Mot universell flerdimensionell parallellisering av kommunikationer genom direkt mångfaldig fiber/3D/2D chip‑hybridintegration

Varför det spelar roll att packa mer data i ljus

När du strömmar en film, deltar i ett videosamtal eller säkerhetskopierar filer till molnet, far din information genom hårfinna glasfibrer. Dessa fibrer närmar sig sina gränser, samtidigt som vår aptit på data fortsätter att växa. Den här artikeln beskriver ett nytt sätt att kraftigt öka mängden information som kan passera genom en enda förbindelse genom att kombinera olika typer av optiska fibrer med små tredimensionella och tvådimensionella chip. Resultatet är en kompakt plattform som kan hantera hundratals parallella datakanaler och pekar mot nästa generation av högkapacitets‑internetstammar och datacenter.

Använda utrymmet inuti en fiber som extra filer

Traditionella fiberlänkar skickar information genom att variera ljusets ljusstyrka, färg eller polarisation i en enda bana. Rumssektions‑multiplexering behandlar istället fiberns tvärsnitt som en motorväg med flera filer och använder olika kärnor eller ljusmönster som parallella kanaler. Flera specialiserade fibrer har utvecklats för detta: få‑modus‑fibrer som stödjer ett litet antal ljusmönster, flerkärniga fibrer med många små kärnor sammansatta, och fibrer som bär orbitalt vinkelmoment där ljuset leds i skruvformade banor. Varje fibertyp är fördelaktig i vissa tillämpningar, men ingen ensam typ kommer sannolikt att dominera. I verkliga nätverk måste alla samexistera, och de måste också kopplas effektivt till on‑chip‑vågledare som förflyttar ljus över millimeter‑ eller centimeterskalor inom fotoniska funktioner.

Att bygga broar mellan olikformade delar med 3D‑ och 2D‑chip

Ett stort problem är att dessa fibrer och chip har mycket olika former och storlekar på ljusfältet, vilket gör direkta låg‑förlustförbindelser svåra. Författarna angriper detta genom att bygga ett "bro"‑chip i glas med femtosekundlaser‑skrivning, en metod som kan rita tredimensionella vågledare inne i en bit kiselsyra. Detta 3D‑chip tar emot ljus från olika fibrer och omformar och omdirigerar det gradvis så att varje spatial kanal kommer ut som en prydlig single‑mode‑utgång. Samtidigt förminskar teamet ljusfläckarna tillräckligt för att matcha de små kiselvåglederna på ett andra, plant 2D‑chip. Noggrann utformning av böjda banor, delare och koniska strukturer håller förluster och korsprat låga, vilket möjliggör komplexa modus‑konversioner mellan flerkärniga, få‑modus, orbitalt vinkelmoment och standard single‑mode‑fibrer samt in i on‑chip multimodala vågledare.

En minimal optisk nav som hanterar hundratals kanaler

När de spatiala kanalerna når kiselchipet kan de manipuleras ungefär som signaler på ett elektroniskt kretskort — men i optisk form. Författarna integrerar ett stort antal byggstenar, inklusive interferometer‑baserade dämpare och arrayer av mikroskopiska ringresonatorer. Interferometrarna kan finjustera effekten i varje spatial bana, medan ringresonatorerna väljer eller omdirigerar specifika färger av ljus inom dessa banor. Genom att utforma ringarna med ett stort avstånd mellan resonanserna kan chippet hantera 36 tätt placerade våglängder per spatial kanal. Åtta spatiala kanaler gånger 36 våglängder ger 288 distinkta optiska kanaler som dynamiskt kan släppas, läggas till eller jämnas ut inom ett fotavtryck på bara några centimeter.

Att demonstrera hög‑hastighetsdata över många filer

För att bevisa att detta intrikata system fungerar i praktiken byggde teamet en fullständig fiber–chip–fiber‑kommunikationslänk. De genererade 36 laser‑våglängder som bar avancerade 16‑nivå‑kodade signaler och delade upp dem i åtta spatiala banor med hjälp av flerkärniga och få‑modus‑fibrer. Dessa signaler passerade genom 3D‑glaschipet, in i 2D‑kiselhanteraren och ut igen genom fibrer till en koherent mottagare, precis som i en verklig nätverksnod. Över alla 288 kanaler hölls de mäta felfrekvenserna under tröskeln där standard digital felkorrigering kan rätta till misstag. Sammanlagt uppnådde systemet omkring 30 terabit per sekund i dataflöde — motsvarande tiotusentals högupplösta videoströmmar — genom en enda integrerad plattform.

Vad detta betyder för framtida nätverk

I vardagliga termer visar detta arbete hur man kan förvandla en enskild optisk länk till en mycket organiserad flerfilig motorväg för data genom att kombinera olika fibrer med 3D‑ och 2D‑fotoniska chip. Fast den demonstrerade kapaciteten ännu ligger under laboratoriumsrekord som använder otymplig optik, är den hybridbaserade metoden kompakt, skalbar och kompatibel med chip‑tillverkningsmetoder. Författarna menar att när dessa komponenter mognar och fler spatiala kanaler och våglängder läggs till, skulle liknande arkitekturer i slutändan kunna nå kapaciteter i petabit‑per‑sekund‑klassen. Det skulle ge nätverksdesigners en praktisk väg för att hänga med den exploderande datamängden utan att oändligt behöva lägga nya fibrer.

Citering: 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

Nyckelord: optisk kommunikation, rumssektions‑multiplexering, kisel-fotonik, flerkärnig fiber, fotonisk integration