这款新型可编程光芯片，能控制光速！

这款新型可编程光芯片，能控制光速！

科学家们制造出一种可编程芯片，可以根据指令减慢光速，这有可能为速度更快、效率更高的光学计算机铺平道路。

科学家们研发出一种可编程光学芯片，能够按需减缓光速，从而使工程师能够更精确地控制光信号在电路中的传播方式。这项技术可以提供延迟、同步和缓冲等功能，使基于光的计算更加实用。最终，单个芯片即可执行目前需要多个独立设备才能完成的任务，从而有望降低人工智能服务器和数据中心的能耗、成本和复杂性。

可编程CRIT光子集成电路的概念图：展示了光脉冲在电路中传播时，其时间延迟和频率特性如何发生变化。

图片来源：首尔国立大学工程学院

首尔国立大学和首尔大学的研究人员开发出一种可编程光子集成电路，可以在需要时减慢光速。

该团队由首尔国立大学电气与计算机工程系的朴南奎教授和俞善奎教授领导，并与首尔大学电气与计算机工程学院的朴先基教授合作。

生成式人工智能和大规模人工智能模型的快速发展，极大地增加了数据中心和服务器所需的计算能力。传统的电子半导体难以满足这一需求，因为它们能耗高，且数据传输速度有限。

这些挑战加剧了人们对光计算的兴趣，光计算使用光信号而非电信号来处理信息。光系统有望以极高的速度传输数据，同时降低能耗。

然而，光也带来了一项重大挑战。由于光的传播速度是恒定的，因此很难延迟光信号或将其暂时固定。而这些能力对于在光计算机中创建缓冲区和存储功能至关重要。

为了解决这个问题，研究人员设计了一种可编程光子电路，可以控制光信号的速度和形状。与之前提出的方法相比，他们的方法在“慢光”控制方面提供了更大的灵活性。该研究发表在国际知名期刊《先进科学》上。

光子集成电路正逐渐成为一种极具前景的技术，它能够利用光快速高效地处理信息。在数据中心、光通信网络和未来的计算系统中，快速传输信号仅仅是挑战的一部分。

系统还必须确保不同的信号在正确的时间到达。在某些情况下，必须延迟光信号，以便使其与系统中传输的其他信息保持同步。

产生这些延迟的一种方法是利用耦合谐振器诱导透明（CRIT），它利用多个光学谐振器之间的干涉。

CRIT 允许选定频率范围内的光通过设备，同时降低光信号的传播速度。

• 耦合谐振器诱导透明（CRIT）：一种光学现象，它通过多个谐振器之间的干涉，选择性地传输和延迟特定频率范围内的光。

• 光学谐振器：一种光子器件，可将特定频率的光限制或循环一定时间；用于信号延迟、滤波和调制。

传统的CRIT器件一旦制造完成，其运行特性通常就固定不变。这使得在制造完成后很难改变其功能。

例如，想要产生更长的信号延迟或使用不同频率范围的工程师通常需要设计和制造全新的光子器件。

这种缺乏适应性的情况增加了光通信硬件和数据中心基础设施的复杂性。此外，每当需要新功能时，还会增加成本并延长开发周期。

这个问题对于人工智能服务器和下一代数据中心尤为重要，因为它们需要实时处理海量信息。因此，固定光学元件一直是实现更实用的光计算系统的主要障碍。

研究团队另辟蹊径，将CRIT系统中的两种光学状态（亮模式和暗模式）视为一个统一的自由度。此外，研究人员还添加了两个可控环路耦合器。

这些变革共同催生了一种新的可编程光子集成电路设计原则。以往制造完成后就固定不变的谐振器排列方式，现在可以根据不同用途进行调整。

利用新型CRIT结构，研究人员证明，可以根据需要延迟和控制光的运动。他们还证明，亮模式和暗模式之间的干涉可以作为一个单一的集成设计参数来处理。

这种方法极大地扩展了光子谐振器电路的灵活性，而此前光子谐振器电路的灵活性一直受到固定设计的限制。

研究人员从理论上证明，这两个环形耦合器可用于调节通带的带宽和形状。它们还可以控制信号的延迟时间和信号在电路中的传输效率。

这意味着，光信号的速度和传输特性可以在包含多个谐振器的整个系统中重新配置，而不仅仅是在单个谐振器内。

数值模拟还表明，在电路工作过程中，可以动态调节光脉冲的速度。

结果表明，可以在不降低处理性能的前提下改变信号延迟时间。该系统还可以在无需额外专用组件的情况下转换光频率。

• 光脉冲：一种短促的光脉冲，用作光通信和光计算系统中信息传输的基本单元。

模拟结果表明该芯片可能具有实用价值。

研究人员利用三维电磁模拟来测试 CRIT 器件是否可以构建在氮化硅 (Si₃N₄) 光子集成电路平台上。

他们还评估了一系列可能影响器件制造和运行的实际问题，包括材料损耗、谐振器质量差异、反向散射、耦合波动、环路耦合器中的相位误差以及热串扰。

模拟结果表明，所提出的结构在实际条件下能够继续可靠运行。

• 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：电路中一部分产生的热量会影响相邻元件，从而可能改变器件性能的现象。

该研究引入了一种可编程光子平台，可以实时控制光信号的时间和频率特性。

这种设计可以克服传统光延迟器件的局限性，后者通常只能执行固定的功能。它还表明，最终可以将几种重要的功能集成到一个光子电路中。

这些功能包括信号同步、可调延迟线、光缓冲器和频率转换。

同样的设计原则或许也适用于CRIT系统以外的其他系统。研究人员认为，这种方法可以应用于基于谐振器的各种光子电路，从而为更具适应性的光信号处理技术奠定基础。

如果这项技术实现商业化，单个可编程光芯片可以执行多项任务，包括控制信号速度和在不同功能之间切换。

从这个意义上讲，该芯片可以像软件定义系统一样运行，其行为可根据不断变化的需求进行调整。

这种灵活性有助于数据中心和人工智能服务器更高效地处理信息，同时降低能耗。

将多个信号处理功能集成到一块芯片上，还可以使光通信设备和传感器系统更小、更便宜。

从长远来看，这项技术可以为依赖极快信息处理的行业提供支持，包括自动驾驶、下一代通信和量子技术。

该研究的共同通讯作者、首尔国立大学的朴南奎教授表示：“这项研究意义重大，因为它提出了一种新的设计原则，允许根据需要重新配置光子集成电路内的光流，从而极大地提高了设计的灵活性。我们计划将这项技术扩展到基于硅光子学和光子人工智能技术的大规模可编程光子集成电路。”

共同第一作者朴承均博士和博士生蔡范俊（负责理论框架和数值分析）补充道：“通过这项研究，我们意识到从不同的角度重新解读传统的光子谐振器物理原理，可以为发现光子集成电路的新功能提供起点。我们计划进一步推进这项研究，以实现实际器件的实现和实验验证。”