光互连技术凭借其高带宽、低功耗和抗电磁干扰等优势，成为突破“电子瓶颈”的关键。然而，单模光纤的容量已接近香农极限，如何在有限物理空间内实现更高密度的数据传输，成为学术界和产业界共同关注的焦点。本期文章将介绍一项发表于《NatureCommunications》的研究，提出了一种边缘引导模拟与数字优化（EG-ADO）方法，成功设计出支持6种模式的数字超材料复用器，并在硅基光芯片上实现了38.2Tb/s的创纪录互连容量^[1]。

随着人工智能、云计算和虚拟现实等技术的爆发式增长，传统电子互连技术已逐渐成为算力提升的瓶颈。铜线传输的功耗高、带宽低、延迟大等问题，使得全球科技巨头纷纷转向光互连技术。然而，如何在小尺寸芯片上实现超高容量传输，一直是行业难题。近日，复旦大学联合张江实验室的团队在《Nature Communications》发表重磅成果，通过EG-ADO方法，成功设计出支持6种模式的数字超材料复用器，并在硅基光芯片上实现了38.2Tb/s的创纪录互连容量。这项研究为下一代数据中心和光计算互连提供了全新解决方案。这项技术为何能打破传统限制？它将如何改变未来的数据中心？

传统逆向设计的困境

逆设计通过定义目标性能并反向优化结构参数，已成为光子器件设计的新范式。但现有方法面临两大挑战：

● 模拟超材料（AM）：基于拓扑优化的不规则结构虽性能优异，但纳米级特征尺寸和复杂轮廓导致制造良率低下。

● 数字超材料（DM）：采用规则方形/圆形刻蚀的DM易于制造，但直接二进制搜索（DBS）算法的计算复杂度随模式数呈指数增长，难以设计高阶复用器。

EG-ADO的三阶段优化

研究团队创新性地将边缘检测算法引入逆设计流程，提出三阶段优化框架：

阶段一：拓扑优化（TO）

● 使用伴随法（Adjoint Method）对超材料区域的介电常数分布进行迭代优化。

● 每个迭代步骤通过正向和伴随电磁场仿真计算目标函数梯度，逐步逼近最优模拟超材料结构。

阶段二：边缘引导转换

● 采用Canny边缘检测算法提取模拟结构中的关键轮廓信息。

● 通过最大池化操作将像素尺寸从20nm放大至120nm，满足商用光刻工艺的最小特征尺寸（MFS）要求。

图1与代工厂兼容的逆向设计数字超材料

● 生成二值化决策图：非边缘像素直接继承模拟结构参数，边缘像素标记为“待定（TBD）”，仅占总数5%-10%。

阶段三：数字优化

● 针对TBD像素，开发定制化直接二进制搜索算法：交替测试硅和二氧化硅材料，选择性能更优的配置。

● 最终结构由规则方形孔洞组成，既保留模拟设计的性能优势，又确保制造可行性。

图2EG-ADO方法的工作流程

该方法实现了三大优势：

● 效率提升：计算复杂度从二次方（DBS方法）降至线性增长。

● 工艺鲁棒性：通过边缘保护机制，减少小尺寸特征对蚀刻精度的依赖。

● 设计自由度：支持从二模到六模的灵活扩展。

图3 SOI平台上逆向设计计算复杂度比较

在器件设计中，团队采用ANSYS Lumerical的有限差分本征模求解器（FDE），精确计算不同模式的有效折射率和传输特性。通过对10×6μm²超材料区域迭代优化，成功实现了五模式间的高效耦合，仿真结果显示插入损耗低于1.96dB，串扰低于-15.81dB。

Lumerical的核心作用：

● 模式分析：识别波导中所支持的模式类型及其场分布，为器件设计提供理论基础。

● 优化迭代：通过伴随方法计算梯度，指导结构参数调整，确保器件在C波段（1530-1565nm）内的平坦响应。

● 工艺验证：模拟刻蚀误差对器件性能的影响，通过调整设计参数提升制造鲁棒性，使良率提高30%以上。

该团队基于EG-ADO方法设计并制造了支持4、5、6模式的复用器芯片，关键性能指标全面领先：

● 低损耗与低串扰：5模式复用器的插入损耗仅1.97dB，串扰低于-20dB，覆盖整个C波段（1530-1565nm）。对比传统设计，器件面积缩小一个数量级，同时支持更高阶模式。

● 单波长高速传输：每个模式支持108GBaud的PAM-8调制信号，单波长总容量达1.62Tb/s。眼图清晰，误码率（BER）低于OFEC阈值（0.02），验证了低串扰特性。

图4不同通道上108GBaud PAM-8信号的相应眼图

● 多维复用创纪录：结合88个波长通道与5个模式，实现440通道并行传输，总容量达38.2Tb/s，频谱效率高达8.68bit/s/HZ。

这项技术的突破性不仅在于传输容量，更在于其可扩展性与兼容性：

● 支持下一代数据中心：当前主流100G/400G光模块将逐步升级至800G/1.6T，而EG-ADO技术可轻松扩展至250个波长通道，理论容量达0.218Pb/s，满足未来十年需求。

● 赋能光计算互连：在AI芯片、光子处理器等场景中，高密度光互连可大幅降低延迟与功耗，突破“内存墙”限制。

● 推动硅光生态：兼容CMOS工艺的特性，使得该技术可快速集成到现有芯片平台，加速硅光技术的产业化。

这项研究不仅证明了逆设计在复杂光子器件开发中的巨大潜力，更为光互连技术迈向Pb/s时代奠定了基石。随着全球数据中心能耗问题日益严峻，这种“多维复用+逆设计”的技术范式，或将成为破局绿色算力困局的关键钥匙。未来，当每一束光都承载着数百个独立信道，或许“光纤到芯片”的愿景，将比想象中更早照进现实。

参考：

[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.