科学家研制出一种能够按需减缓光速的可编程光芯片，从而赋予工程师对光信号在电路中传播方式的更大控制权。该技术可提供光计算实用化所需的延迟、同步和缓冲功能。最终，单个芯片有望执行目前需要多个独立设备才能完成的任务，从而降低AI服务器和数据中心的能耗、成本及复杂性。
该团队由首尔国立大学电气与计算机工程系的Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授领导，并与首尔大学电气与计算机工程学院的Xianji Piao教授合作完成。
减慢光速有助于解决计算瓶颈
生成式人工智能和大规模AI模型的快速增长，急剧增加了数据中心和服务器所需的算力。传统的电子半导体正难以跟上这一步伐，因为它们消耗大量能源，并且在数据传输速度方面面临限制。
这些挑战加剧了人们对光计算的兴趣，光计算利用光而非电信号来处理信息。光系统有望在功耗更低的情况下以极高的速度传输数据。
然而，光也带来了一项重大挑战。由于光以固定的速度传播，很难延迟光信号或将其暂时保持在原位。这些能力对于在光计算机中创建缓冲器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，能够控制光信号的速度和形状。与此前提出的方法相比，他们的方法为“慢光”提供了更大的灵活性。
该研究发表在著名的国际期刊《先进科学》（Advanced Science）上。
为何光信号有时需要等待
光子集成电路作为一种利用光快速高效处理信息的前景广阔的技术正在兴起。在数据中心、光通信网络和未来的计算系统中，快速传输信号只是挑战的一部分。
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依赖于耦合谐振器诱导透明（CRIT），该方法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器件，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，通过多个谐振器之间的干涉，选择性地传输并延迟特定频率范围内的光。
- 光学谐振器：一种光子器件，用于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。
固定式光学器件限制了灵活性
传统的CRIT器件通常具有一旦制造完成即永久固定的运行特性。这使得在制造后难以改变其功能。
例如，想要产生更长信号延迟或处理不同频率范围的工程师，往往需要设计和制造一个全新的光子器件。
这种适应性的缺乏增加了光通信硬件和数据中心基础设施的复杂性。每当需要新功能时，这还可能导致成本增加和开发周期延长。
对于必须实时处理海量信息的AI服务器和下一代数据中心而言，这个问题尤为重要。因此，固定式光学组件一直是开发更实用的光计算系统的主要障碍。
一种用于控制光的可编程设计
研究团队开发了一种不同的策略，将CRIT系统中的两种光学状态——即亮模和暗模——视为一个统一的自由度。研究人员还增加了两个可控环路耦合器。
这些变化共同为可编程光子集成电路创造了一种新的设计原则。以前在制造后锁定于一种配置的谐振器排列，现在可以根据不同的目的进行调整。
利用这种新的CRIT结构，研究人员表明可以根据需要延迟和控制光的运动。他们还证明了亮模和暗模之间的干涉可以作为一个单一的综合设计参数来处理。
这种方法极大地扩展了以前受限于固定设计的光子谐振器电路的灵活性。
控制延迟、带宽和信号形状
研究人员在理论上证明了这两个环路耦合器可用于调节通带的带宽和形状。他们还可以控制信号延迟的时间长短以及信号通过电路的传输效率。
这意味着光信号的速度和传输行为可以在包含多个谐振器的整个系统中进行重新配置，而不仅仅是在单个谐振器内部。
数值模拟还表明，可以在电路运行时动态调整光脉冲的速度。
结果表明，可以在不降低处理性能的情况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的频率。
- 光脉冲：光通信和计算系统中用于传输信息的基本单位，指短促的光爆发。
模拟表明该芯片具有实用性
研究人员利用三维电磁模拟，测试了该CRIT器件是否可以构建在氮化硅（Si3N4）光子集成电路平台上。
他们还评估了制造和运行过程中可能影响器件的一系列现实问题。这些问题包括材料损耗、谐振器质量差异、背向散射、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，所提出的结构在现实条件下能够继续可靠运行。
- 氮化硅（Si3N4）光子集成电路：一种低损耗且高度稳定的波导平台，广泛用于光信号处理和集成光子器件。
- 热串扰：电路某一部分产生的热量影响邻近组件的现象，可能会改变器件性能。
单枚芯片可执行多种光学功能
该研究介绍了一种可编程光子平台，能够实时控制光信号的时间和频率特性。
该设计可以克服传统光延迟器件的局限性，这些器件通常只执行固定功能。这也表明，若干重要功能最终可以集成在一个光子电路中。
这些功能包括信号同步、可调延迟线、光缓冲器和频率转换。
相同的设计原则在CRIT系统之外也可能有用。研究人员认为，该方法可应用于广泛的基于谐振器的光子电路，有望为更具适应性的光信号处理技术奠定基础。
对AI和数据中心的潜在益处
如果该技术实现商业化，单枚可编程光芯片即可执行多项任务，包括控制信号速度和在不同功能之间切换。
从这个意义上说，该芯片的运行方式类似于软件定义系统，其行为可根据需求变化进行调整。
这种灵活性有助于数据中心和AI服务器更高效地处理信息，同时降低能耗。
将多种信号处理功能集成在一枚芯片上，还可以使光通信设备和传感器系统变得更小、成本更低。
从长远来看，该技术可以支持依赖超快信息处理的行业，包括自动驾驶、下一代通信和量子技术。
研究人员计划开发更大规模的可编程光子系统
来自首尔国立大学的研究共同通讯作者Namkyoo Park教授表示：“这项研究的意义在于，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，极大地增强了设计灵活性。我们计划基于硅光子学和光子AI技术，将这项技术扩展至大规模可编程光子集成电路。”
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补充道：“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器物理，可以作为发现光子集成电路新功能的起点。我们计划进一步开展这项研究，走向实际器件的实现和实验验证。”
Seungkyun Park博士隶属于韩国科学技术院（KAIST）的InnoCORE PICORE中心，目前正于首尔国立大学光子系统实验室从事光子AI和量子光学研究。
博士生Beomjoon Chae正于首尔国立大学智能波系统实验室从事可编程光子集成电路研究。
该研究得到了韩国科学技术信息通信部通过创新研究中心（IRC）项目、基础研究实验室（BRL）项目以及青年研究员项目的支持。
Seungkyun Park博士还在InnoCORE项目（PICORE中心）的支持下参与了该研究。