通过直接多样化光纤与3D/2D芯片混合集成，迈向通用的多维并行通信

为何在光中装载更多数据至关重要

每当你播放流媒体、参加视频通话或将文件备份到云端时，信息都在细如发丝的玻璃光纤中奔跑。这些光纤正接近其极限，而我们对数据的需求仍在增长。本文报道了一种通过将不同类型的光纤与微小的三维和二维芯片相结合，显著提高单一连接信息承载量的新方法。结果是一个紧凑的平台，能够并行处理数百个数据通道，指向下一代大容量互联网骨干网和数据中心的发展方向。

将光纤内部空间当作额外车道

传统光纤链路通过改变单一路径中光的强度、颜色或偏振来传输信息。空间分复用则将光纤的横截面视作多车道高速公路，利用不同的光核或光型作为并行通道。为此开发了几种专用光纤：支持少量光模的少模光纤、将许多微小光芯束装在一起的多芯光纤，以及以螺旋形路径引导光的轨道角动量光纤。每种光纤在特定应用中各有优势，但单一类型难以独占主导地位。在真实网络中，这些光纤都需共存，并且必须能高效地与在光子电路内以毫米或厘米尺度传输光的片上波导对接。

用3D和2D芯片弥合不匹配的部分

一个主要难题在于这些光纤与芯片的光场形状与尺寸差异很大，使得直接低损耗连接变得困难。作者通过在玻璃中采用飞秒激光写入技术构建一块“桥接”芯片来解决这一问题，该方法可以在硅石块内部绘制三维波导。这块3D芯片接收来自各类光纤的光，并逐步重塑与重路由，使每个空间通道最终以整齐的单模输出形式出现。与此同时，团队将光斑收缩到足以匹配第二块平面二维芯片上微小的硅波导。通过对弯曲路径、分路器和锥形结构的精心设计，保持了低损耗与低串扰，从而实现多芯、少模、轨道角动量和标准单模光纤之间以及到片上多模波导的复杂模态转换。

能够管理数百通道的微型光学枢纽

一旦空间通道到达硅芯片，它们在光学领域可以像电子电路板上的信号那样被操控。作者集成了大量构件，包括基于干涉仪的衰减器和微环谐振器阵列。干涉仪可精细平衡各空间路径的功率，而微环谐振器则能在这些路径内选择或重定向特定波长的光。通过设计具有较宽谐振间隔的微环，芯片每个空间通道可以处理36个紧密排列的波长。8个空间通道乘以36个波长产生288个不同的光学通道，可以在仅几厘米见方的占位内动态地丢弃、添加或均衡。

在多车道上演示高速数据传输

为证明该复杂系统在实际中的可行性，团队构建了完整的光纤–芯片–光纤通信链路。他们产生了36个激光波长，承载先进的16级编码信号，并使用多芯与少模光纤将它们分配到八条空间路径。信号通过3D玻璃芯片进入2D硅管理器，再通过光纤发出到相干接收机，就像在真实网络节点中一样。在全部288个通道上，测得的误码率低于标准数字纠错能修正的阈值。总体上，该系统实现了约30太比特每秒的数据吞吐量——相当于数万路高清流媒体——通过单一集成平台传输。

这对未来网络意味着什么

通俗地说，这项工作展示了如何通过将不同光纤与3D和2D光子芯片相结合，把单一光链路变成高度组织化的多车道数据超级高速公路。尽管演示的容量仍低于依赖笨重光学元件的实验室记录系统，但这种混合方法紧凑、可扩展且与芯片制造工艺兼容。作者认为，随着这些组件的成熟以及更多空间通道和波长的引入，类似架构最终可能达到拍比特每秒级的容量，为网络设计者提供一条实际路径，以跟上爆炸性增长的数据需求，而无需无休止地铺设新光纤。

引用: 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

关键词: 光学通信, 空间分复用, 硅光子学, 多芯光纤, 光子集成