光互連技術(shù)憑借其高帶寬、低功耗和抗電磁干擾等優(yōu)勢，成為突破“電子瓶頸”的關(guān)鍵。然而，單模光纖的容量已接近香農(nóng)極限，如何在有限物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)傳輸，成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。本期文章將介紹一項(xiàng)發(fā)表于《NatureCommunications》的研究，提出了一種邊緣引導(dǎo)模擬與數(shù)字優(yōu)化（EG-ADO）方法，成功設(shè)計(jì)出支持6種模式的數(shù)字超材料復(fù)用器，并在硅基光芯片上實(shí)現(xiàn)了38.2Tb/s的創(chuàng)紀(jì)錄互連容量^[1]。

隨著人工智能、云計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)電子互連技術(shù)已逐漸成為算力提升的瓶頸。銅線傳輸?shù)墓母摺挼?、延遲大等問題，使得全球科技巨頭紛紛轉(zhuǎn)向光互連技術(shù)。然而，如何在小尺寸芯片上實(shí)現(xiàn)超高容量傳輸，一直是行業(yè)難題。近日，復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合張江實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表重磅成果，通過EG-ADO方法，成功設(shè)計(jì)出支持6種模式的數(shù)字超材料復(fù)用器，并在硅基光芯片上實(shí)現(xiàn)了38.2Tb/s的創(chuàng)紀(jì)錄互連容量。這項(xiàng)研究為下一代數(shù)據(jù)中心和光計(jì)算互連提供了全新解決方案。這項(xiàng)技術(shù)為何能打破傳統(tǒng)限制？它將如何改變未來的數(shù)據(jù)中心？

傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)的困境

逆設(shè)計(jì)通過定義目標(biāo)性能并反向優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，已成為光子器件設(shè)計(jì)的新范式。但現(xiàn)有方法面臨兩大挑戰(zhàn)：

● 模擬超材料（AM）：基于拓?fù)鋬?yōu)化的不規(guī)則結(jié)構(gòu)雖性能優(yōu)異，但納米級特征尺寸和復(fù)雜輪廓導(dǎo)致制造良率低下。

● 數(shù)字超材料（DM）：采用規(guī)則方形/圓形刻蝕的DM易于制造，但直接二進(jìn)制搜索（DBS）算法的計(jì)算復(fù)雜度隨模式數(shù)呈指數(shù)增長，難以設(shè)計(jì)高階復(fù)用器。

EG-ADO的三階段優(yōu)化

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將邊緣檢測算法引入逆設(shè)計(jì)流程，提出三階段優(yōu)化框架：

階段一：拓?fù)鋬?yōu)化（TO）

● 使用伴隨法（Adjoint Method）對超材料區(qū)域的介電常數(shù)分布進(jìn)行迭代優(yōu)化。

● 每個(gè)迭代步驟通過正向和伴隨電磁場仿真計(jì)算目標(biāo)函數(shù)梯度，逐步逼近最優(yōu)模擬超材料結(jié)構(gòu)。

階段二：邊緣引導(dǎo)轉(zhuǎn)換

● 采用Canny邊緣檢測算法提取模擬結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵輪廓信息。

● 通過最大池化操作將像素尺寸從20nm放大至120nm，滿足商用光刻工藝的最小特征尺寸（MFS）要求。

圖1與代工廠兼容的逆向設(shè)計(jì)數(shù)字超材料

● 生成二值化決策圖：非邊緣像素直接繼承模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)，邊緣像素標(biāo)記為“待定（TBD）”，僅占總數(shù)5%-10%。

階段三：數(shù)字優(yōu)化

● 針對TBD像素，開發(fā)定制化直接二進(jìn)制搜索算法：交替測試硅和二氧化硅材料，選擇性能更優(yōu)的配置。

● 最終結(jié)構(gòu)由規(guī)則方形孔洞組成，既保留模擬設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢，又確保制造可行性。

