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

隨著人工智能、云計算和虛擬現(xiàn)實等技術的爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)電子互連技術已逐漸成為算力提升的瓶頸。銅線傳輸?shù)墓母?、帶寬低、延遲大等問題，使得全球科技巨頭紛紛轉向光互連技術。然而，如何在小尺寸芯片上實現(xiàn)超高容量傳輸，一直是行業(yè)難題。近日，復旦大學聯(lián)合張江實驗室的團隊在《Nature Communications》發(fā)表重磅成果，通過EG-ADO方法，成功設計出支持6種模式的數(shù)字超材料復用器，并在硅基光芯片上實現(xiàn)了38.2Tb/s的創(chuàng)紀錄互連容量。這項研究為下一代數(shù)據(jù)中心和光計算互連提供了全新解決方案。這項技術為何能打破傳統(tǒng)限制？它將如何改變未來的數(shù)據(jù)中心？

傳統(tǒng)逆向設計的困境

逆設計通過定義目標性能并反向優(yōu)化結構參數(shù)，已成為光子器件設計的新范式。但現(xiàn)有方法面臨兩大挑戰(zhàn)：

● 模擬超材料（AM）：基于拓撲優(yōu)化的不規(guī)則結構雖性能優(yōu)異，但納米級特征尺寸和復雜輪廓導致制造良率低下。

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

EG-ADO的三階段優(yōu)化

研究團隊創(chuàng)新性地將邊緣檢測算法引入逆設計流程，提出三階段優(yōu)化框架：

階段一：拓撲優(yōu)化（TO）

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

● 每個迭代步驟通過正向和伴隨電磁場仿真計算目標函數(shù)梯度，逐步逼近最優(yōu)模擬超材料結構。

階段二：邊緣引導轉換

● 采用Canny邊緣檢測算法提取模擬結構中的關鍵輪廓信息。

● 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計數(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構參數(shù)，邊緣像素標記為“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。

● 最終結構由規(guī)則方形孔洞組成，既保留模擬設計的性能優(yōu)勢，又確保制造可行性。

圖2EG-ADO方法的工作流程

該方法實現(xiàn)了三大優(yōu)勢：

● 效率提升：計算復雜度從二次方（DBS方法）降至線性增長。

● 工藝魯棒性：通過邊緣保護機制，減少小尺寸特征對蝕刻精度的依賴。

● 設計自由度：支持從二模到六模的靈活擴展。

圖3 SOI平臺上逆向設計計算復雜度比較

在器件設計中，團隊采用ANSYS Lumerical的有限差分本征模求解器（FDE），精確計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，成功實現(xiàn)了五模式間的高效耦合，仿真結果顯示插入損耗低于1.96dB，串擾低于-15.81dB。

Lumerical的核心作用：

● 模式分析：識別波導中所支持的模式類型及其場分布，為器件設計提供理論基礎。

● 優(yōu)化迭代：通過伴隨方法計算梯度，指導結構參數(shù)調整，確保器件在C波段（1530-1565nm）內的平坦響應。

● 工藝驗證：模擬刻蝕誤差對器件性能的影響，通過調整設計參數(shù)提升制造魯棒性，使良率提高30%以上。

該團隊基于EG-ADO方法設計并制造了支持4、5、6模式的復用器芯片，關鍵性能指標全面領先：

● 低損耗與低串擾：5模式復用器的插入損耗僅1.97dB，串擾低于-20dB，覆蓋整個C波段（1530-1565nm）。對比傳統(tǒng)設計，器件面積縮小一個數(shù)量級，同時支持更高階模式。

● 單波長高速傳輸：每個模式支持108GBaud的PAM-8調制信號，單波長總容量達1.62Tb/s。眼圖清晰，誤碼率（BER）低于OFEC閾值（0.02），驗證了低串擾特性。

圖4不同通道上108GBaud PAM-8信號的相應眼圖

● 多維復用創(chuàng)紀錄：結合88個波長通道與5個模式，實現(xiàn)440通道并行傳輸，總容量達38.2Tb/s，頻譜效率高達8.68bit/s/HZ。

這項技術的突破性不僅在于傳輸容量，更在于其可擴展性與兼容性：

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

● 賦能光計算互連：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“內存墻”限制。

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

這項研究不僅證明了逆設計在復雜光子器件開發(fā)中的巨大潛力，更為光互連技術邁向Pb/s時代奠定了基石。隨著全球數(shù)據(jù)中心能耗問題日益嚴峻，這種“多維復用+逆設計”的技術范式，或將成為破局綠色算力困局的關鍵鑰匙。未來，當每一束光都承載著數(shù)百個獨立信道，或許“光纖到芯片”的愿景，將比想象中更早照進現(xiàn)實。

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.