利用多样化混合集成搭建跨尺度多维光纤—芯片数据传输与处理的桥梁

为什么未来的互联网通道需要一种新型桥梁

每一次视频通话、云备份和人工智能训练都依赖于在细如发丝的玻璃光纤和微小的片上电路中飞速传输的光信号。但今天存在一个隐形瓶颈：数据在长距离光纤中快速传输，到达数据中心和网络节点的处理硬件时，却要面对更慢且耗能更大的电子设备。本文展示了一种将大容量光纤直接连接到先进光子芯片的新方法，可缩短该瓶颈并指向更快、更高效的通信网络。

从长途电缆到微小芯片

现代网络越来越依赖“多车道”光通信，将信息同时打包到多维度中：不同颜色（波长）、偏振和空间模式。少模光纤可以携带若干这样的空间模式，在长距离传输中显著提高容量。在另一端，硅光子芯片可以利用密集的片上波导在毫米尺度上对光进行路由、滤波和处理。但这两个世界天然并不匹配：光纤芯内的光场分布与纳米尺度芯片波导中的模式差别很大。现有解决方案通常需要多次中间转换、大量机架设备以及反复的光—电—光转换，这些都会消耗能量并增加延时。

构建一座跨尺度的桥梁

作者提出了一种混合“桥”结构，将三维玻璃芯片与二维硅光子电路结合起来。与其尝试直接匹配光纤与芯片之间复杂的多模模式，桥首先将光转换为整齐的单模通道阵列。在玻璃部分，来自少模光纤的不同空间模式通过一种特殊形状的耦合器被精细分离，并被引导到不同的单模波导中，这些波导均用飞秒激光脉冲在三维中写入。随后，这些单模路径通过为低损耗和良好制造容差而设计的锥形连接将光传递给硅芯片。

将光学高速公路变为可重构的网格

一旦进入硅芯片，分离出的通道被重塑为片上多模波导所使用的模式。芯片上的附加结构分裂并旋转偏振，使所有信号都能使用共同且受控的基模进行处理。处理引擎的核心是由微小环形谐振器阵列构成的大型可重构光插拔复用器（ROADM）。通过轻微加热这些环，团队可移动其与之交互的光谱位置，从而按需将特定波长通道加入或移出数据流。超过2000个独立元件——交叉口、耦合器、加热器和接触焊盘——被集成在单个硅片上，实现了跨越三种空间模式、两种偏振和32个波长的192条独立通道。

将系统投入现实化测试

为证明这不仅仅是实验室的好点子，研究者们搭建了完整的传输实验。他们产生了32个波长通道，每个通道使用一种先进的通用调制格式承载高速数据信号。这些信号被划分到六种空间与偏振组合中，发射入少模光纤，经过该混合3D/2D耦合器，并由片上ROADM进行路由。在输出端，使用相干接收器和数字处理恢复数据。在全部192个通道上，测得的误码率在实际光信噪比下均低于标准前向纠错阈值，对应的总体吞吐量约为20太比特/秒。更长光纤长度的测试仅带来适度的性能下降，谐振器的宽调谐范围允许在端口失效时重新分配通道，从而提高了鲁棒性。

这对下一代互联网意味着什么

从本质上讲，这项工作同时弥合了两道鸿沟：粗壮长途光纤与微小片上波导之间的物理尺度差距，以及超快光传输与较慢电子处理之间的性能差距。通过结合三维玻璃波导、二维硅光子学和高度可重构的片上交换结构，作者展示了一种可扩展架构，能够在不频繁回退到电子处理的情况下迁移和操控大量数据。尽管在损耗、扩展性和功能方面仍可进一步改进，这套192通道、20太比特/秒的光纤—芯片系统代表了朝向从骨干光缆一直到处理芯片都保持在光学域内的未来通信网络迈出的重要一步。

引用: 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

关键词: 硅光子学, 光纤网络, 模分复用, 可重构光插拔复用器, 太比特级数据传输