新型可程式光子晶片可以控制光的移動方式

該計畫由首爾國立大學的 Namkyoo Park 和 Sunkyu Yu 教授領導，並與首爾國立大學電機與電腦工程學院的 Xianji Piao 教授合作。

調暗燈光有助於解決計算瓶頸

生成式人工智慧和大規模人工智慧模型的快速成長顯著增加了資料中心和伺服器所需的運算能力。傳統電子半導體正在努力跟上步伐，因為它們消耗大量電力，並且數據傳輸速度受到限制。

這些挑戰增加了人們對光學計算的興趣，光學計算利用光來處理電訊號以獲取資訊。光學系統可以以非常高的速度傳輸數據，同時使用更少的功率。

然而，光也是一個很大的挑戰。由於它以固定速度移動，因此很難延遲或暫時保持光訊號。這些功能對於在光學計算機中建立緩衝區和記憶體功能至關重要。

為了解決這個問題，研究人員設計了一種可編程光子電路，可以控制光訊號的速度和形狀。他們的方法比以前提出的方法在“慢光”方面提供了更大的靈活性。

該研究已發表在國際著名期刊上 先進科學。

為什麼光訊號有時需要等待

光子積體電路正在成為一種利用光進行快速高效資訊處理的有前途的技術。在資料中心、光通訊網路和未來的運算系統中，快速移動訊號只是挑戰的一部分。

系統還必須確保不同的訊號在正確的時間到達。在某些情況下，必須延遲光訊號，以便與系統中移動的其他資訊同步。

產生這些延遲的一種方法是基於耦合諧振器誘導透明度 (CRIT)，它利用多個光學諧振器之間的干涉。

CRIT 允許選定頻率範圍的光穿過設備，同時也降低光訊號傳播的速度。

• 耦合諧振器誘導透明度 (CRIT)： 透過多個諧振器之間的干涉，選擇性地傳輸和延遲特定頻率範圍內的光的光學現象。
• 光學諧振器： 在一定時間內限製或循環一定頻率的光的光子元件；用於訊號延遲、濾波和調變。

固定光學設備限制了靈活性

傳統的 CRIT 設備往往具有在製造後成為永久性的操作特性。這使得它們在製造後很難改變其工作方式。

例如，想要創建更長的訊號延遲或使用不同頻率範圍的工程師通常必須設計和製造全新的光子裝置。

這種適應性的缺乏增加了光通訊硬體和資料中心基礎設施的複雜性。每當需要新功能時，它還會增加成本並延長開發進度。

這個問題對於人工智慧伺服器和下一代資料中心來說尤其重要，因為它們必須即時處理大量資訊。因此，固定光學元件仍然是更實用的光學計算系統的主要障礙。

可程式光控設計

研究小組開發了另一種策略，將 CRIT 系統的兩種光學狀態（稱為亮模式和暗模式）視為單一自由度。研究人員還添加了兩個可控環路耦合器。

這些變化共同為可程式光子積體電路創造了新的設計原理。先前在製造後鎖定為一種配置的諧振器裝置可以針對不同目的進行調整。

利用新的 CRIT 結構，研究人員表明可以延遲和控制光的運動。他們還證明，亮模式和暗模式之間的干擾可以作為單一設計參數來處理。

這種方法大大擴展了先前受固定設計限制的光子諧振器電路的靈活性。

控制延遲、頻寬和訊號形狀

研究人員從理論上證明，兩個環路耦合器可用於調整通帶的頻寬和形狀。他們還能夠監控訊號延遲的時間以及這些訊號通過電路的效率。

這意味著可以在具有多個諧振器而不是單一諧振器的整個系統中重新配置光訊號的速度和傳輸行為。

數值模擬還表明，在電路運行時可以動態調整光脈衝的速度。

結果表明，可以改變訊號延遲時間而不降低處理性能。該系統還可以轉換光的頻率，而不需要額外的專門組件。

• 光脈衝： 短脈衝光，用作光通訊和電腦系統中資訊傳輸的基本單位。

模擬顯示該晶片具有實用性

研究人員使用三維電磁模擬來測試 CRIT 設備是否可以建構在氮化矽（Si₃氮₄）光子積體電路平台。

他們還評估了許多可能在製造和操作過程中影響設備的現實問題。這些包括材料損耗、諧振器品質差異、反向散射、耦合波動、環路耦合器中的相位誤差以及熱串擾。

模擬表明，所提出的結構可以在實際條件下繼續可靠地運行。

• 氮化矽（Si₃氮₄) 光子積體電路: 低損耗、高穩定的波導平台廣泛應用於光訊號處理和整合光子裝置。
• 熱採訪： 電路某一部分產生的熱量影響相鄰組件，進而改變設備性能的現象。

一塊晶片可以執行多種光學功能

該研究提出了一種可程式光子平台，可以即時控制光訊號的時序和頻率特性。

此設計可以克服傳統光學延遲元件的限制，傳統光學延遲元件通常僅執行固定功能。它還表明可以在光子電路中組合幾種重要的功能。

這些功能包括訊號同步、可調延遲線、光緩衝器和頻率轉換。

相同的設計原則可能在 CRIT 系統之外也有用。研究人員認為，該方法可以應用於各種基於諧振器的光子電路，有可能為更具適應性的光訊號處理技術提供基礎。

人工智慧和資料中心的潛在好處

如果該技術商業化，單一可程式光學晶片可以執行多項任務，包括控制訊號速度和不同功能之間的切換。

從這個意義上說，該晶片可以像軟體定義的系統一樣運行，其行為可以根據需要進行調整。

這種靈活性可以幫助資料中心和人工智慧伺服器更有效地處理訊息，同時降低能耗。

透過在晶片上組合多種訊號處理功能，光通訊設備和感測器系統可以變得更小、更便宜。

從長遠來看，該技術可以支援依賴快速資訊處理的行業，包括自動駕駛、下一代通訊和量子技術。

研究人員計劃更大的可編程光子系統

該研究的作者、首爾國立大學的 Namkyoo Park 教授表示：“這項研究意義重大，因為它提出了一種新的設計原理，允許根據需要重新配置光子集成電路內的光流，大大提高了設計靈活性。我們計劃將該技術擴展到大規模可編程光子集成電路和基於大規模的矽光子技術人工智能技術。”

Seungkyun Park 博士和博士負責理論框架和數值分析的學生 Beomjoon Chae 補充道：“通過這項研究，我們意識到，從與平常不同的角度重新解釋光子諧振器的物理原理可以作為發現光子集成電路新功能的起點。我們計劃進一步開發這項研究，以用於實際設備實現和實驗驗證。”

Seungkyun Park 博士隸屬於韓國科學技術院 InnoCORE PICORE 中心，目前正在首爾國立大學光子系統實驗室進行光子人工智慧和量子光學研究。

博士生 Beomjoon Chae 正在首爾國立大學智慧波系統實驗室進行可程式光子積體電路研究。

該研究得到了科學和資訊通信技術部透過創新研究中心（IRC）計劃、基礎研究實驗室（BRL）計劃和青年研究人員計劃的支持。

Seungkyun Park 博士也在 InnoCORE 計畫（PICORE 中心）的支持下參與了這項研究。