新型光学芯片设计可实时控制光速

首尔国立大学工程学院宣布，由电气与计算机工程系 Namkyoo Park 教授和 Sunkyu Yu 教授领导，并与首尔市立大学电气与计算机工程学院 Xianji Piao 教授合作的联合研究团队，开发出了一种可按需减慢光速的光子集成电路。随着生成式人工智能和大规模 AI 模型的快速发展，计算需求激增，暴露了传统电子半导体功耗高、数据传输速度有限等局限性。因此，对能够实现低功耗、超高速处理的光计算技术的需求日益增长。然而，由于光以固定速度传播，实现光计算所必需的缓冲和存储功能一直面临根本性挑战。

为了解决这个问题，联合研究团队设计了一种使用可编程光子集成电路自由控制光信号速度和形状的方法。通过这种方法，团队展示了以比以往任何方法都更高的自由度来控制"慢光"的能力。该研究于6月30日发表在期刊《先进科学》上。

为何固定速度的光存在问题

光子集成电路正成为能够利用光快速高效处理信息的下一代技术。特别是在数据中心、光通信和计算系统中，不仅要快速传输光信号，还要同步信号到达时间并在需要时延迟信号，这一点正变得越来越重要。

为实现这一功能，基于耦合谐振腔诱导透明（CRIT）的结构得到了研究，该结构利用多个光学谐振腔之间的干涉。CRIT 是一种光学现象，能在特定频率范围内选择性地传输光，同时减慢光信号的传播速度。

耦合谐振腔诱导透明（CRIT）：一种通过多个谐振腔之间的干涉，在特定频率范围内选择性地传输并延迟光的光学现象。

光学谐振腔：一种光子器件，能将特定频率的光限制或循环一段时间；用于信号延迟、滤波和调制。

然而，传统的 CRIT 结构在制造完成后，其工作特性通常是固定的，难以重新配置以实现不同功能。例如，要实现更长的延迟或切换到不同的频率范围，就需要设计全新的光子器件。

重塑 CRIT 以实现灵活性

这种灵活性的缺乏增加了光通信设备和数据中心系统的复杂性，导致引入新功能时成本更高、开发时间更长。在 AI 服务器和下一代数据中心等需要实时处理海量数据的环境中，这一局限一直是光计算技术发展的主要障碍。

为克服这些限制，研究团队提出了一种新方法，将 CRIT 系统中的两种光学状态——明模（bright mode）和暗模（dark mode）——视为一个统一的自由度，并引入了两个可控环形耦合器。这使得开发可编程光子集成电路的新设计原理成为可能，让制造后原本固定的谐振腔结构能够按需重新配置。

团队证明，利用新提出的 CRIT 结构可以根据需要延迟和控制光的流动，并表明明模和暗模之间的干涉可以作为一个单一的集成设计参数来处理。这显著提高了此前受固定配置限制的光子谐振腔电路的设计灵活性。

特别是，通过采用两个环形耦合器，研究人员从理论上证明了可以控制通带的带宽和形状，以及信号在电路中传播的延迟和传输特性。这意味着光信号的传播速度和传输特性不仅可以在单个谐振腔内自由重新配置，还能在整个多谐振腔系统中进行。

此外，团队通过数值模拟证明，可以在电路运行期间实时动态调整光脉冲的传播速度。结果，他们证实了可以在保持信号处理性能的同时自由控制光信号的延迟时间，并且无需额外的专用组件即可实现光的频率转换。

光脉冲：在光通信和计算系统中用作传输信息基本单位的短促光爆发。

研究人员还通过三维电磁仿真验证了所提出的 CRIT 器件可以在氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路平台上实现。此外，他们分析了制造和运行过程中可能出现的实际因素——包括材料损耗、谐振腔品质差异、背向散射、耦合波动、环形耦合器中的相位误差以及热串扰——并证实所提出的结构可以在现实的光子电路环境中可靠运行。

氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路：一种低损耗、高稳定性的波导平台，广泛用于光信号处理和集成光子器件。

热串扰：电路中某一部分产生的热量影响邻近元件，从而可能改变器件性能的现象。

一个芯片，多种光学功能

这项研究提出了一个新的可编程光子集成电路平台，能实时控制光信号的时间与光谱特性，克服了传统固定光学延迟结构的局限。它展示了在单一光子电路架构内，集成下一代光互连所需的关键功能（如信号同步、可变延迟线、光缓冲和频率转换）的可能性。

此外，所提出的设计方法可以扩展到 CRIT 系统之外，应用于各种基于谐振腔的光子电路，这表明它有望成为下一代光信号处理的基础技术，实现光传播的灵活设计和控制。

如果实现商业化，本研究开发的可编程光子集成电路有望使单个光学芯片像软件定义系统一样，执行多种功能——例如控制信号速度和切换功能。这可以显著降低数据中心和 AI 服务器的功耗，同时提高数据处理效率。

此外，将多种信号处理功能集成到单一芯片上有助于光通信设备和传感器系统的小型化和成本降低。从长远来看，该技术有望成为需要超高速信息处理的行业（包括自动驾驶、下一代通信和量子技术）的关键使能平台。

从理论走向实现

该研究的共同通讯作者、首尔国立大学的 Namkyoo Park 表示："这项研究的意义在于，它提出了一种新的设计原理，可以按需重新配置光子集成电路中的光流，极大地增强了设计灵活性。我们计划将这项技术扩展到基于硅光子学和光子 AI 技术的大规模可编程光子集成电路中。"

领导理论框架和数值分析的共同第一作者 Seungkyun Park 博士和博士生 Beomjoon Chae 补充说："通过这项研究，我们意识到，从不同的角度重新诠释传统的光子谐振腔物理，可以作为发现光子集成电路新功能的起点。我们计划将这项研究进一步发展，朝着实际器件实现和实验验证推进。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1002/advs.76378