Evrensel çok boyutlu paralelleştirilmiş iletişime doğru: doğrudan çeşitli fiber/3B/2B çip hibrit entegrasyonu

Veriyi ışığa daha fazla sıkıştırmanın önemi

Bir film izlerken, görüntülü aramaya katılırken veya dosyalarınızı buluta yedeklerken bilgileriniz ince cam lifler boyunca hızla akıyor. Bu fiberler sınırlarına yaklaşırken veri talebimiz katlanarak artıyor. Bu makale, farklı türde optik fiberleri küçük üç boyutlu ve iki boyutlu çiplerle birleştirerek tek bir bağlantı üzerinden geçebilecek bilgi miktarını kökten artırmanın yeni bir yolunu anlatıyor. Sonuç, yüzlerce veri kanalını paralel olarak yöneten kompakt bir platform; bu da yüksek kapasiteli gelecek nesil internet omurgaları ve veri merkezlerine işaret ediyor.

Fiber içindeki alanı fazladan şeritler olarak kullanmak

Geleneksel fiber bağlantılar, tek bir yol boyunca ışığın parlaklığını, rengini veya polarizasyonunu değiştirerek bilgi gönderir. Uzay-bölümü çoğullama ise fiberin kesitini çok şeritli bir otoyol gibi görür; farklı çekirdekleri veya ışık desenlerini paralel kanallar olarak kullanır. Bunun için birkaç özel fiber geliştirilmiştir: sınırlı sayıda mod destekleyen few-mode (az modlu) fiberler, birçok küçük çekirdeğin bir arada paketlendiği çok-çekirdekli fiberler ve ışığı vida şeklinde yollarla yönlendiren orbital açısal momentum fiberleri. Her fiber türü belirli uygulamalarda öne çıkar, ancak tek bir türün hakim olması olası görünmüyor. Gerçek ağlarda hepsi bir arada var olmalı ve ayrıca ışığın fotonik devreler içinde milimetre veya santimetre ölçeğinde hareket ettirildiği yongadaki dalga kılavuzlarıyla verimli biçimde iletişim kurmaları gerekiyor.

Uyumsuz parçaları 3B ve 2B çiplerle köprülemek

Büyük bir sorun, bu fiberler ile çiplerin ışık alanlarının biçim ve boyut olarak çok farklı olması; bu da doğrudan düşük-kayıplı bağlantıları zorlaştırıyor. Yazarlar bunu, femtosaniye lazer yazımı kullanılarak cam içinde üç boyutlu dalga kılavuzları çizebilen bir “köprü” çip yaparak ele alıyor. Bu 3B çip, çeşitli fiberlerden gelen ışığı alıyor, her bir uzaysal kanalı düzgün tek-modlu bir çıkış hâline gelecek şekilde kademeli olarak yeniden şekillendirip yönlendiriyor. Aynı zamanda ekip, ışık lekelerini ikinci, düz 2B çipteki küçük silisyum dalga kılavuzlarıyla eşleştirebilecek kadar küçültüyor. Eğik yolların, bölücüler ve konikleştirilmiş yapıların dikkatli tasarımı, kayıp ve çapraz konuşmayı düşük tutuyor; böylece çok-çekirdekli, az-modlu, orbital-açısal-momentum ve standart tek-modlu fiberler ile çip içi multimod dalga kılavuzları arasında karmaşık mod dönüşümleri mümkün oluyor.

Yüzlerce kanalı yöneten minik bir optik merkez

Uzaysal kanallar silisyum çipe ulaştığında, bunlar optik alanda elektronik devre kartındaki sinyaller gibi işlenebiliyor. Yazarlar, interferometre tabanlı sönümleyiciler ve mikroskobik halka rezonatör dizileri dahil olmak üzere çok sayıda yapı bloğunu entegre ediyor. İnterferometreler her uzaysal yolun gücünü hassas şekilde dengeleyebilirken, halka rezonatörler bu yollar içindeki belirli ışık renklerini seçip yönlendirebiliyor. Halkaları geniş rezonans aralığıyla tasarlayarak, çip her bir uzaysal kanal için 36 yakın aralıklı dalga boyunu işleyebiliyor. Sekiz uzaysal kanal ile 36 dalga boyu çarpıldığında, dinamik olarak düşürülebilen, eklenebilen veya eşitlenebilen 288 ayrı optik kanal elde ediliyor; bunların tamamı sadece birkaç santimetrelik bir alanda toplanabiliyor.

Birçok şeritte yüksek hızlı veriyi göstermek

Bu karmaşık sistemin pratikte çalıştığını kanıtlamak için ekip tam bir fiber–çip–fiber iletişim bağlantısı kurdu. 16 seviyeli gelişmiş kodlamaya sahip 36 lazer dalga boyu ürettiler ve bunları çok-çekirdekli ve az-modlu fiberler kullanarak sekiz uzaysal yola böldüler. Bu sinyaller 3B cam çipten geçip 2B silisyum yöneticisine girdi ve aynı şekilde fiberler aracılığıyla koherent bir alıcıya çıktı; tıpkı gerçek bir ağ düğümünde olacağı gibi. Tüm 288 kanal boyunca ölçülen hata oranları, standart dijital hata düzeltmenin hataları temizleyebileceği eşiklerin altında kaldı. Genel olarak kurulum, tek bir entegre platform üzerinde yaklaşık 30 terabit/saniye veri aktarımı sağladı—bu, on binlerce yüksek çözünürlüklü video akışına eşdeğer bilgi miktarı demek.

Gelecek ağlar için ne anlama geliyor

Günlük ifadeyle, bu çalışma farklı fiberleri 3B ve 2B fotonik çiplerle birleştirerek tek bir optik bağlantıyı son derece düzenli çok şeritli bir veri süper otoyoluna dönüştürmenin nasıl yapılacağını gösteriyor. Gösterilen kapasite hâlâ hacimli optikler kullanan rekor kıran laboratuvar sistemlerinin altında olsa da, hibrit yaklaşım kompakt, ölçeklenebilir ve çip üretim yöntemleriyle uyumlu. Yazarlar, bu bileşenler olgunlaştıkça ve daha fazla uzaysal kanal ile dalga boyu eklendikçe benzer mimarilerin sonunda petabit/saniye düzeyine ulaşabileceğini savunuyor. Bu da ağ tasarımcılarına yeni fiberler döşemeye sonsuza dek devam etmeden patlayan veri talepleriyle başa çıkmak için pratik bir yol sağlayabilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: optik iletişim, uzay-bölümü çoğullama, silisyum fotoniği, çok çekirdekli fiber, fotonik entegrasyon