Команда из Сеульского национального университета разработала программируемый фотонный чип для управления скоростью света

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Инженерного колледжа Сеульского национального университета разработала программируемый фотонный интегральный чип, способный регулировать скорость света по мере необходимости, что открывает новый путь к решению проблемы «оптического кэширования» в области оптических вычислений.

Группа под руководством профессора Намкю Пак и профессора Сонкю Ю с кафедры электротехники и вычислительной техники Сеульского национального университета, совместно с профессором Сяньцзи Пяо с той же кафедры, опубликовала результаты этой работы в журнале «Advanced Science». Исследование направлено на решение проблем, связанных с резким ростом потребностей в вычислительных мощностях, вызванным развитием генеративного искусственного интеллекта и больших моделей, а также с ограничениями традиционных электронных полупроводников в отношении энергопотребления и скорости передачи данных. Поскольку скорость света постоянна, реализация кэширования и хранения оптических сигналов на чипе является фундаментальной долгосрочной проблемой для технологии оптических вычислений.

Группа предложила схему программируемого фотонного интегрального чипа, способного свободно регулировать скорость распространения и форму волны оптических сигналов. На основе этой схемы команда добилась управления «медленным светом» с более высокой степенью свободы по сравнению с существующими решениями.

Традиционные устройства на основе индуцированной прозрачности в связанных резонаторах (CRIT) после изготовления имеют фиксированные рабочие характеристики и не могут быть перенастроены для обеспечения различных задержек или рабочих частотных диапазонов. Чтобы преодолеть это ограничение, исследовательская группа объединила яркую моду (bright mode) и тёмную моду (dark mode) в системе CRIT в единую управляемую степень свободы и ввела две группы управляемых кольцевых ответвителей, установив новые принципы проектирования программируемых фотонных интегральных чипов. С помощью этой структуры команда реализовала регулируемую задержку оптического пути по мере необходимости и подтвердила, что интерференционный эффект между яркой и тёмной модами может служить единым интегральным параметром проектирования, значительно повышая степень свободы проектирования.

Исследовательская группа подтвердила, что с помощью двойных кольцевых ответвителей можно теоретически независимо регулировать полосу пропускания, форму волны, а также характеристики задержки и пропускания сигнала. Результаты численного моделирования также показали, что чип может динамически регулировать скорость распространения световых импульсов в реальном времени во время работы, свободно контролировать задержку оптического сигнала без потери производительности обработки сигнала и выполнять преобразование оптического спектра. Команда также проверила с помощью трёхмерного электромагнитного моделирования, что данное устройство CRIT может быть изготовлено на платформе фотонного интегрального чипа из нитрида кремния (Si₃N₄) и сохранять стабильную работу с учётом таких реальных факторов, как потери материала, отклонение добротности резонатора, обратное рассеяние, флуктуации коэффициента связи, фазовые ошибки кольцевых ответвителей и тепловые перекрёстные помехи.

Представленная в этом исследовании платформа программируемого фотонного интегрального чипа позволяет интегрировать такие ключевые функции, как синхронизация временных последовательностей сигналов, регулируемые линии задержки, оптическое кэширование и преобразование спектра, в единую архитектуру чипа. Данный подход к проектированию не ограничивается системой CRIT и может быть расширен на все фотонные схемы на основе резонаторов, что потенциально может стать базовой технологией следующего поколения для гибкого управления оптической передачей в обработке оптических сигналов. В случае коммерциализации этот чип может снизить энергопотребление центров обработки данных и AI-серверов, а также повысить эффективность обработки данных.

Профессор Намкю Пак, соавтор-корреспондент статьи, отметил, что в дальнейшем команда планирует расширить эту схему до крупномасштабных программируемых фотонных интегральных чипов на основе кремниевой фотоники и фотонных AI-технологий. Доктор Сынкюн Пак, первый соавтор, и аспирант Бомджун Чхэ добавили, что это исследование позволило им осознать, что новый взгляд на традиционные физические механизмы фотонных резонаторов может открыть новые функции для фотонных интегральных чипов, и в дальнейшей работе они планируют завершить изготовление реальных устройств и провести экспериментальную проверку.