可编程光子芯片问世，实现对光速的按需调控

首尔国立大学与首尔市立大学的研究人员联合开发出一款可编程光子集成电路，能够在需要时按需降低光的传播速度。

该研究由首尔国立大学电气与计算机工程系Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授领衔，并与首尔市立大学电气与计算机工程学院Xianji Piao教授合作完成。

减慢光速或可突破计算瓶颈

生成式 AI与大规模AI模型的快速发展，大幅提升了数据中心和服务器的算力需求。传统电子半导体因能耗高、数据传输速率受限，已愈发难以满足这一需求。

上述挑战推动了光学计算领域的研究热度持续攀升。光学计算以光代替电信号传递信息，理论上可在极低功耗下实现超高速数据传输。

然而，光本身也带来了一个关键难题：由于光天然以固定速度传播，对光信号进行延迟或暂时保持静止十分困难。而这些能力对于光学计算机实现缓冲和存储功能至关重要。

为解决这一问题，研究团队设计了一款可编程光子电路，能够同时控制光信号的速度与形态，比此前提出的方案在"慢光"控制方面具备更高的灵活性。

相关研究成果已发表于国际知名学术期刊《先进科学》（Advanced Science）。

为何光信号有时需要"等待"

光子集成电路作为一种利用光高效快速处理信息的新兴技术，正逐渐展现出广阔的应用前景。在数据中心、光通信网络及未来的计算系统中，快速传输信号只是挑战之一。

系统还必须确保不同信号在正确的时间到达。在某些情况下，光信号必须被延迟，以便与系统中其他数据保持同步。

实现这种延迟的方法之一，是利用耦合谐振器诱导透明（CRIT）效应——通过多个光学谐振器之间的干涉来实现。

CRIT可以让特定频率范围内的光信号通过器件，同时降低光信号的传播速度。

固定光学器件限制灵活性

传统CRIT器件的工作特性在制造完成后通常固化不变，这使得器件在出厂后难以调整功能。

例如，若工程师希望延长信号延迟时间或切换至不同的频率范围，往往需要重新设计并制造一款全新的光子器件。

这种不可调性增加了光通信硬件和数据中心基础设施的复杂度，同时也可能推高成本、拉长开发周期。

对于AI服务器和下一代数据中心而言，这一问题尤为突出——海量信息需要实时处理，而固定光学元器件因此成为制约光学计算走向实用的重大障碍。

可编程设计实现对光的精准调控

研究团队另辟蹊径，将CRIT系统中的两种光学状态——亮模式与暗模式——视为一个统一的自由度，并引入两个可控环形耦合器。

这一创新带来了可编程光子集成电路的全新设计原理：此前制造后便固定不变的谐振器排列，如今可根据不同需求灵活调整。

基于新型CRIT结构，研究人员证实了光的传播可按需延迟和调控，并表明亮模式与暗模式之间的干涉可作为一个统一的集成设计参数加以处理。

这一方法大幅提升了光子谐振器电路的灵活性，突破了此前固定设计带来的局限。

延迟时间、带宽与信号形态均可调控

研究人员从理论上证明，两个环形耦合器可用于调节通带的带宽与形状，同时控制信号的延迟时长及其在电路中的传输效率。

这意味着，光信号的速度与传输特性可在包含多个谐振器的整个系统中重新配置，而不仅限于单个谐振器内部。

数值仿真同样表明，光脉冲速度可在电路运行过程中动态调整。

结果显示，信号延迟时间可在不降低处理性能的前提下灵活改变，系统还能够在无需额外专用元件的情况下实现光的频率转换。

仿真验证芯片的实用可行性

研究人员通过三维电磁仿真，测试了该CRIT器件能否在氮化硅（Si?N?）光子集成电路平台上实现制备。

他们还对器件在制造与运行过程中可能遭遇的一系列实际问题进行了评估，包括材料损耗、谐振器品质差异、背向散射、耦合波动、环形耦合器中的相位误差以及热串扰等。

仿真结果表明，所提出的结构在实际工况下仍能保持可靠运行。

一块芯片，多种光学功能

这项研究提出了一种可编程光子平台，能够实时控制光信号的时序特性与频率特性。

该设计有望突破传统光延迟器件仅能执行固定功能的局限，并预示着多种重要功能有望在一块光子电路上实现集成。

这些功能涵盖信号同步、可调延迟线、光学缓冲器以及频率转换。

同样的设计原理也可能在CRIT系统以外发挥作用。研究人员认为，该方法有望推广至更广泛的基于谐振器的光子电路，为构建适应性更强的光学信号处理技术奠定基础。

对AI与数据中心的潜在价值

若该技术实现商业化，单块可编程光子芯片将能够执行多项任务，包括控制信号速度和在不同功能之间灵活切换。

从这个意义上说，该芯片可以类似软件定义系统的方式运作，其行为可根据需求变化实时调整。

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于单块芯片，还可能使光通信设备和传感器系统更加小型化，并降低成本。

从长远来看，该技术有望支撑对超高速信息处理有迫切需求的多个领域，包括自动驾驶、下一代通信和量子技术。

研究团队计划构建更大规模的可编程光子系统

首尔国立大学共同通讯作者Namkyoo Park教授表示："这项研究意义重大，它提出了一种全新的设计原理，使光子集成电路内部的光传播方式可以按需重新配置，大幅提升了设计灵活性。我们计划将这一技术向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方向延伸拓展。"

共同第一作者、负责理论框架与数值分析的朴承均博士和博士生蔡范俊补充道："通过这项研究，我们意识到，从不同视角重新审视传统光子谐振器物理，可以成为发现光子集成电路新功能的起点。我们计划将这一研究进一步推进，朝着器件的实际实现与实验验证方向深入发展。"

朴承均博士隶属于韩国科学技术院（KAIST）InnoCORE PICORE中心，目前在首尔国立大学光子系统实验室从事光子AI与量子光学研究。

博士生蔡范俊目前在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。

本研究获得韩国科学与信息通信技术部通过创新研究中心（IRC）项目、基础研究实验室（BRL）项目及青年研究者项目的资助支持。朴承均博士还在InnoCORE项目（PICORE中心）的支持下参与了本研究。

Q&A

Q1：可编程光子集成电路与传统光子器件相比，最大的优势是什么？

A：传统CRIT光子器件在制造完成后，其工作特性便固化不变，若需改变延迟时长或工作频率范围，往往要重新设计制造新器件，成本高、周期长。而新型可编程光子集成电路引入了可控环形耦合器，并将亮模式与暗模式统一为一个设计参数，使得谐振器的排列方式可根据需求灵活调整，无需重新制造即可实现多种功能切换，大幅提升了系统的适应性与实用性。

Q2：慢光技术对AI数据中心有什么实际意义？

A：生成式 AI和大规模AI模型对算力的需求急剧增长，传统电子半导体在能耗和传输速率上已面临瓶颈。光学计算有望以极低功耗实现超高速数据传输，但光信号难以延迟或暂存是核心障碍。慢光技术通过控制光的传播速度，可实现光学缓冲和信号同步，为AI服务器和数据中心提供更高效的信号处理方案，有助于降低能耗、提升实时处理能力。

Q3：这款芯片目前处于什么研发阶段，何时可能实际应用？

A：目前该研究仍处于理论验证与数值仿真阶段，研究人员通过三维电磁仿真证明了该器件在氮化硅平台上的可行性，并验证了其在材料损耗、热串扰等实际工况下的可靠性。研究团队表示，下一步计划推进器件的实际制备与实验验证，并向基于硅光子学的大规模可编程光子集成电路方向扩展，离规模化商业应用尚需一定时间。