1.8 Тбит/с на одной длине волны: MZI-сеть распутывает 6×6-канал

На выходе 300-метрового многомодового волокна шесть сигналов приходят одной смешанной световой кашей. В обычном приёмнике их пришлось бы снять несколькими АЦП, оценить комплексный канал и непрерывно прогонять через цифровой 6×6-эквалайзер. В эксперименте Hao Chen и коллег эта каша сначала проходит через кремниевую MZI-сеть: интерферометры и фазовращатели физически складывают световые поля так, чтобы на фотодиоды снова пришли отдельные моды.

Это работа arXiv:2608.11639 о довольно редком случае, где аналоговое вычисление совпадает с природой задачи. Волокно смешивает комплексные амплитуды пространственных мод и поляризаций линейным преобразованием. Обратная операция тоже линейна. Значит, её можно выразить матрицей коэффициентов цифрового фильтра, а можно собрать из направленных ответвителей и интерферометров Маха—Цендера. Свет проходит такую матрицу за время распространения по чипу.

Авторы использовали двухмодовое graded-index волокно. Шесть степеней свободы образуют моды LP01, LP11a и LP11b, каждая в двух поляризациях. На одной оптической несущей в конфигурации 6×6 переданы три потока 16-QAM по 320 Гбит/с и три по 280 Гбит/с. Сумма даёт 1.8 Тбит/с, однако это агрегат шести параллельных каналов, а не рекордная скорость одного модулятора.

Схема чипа включает grating-coupler MUX/DEMUX для few-mode fiber, сеть MZI и встроенные microring-модуляторы с германий-кремниевыми фотодиодами. Для компенсации смешивания используется SVD-разложение канала: сети на двух концах линка настраиваются на обратные унитарные преобразования. В показанном 6×6 опыте остаточный суммарный crosstalk на выходах лежал от −7.6 до −12.4 дБ. Это рабочий демонстратор с BER-измерениями, однако запас для серийного линка, устойчивость к длительным изгибам волокна и нужный FEC из статьи не следуют.

Слово «самонастройка» здесь не означает автономный чип. ПК получает показания внешних измерителей мощности и запускает particle-swarm optimization. Настройка 1×6 занимала около 20 с, 2×2 — менее 4 с. Для спокойного 300-метрового стенда этого достаточно. В кабеле, который непрерывно шевелится, греется и меняет модовую матрицу, такой контур пока слишком медленный. Авторы также не компенсировали differential group delay, прямо связывая это с короткой дистанцией и graded-index волокном.

Есть и важная граница интеграции. На кремниевом кристалле стоят лишь два высокоскоростных microring-модулятора и два фотодиода. Для остальных четырёх линий в опыте использовали внешние передатчики и приёмники. Поэтому 1.8 Тбит/с нельзя читать как характеристику готового компактного трансивера: для него ещё потребуются лазер, драйверы, TIA, упаковка, термостабилизация и полный энергетический бюджет.

Самая громкая цифра авторов — более чем 5000-кратный выигрыш по энергии и задержке — относится строго к блоку MIMO-обработки в расчётном сравнении. Для MIMO порядка 6 они оценивают OSP менее чем в 0.1 пДж/бит и 0.28 нс, а Volterra equalizer PAM-4 — в 476.7 пДж/бит и 1.6 мкс. Сравнение с time-domain equalizer 16-QAM даёт уже 1.6 пДж/бит, то есть разрыв существенно скромнее. Это не измерение двух законченных сетевых адаптеров и не отмена DSP в остальном тракте.

Красота результата в другом: канал сам перемешал свет волновой физикой, и обратную матрицу удалось воплотить в той же физике. Если такие MZI-сетки научатся быстро следить за меняющимся каналом и масштабироваться по длинам волн, оптический интерконнект сможет перестать переводить часть своей задачи в цифру лишь затем, чтобы вернуть результат обратно в свет.