圖2EG-ADO方法的工作流程

該方法實(shí)現(xiàn)了三大優(yōu)勢：

● 效率提升：計(jì)算復(fù)雜度從二次方（DBS方法）降至線性增長。

● 工藝魯棒性：通過邊緣保護(hù)機(jī)制，減少小尺寸特征對蝕刻精度的依賴。

● 設(shè)計(jì)自由度：支持從二模到六模的靈活擴(kuò)展。

圖3 SOI平臺(tái)上逆向設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜度比較

在器件設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)采用ANSYS Lumerical的有限差分本征模求解器（FDE），精確計(jì)算不同模式的有效折射率和傳輸特性。通過對10×6μm2超材料區(qū)域迭代優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了五模式間的高效耦合，仿真結(jié)果顯示插入損耗低于1.96dB，串?dāng)_低于-15.81dB。

Lumerical的核心作用：

● 模式分析：識(shí)別波導(dǎo)中所支持的模式類型及其場分布，為器件設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

● 優(yōu)化迭代：通過伴隨方法計(jì)算梯度，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，確保器件在C波段（1530-1565nm）內(nèi)的平坦響應(yīng)。

● 工藝驗(yàn)證：模擬刻蝕誤差對器件性能的影響，通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)提升制造魯棒性，使良率提高30%以上。

該團(tuán)隊(duì)基于EG-ADO方法設(shè)計(jì)并制造了支持4、5、6模式的復(fù)用器芯片，關(guān)鍵性能指標(biāo)全面領(lǐng)先：

● 低損耗與低串?dāng)_：5模式復(fù)用器的插入損耗僅1.97dB，串?dāng)_低于-20dB，覆蓋整個(gè)C波段（1530-1565nm）。對比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，器件面積縮小一個(gè)數(shù)量級，同時(shí)支持更高階模式。

● 單波長高速傳輸：每個(gè)模式支持108GBaud的PAM-8調(diào)制信號(hào)，單波長總?cè)萘窟_(dá)1.62Tb/s。眼圖清晰，誤碼率（BER）低于OFEC閾值（0.02），驗(yàn)證了低串?dāng)_特性。

圖4不同通道上108GBaud PAM-8信號(hào)的相應(yīng)眼圖

● 多維復(fù)用創(chuàng)紀(jì)錄：結(jié)合88個(gè)波長通道與5個(gè)模式，實(shí)現(xiàn)440通道并行傳輸，總?cè)萘窟_(dá)38.2Tb/s，頻譜效率高達(dá)8.68bit/s/HZ。

這項(xiàng)技術(shù)的突破性不僅在于傳輸容量，更在于其可擴(kuò)展性與兼容性：

● 支持下一代數(shù)據(jù)中心：當(dāng)前主流100G/400G光模塊將逐步升級至800G/1.6T，而EG-ADO技術(shù)可輕松擴(kuò)展至250個(gè)波長通道，理論容量達(dá)0.218Pb/s，滿足未來十年需求。

● 賦能光計(jì)算互連：在AI芯片、光子處理器等場景中，高密度光互連可大幅降低延遲與功耗，突破“內(nèi)存墻”限制。

● 推動(dòng)硅光生態(tài)：兼容CMOS工藝的特性，使得該技術(shù)可快速集成到現(xiàn)有芯片平臺(tái)，加速硅光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

這項(xiàng)研究不僅證明了逆設(shè)計(jì)在復(fù)雜光子器件開發(fā)中的巨大潛力，更為光互連技術(shù)邁向Pb/s時(shí)代奠定了基石。隨著全球數(shù)據(jù)中心能耗問題日益嚴(yán)峻，這種“多維復(fù)用+逆設(shè)計(jì)”的技術(shù)范式，或?qū)⒊蔀槠凭志G色算力困局的關(guān)鍵鑰匙。未來，當(dāng)每一束光都承載著數(shù)百個(gè)獨(dú)立信道，或許“光纖到芯片”的愿景，將比想象中更早照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

參考：

[1]Sun, Aolong, et al. "Edge-guided inverse design of digital metamaterial-based mode multiplexers for high-capacity multi-dimensional optical interconnect." Nature Communications 16.1 (2025): 1-12.