per-sekund fiber–chip-system ett kraftfullt steg mot framtida kommunikationsnät där ljuset stannar i det optiska domänet från stomkabeln hela vägen in i bearbetningschipet.

Citering: 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

Nyckelord: kisel-fotonik, optiska fibernätverk, modavdelningsmultiplexering, omkonfigurerbar optisk add-drop-multiplexer, terabit-datatransmission