摩尔芯创现身易贸汽车产业大会，客户反馈：高度认可产品价值，期待进一步合作

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]。引言随着人工智能、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？技术突破：EG-ADO方法解密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Lumerical软件：光场仿真的“数字孪生”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。实验结果：单芯片实现440通道并行传输该团队基于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。应用前景：从数据中心到光计算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。结语：光互连的“中国方案”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.来源：摩尔芯创