近日，复旦大学信息科学与工程学院张俊文、迟楠研究团队与张江实验室合作，在探索下一代片上多维复用大容量光互连方面取得重要突破，设计并制造了一种硅基超紧凑数字超材料模分复用器，并成功实验演示了“模式-波长-时间”的多维复用信号调制与传输，单模单波速率最高可达324 Gb/s，总容量高达38.2 Tb/s，打破光互连领域多项记录。该成果以《基于边缘引导逆向设计的数字超材料模式复用器用于高容量多维光互连》（“Edge-guided inverse design of digital metamaterial-based mode multiplexers for high-capacity multi-dimensional optical interconnect”）为题发表在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。信息学院22级博士生孙奥龙为本文第一作者，21级博士生邢思哲为共同第一作者，信息学院张俊文研究员负责该论文研究项目的开展，并与迟楠教授及张江实验室科研人员为论文共同通讯作者。

图1 （a）面向多XPU通信场景的片上多维复用光互连系统示意图；（b）本文提出的时空频多维复用架构；（c）可支持大规模稳定制造的逆向设计模式复用器。

该研究团队通过结合时间、频率和模式的多维复用技术（如图1），突破了光互连系统在容量和频谱效率上的传统限制，提供了一种全新的解决方案来应对日益增长的智算芯片互连需求。为了实现片上高密度多维复用，该研究团队提出了一种边缘引导的逆向设计算法（如图2），结合了拓扑优化算法的高效与数字超材料的工艺鲁棒性，成功实现了超紧凑五模、六模模分复用器以及双偏模分复用器的设计，器件均表现出较平坦的光谱响应和低损特性。其中五模复用器尺寸仅为10μm×6μm，在1550nm处损耗低于1.97dB，串扰小于-20dB。该算法相较于传统数字优化算法效率提升了9.7倍，突破了逆向设计模式复用器的阶数限制，为人工智能、大模型训练、GPU加速计算等应用场景提供强有力的支持。

图2：边缘引导的逆向设计算法及其优化效果

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57689-7