新型可編程光子芯片可控制光的傳播速度

首爾國立大學和首爾市立大學的研究人員成功開發出一種可編程光子集成電路，能夠按需減慢光速，為光計算和光通信領域帶來了重大突破。這項研究由首爾國立大學電氣與計算機工程系的Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授，以及首爾市立大學電氣與計算機工程系的Xianji Piao教授共同領導，相關成果發表在《Advanced Science》期刊上。

隨着生成式AI和大規模AI模型的快速發展，數據中心和服務器對計算能力的需求急劇上升。傳統的電子半導體在能耗和數據處理速度方面面臨瓶頸，而光計算利用光而非電信號處理信息，具有高速、低功耗的潛力。然而，光以固定速度傳播，使其難以被延遲或暫存，而這些功能對於光計算機中的緩衝和存儲至關重要。

為了解決這一難題，研究團隊採用了一種稱為“耦合諧振器誘導透明”（CRIT）的物理現象。CRIT通過多個光學諧振器之間的干涉，使特定頻率範圍內的光通過器件，同時降低其傳播速度。傳統CRIT器件一旦製造完成，其工作特性便固定不變，無法適應不同延遲時間或頻率範圍的需求，這增加了光學通信系統和數據中心的複雜性和成本。

研究者提出了一種全新的設計策略：將CRIT系統中的“亮模”和“暗模”兩個光學狀態視為一個統一的自由度，並引入兩個可控環形耦合器。這使得原本製造後無法調整的諧振器排列可以針對不同需求進行重新配置。通過這種新結構，研究人員展示了光運動可以被按需延遲和控制，同時亮模和暗模之間的干涉也可作為單一設計參數進行調節。

理論上，兩個環形耦合器可用於調整通帶的帶寬和形狀，控制信號延遲時間和傳輸效率。這意味着整個系統（包含多個諧振器）中的光信號速度和傳輸特性均可重構，而不僅限於單個諧振器。數值模擬還表明，光脈衝的速度可以在電路運行過程中動態調整，且延遲時間的變化不會降低處理性能。系統還能在不增加專用組件的情況下實現光的頻率轉換。

為了驗證該器件的實際可行性，研究人員利用三維電磁仿真在硅氮化物（Si3N4）光子集成電路平台上進行了測試。他們評估了材料損耗、諧振器品質因數差異、背向散射、耦合波動、環形耦合器相位誤差以及熱串擾等現實問題，仿真結果表明該結構在真實條件下仍能可靠運行。

這項研究引入了一種可編程光子平台，能夠在實時控制光信號的時間和頻率特性，有望克服傳統光學延遲器件功能單一的侷限。未來，信號同步、可調延遲線、光緩存和頻率轉換等功能可能集成於同一光子電路中。此外，該設計原理還可應用於更廣泛的基於諧振器的光子電路，為更靈活的光學信號處理技術奠定基礎。

如果該技術實現商業化，單個可編程光學芯片可執行多項任務，類似於軟件定義系統，其行為可根據需求調整。這將幫助數據中心和AI服務器更高效地處理信息，降低能耗，並縮小光學通信設備和傳感器系統的尺寸與成本。長期來看，該技術可支持自動駕駛、下一代通信和量子技術等對超高速信息處理有需求的領域。

論文的共同通訊作者Namkyoo Park教授表示：“這項研究提出了一種新的設計原理，使光子集成電路內部的光流可按需重構，大大增強了設計靈活性。我們計劃將該技術擴展到基於硅光子和光子AI技術的大規模可編程光子集成電路。”共同第一作者Seungkyun Park博士和博士生Beomjoon Chae補充道：“通過這項研究，我們意識到從不同角度重新解釋傳統光子諧振器物理可以為發現光子集成電路的新功能提供起點。我們將進一步推進實際器件實現和實驗驗證。”