新型可编程光子芯片可控制光的传播速度

首尔国立大学和首尔市立大学的研究人员成功开发出一种可编程光子集成电路，能够按需减慢光速，为光计算和光通信领域带来了重大突破。这项研究由首尔国立大学电气与计算机工程系的Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授，以及首尔市立大学电气与计算机工程系的Xianji Piao教授共同领导，相关成果发表在《Advanced Science》期刊上。

随着生成式AI和大规模AI模型的快速发展，数据中心和服务器对计算能力的需求急剧上升。传统的电子半导体在能耗和数据处理速度方面面临瓶颈，而光计算利用光而非电信号处理信息，具有高速、低功耗的潜力。然而，光以固定速度传播，使其难以被延迟或暂存，而这些功能对于光计算机中的缓冲和存储至关重要。

为了解决这一难题，研究团队采用了一种称为“耦合谐振器诱导透明”（CRIT）的物理现象。CRIT通过多个光学谐振器之间的干涉，使特定频率范围内的光通过器件，同时降低其传播速度。传统CRIT器件一旦制造完成，其工作特性便固定不变，无法适应不同延迟时间或频率范围的需求，这增加了光学通信系统和数据中心的复杂性和成本。

研究者提出了一种全新的设计策略：将CRIT系统中的“亮模”和“暗模”两个光学状态视为一个统一的自由度，并引入两个可控环形耦合器。这使得原本制造后无法调整的谐振器排列可以针对不同需求进行重新配置。通过这种新结构，研究人员展示了光运动可以被按需延迟和控制，同时亮模和暗模之间的干涉也可作为单一设计参数进行调节。

理论上，两个环形耦合器可用于调整通带的带宽和形状，控制信号延迟时间和传输效率。这意味着整个系统（包含多个谐振器）中的光信号速度和传输特性均可重构，而不仅限于单个谐振器。数值模拟还表明，光脉冲的速度可以在电路运行过程中动态调整，且延迟时间的变化不会降低处理性能。系统还能在不增加专用组件的情况下实现光的频率转换。

为了验证该器件的实际可行性，研究人员利用三维电磁仿真在硅氮化物（Si3N4）光子集成电路平台上进行了测试。他们评估了材料损耗、谐振器品质因数差异、背向散射、耦合波动、环形耦合器相位误差以及热串扰等现实问题，仿真结果表明该结构在真实条件下仍能可靠运行。

这项研究引入了一种可编程光子平台，能够在实时控制光信号的时间和频率特性，有望克服传统光学延迟器件功能单一的局限。未来，信号同步、可调延迟线、光缓存和频率转换等功能可能集成于同一光子电路中。此外，该设计原理还可应用于更广泛的基于谐振器的光子电路，为更灵活的光学信号处理技术奠定基础。

如果该技术实现商业化，单个可编程光学芯片可执行多项任务，类似于软件定义系统，其行为可根据需求调整。这将帮助数据中心和AI服务器更高效地处理信息，降低能耗，并缩小光学通信设备和传感器系统的尺寸与成本。长期来看，该技术可支持自动驾驶、下一代通信和量子技术等对超高速信息处理有需求的领域。

论文的共同通讯作者Namkyoo Park教授表示：“这项研究提出了一种新的设计原理，使光子集成电路内部的光流可按需重构，大大增强了设计灵活性。我们计划将该技术扩展到基于硅光子和光子AI技术的大规模可编程光子集成电路。”共同第一作者Seungkyun Park博士和博士生Beomjoon Chae补充道：“通过这项研究，我们意识到从不同角度重新解释传统光子谐振器物理可以为发现光子集成电路的新功能提供起点。我们将进一步推进实际器件实现和实验验证。”