首爾國立大學與首爾市立大學的研究人員聯合開發出一款可編程光子集成電路，能夠在需要時按需降低光的傳播速度。
該研究由首爾國立大學電氣與電腦工程系Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授領銜，並與首爾市立大學電氣與電腦工程學院Xianji Piao教授合作完成。
減慢光速或可突破計算瓶頸
生成式 AI與大規模AI模型的快速發展，大幅提升了數據中心和伺服器的算力需求。傳統電子半導體因能耗高、數據傳輸速率受限，已愈發難以滿足這一需求。
上述挑戰推動了光學計算領域的研究熱度持續攀升。光學計算以光代替電信號傳遞資訊，理論上可在極低功耗下實現超高速數據傳輸。
然而，光本身也帶來了一個關鍵難題：由於光天然以固定速度傳播，對光信號進行延遲或暫時保持靜止十分困難。而這些能力對於光學電腦實現緩衝和儲存功能至關重要。
為解決這一問題，研究團隊設計了一款可編程光子電路，能夠同時控制光信號的速度與形態，比此前提出的方案在"慢光"控制方面具備更高的靈活性。
相關研究成果已發表於國際知名學術期刊《先進科學》（Advanced Science）。
為何光信號有時需要"等待"
光子集成電路作為一種利用光高效快速處理資訊的新興技術，正逐漸展現出廣闊的應用前景。在數據中心、光通信網路及未來的計算系統中，快速傳輸信號只是挑戰之一。
系統還必須確保不同信號在正確的時間到達。在某些情況下，光信號必須被延遲，以便與系統中其他數據保持同步。
實現這種延遲的方法之一，是利用耦合諧振器誘導透明（CRIT）效應——通過多個光學諧振器之間的干涉來實現。
CRIT可以讓特定頻率範圍內的光信號通過器件，同時降低光信號的傳播速度。
固定光學器件限制靈活性
傳統CRIT器件的工作特性在製造完成後通常固化不變，這使得器件在出廠後難以調整功能。
例如，若工程師希望延長信號延遲時間或切換至不同的頻率範圍，往往需要重新設計並製造一款全新的光子器件。
這種不可調性增加了光通信硬體和數據中心基礎設施的複雜度，同時也可能推高成本、拉長開發周期。
對於AI伺服器和下一代數據中心而言，這一問題尤為突出——海量資訊需要實時處理，而固定光學元器件因此成為制約光學計算走向實用的重大障礙。
可編程設計實現對光的精準調控
研究團隊另闢蹊徑，將CRIT系統中的兩種光學狀態——亮模式與暗模式——視為一個統一的自由度，並引入兩個可控環形耦合器。
這一創新帶來了可編程光子集成電路的全新設計原理：此前製造後便固定不變的諧振器排列，如今可根據不同需求靈活調整。
基於新型CRIT結構，研究人員證實了光的傳播可按需延遲和調控，並表明亮模式與暗模式之間的干涉可作為一個統一的集成設計參數加以處理。
這一方法大幅提升了光子諧振器電路的靈活性，突破了此前固定設計帶來的局限。
延遲時間、頻寬與信號形態均可調控
研究人員從理論上證明，兩個環形耦合器可用於調節通帶的頻寬與形狀，同時控制信號的延遲時長及其在電路中的傳輸效率。
這意味著，光信號的速度與傳輸特性可在包含多個諧振器的整個系統中重新配置，而不僅限於單個諧振器內部。
數值仿真同樣表明，光脈衝速度可在電路運行過程中動態調整。
結果顯示，信號延遲時間可在不降低處理性能的前提下靈活改變，系統還能夠在無需額外專用元件的情況下實現光的頻率轉換。
仿真驗證晶片的實用可行性
研究人員通過三維電磁仿真，測試了該CRIT器件能否在氮化矽（Si?N?）光子集成電路平台上實現製備。
他們還對器件在製造與運行過程中可能遭遇的一系列實際問題進行了評估，包括材料損耗、諧振器品質差異、背向散射、耦合波動、環形耦合器中的相位誤差以及熱串擾等。
仿真結果表明，所提出的結構在實際工況下仍能保持可靠運行。
一塊晶片，多種光學功能
這項研究提出了一種可編程光子平台，能夠實時控制光信號的時序特性與頻率特性。
該設計有望突破傳統光延遲器件僅能執行固定功能的局限，並預示著多種重要功能有望在一塊光子電路上實現集成。
這些功能涵蓋信號同步、可調延遲線、光學緩衝器以及頻率轉換。
同樣的設計原理也可能在CRIT系統以外發揮作用。研究人員認為，該方法有望推廣至更廣泛的基於諧振器的光子電路，為構建適應性更強的光學信號處理技術奠定基礎。
對AI與數據中心的潛在價值
若該技術實現商業化，單塊可編程光子晶片將能夠執行多項任務，包括控制信號速度和在不同功能之間靈活切換。
從這個意義上說，該晶片可以類似軟體定義系統的方式運作，其行為可根據需求變化實時調整。
這種靈活性有助於數據中心和AI伺服器更高效地處理資訊，同時降低能耗。
將多種信號處理功能集成於單塊晶片，還可能使光通信設備和傳感器系統更加小型化，並降低成本。
從長遠來看，該技術有望支撐對超高速資訊處理有迫切需求的多個領域，包括自動駕駛、下一代通信和量子技術。
研究團隊計劃構建更大規模的可編程光子系統
首爾國立大學共同通訊作者Namkyoo Park教授表示："這項研究意義重大，它提出了一種全新的設計原理，使光子集成電路內部的光傳播方式可以按需重新配置，大幅提升了設計靈活性。我們計劃將這一技術向基於矽光子學和光子AI技術的大規模可編程光子集成電路方向延伸拓展。"
共同第一作者、負責理論框架與數值分析的朴承均博士和博士生蔡范俊補充道："通過這項研究，我們意識到，從不同視角重新審視傳統光子諧振器物理，可以成為發現光子集成電路新功能的起點。我們計劃將這一研究進一步推進，朝著器件的實際實現與實驗驗證方向深入發展。"
朴承均博士隸屬於韓國科學技術院（KAIST）InnoCORE PICORE中心，目前在首爾國立大學光子系統實驗室從事光子AI與量子光學研究。
博士生蔡范俊目前在首爾國立大學智能波系統實驗室從事可編程光子集成電路研究。
本研究獲得韓國科學與資訊通信技術部通過創新研究中心（IRC）項目、基礎研究實驗室（BRL）項目及青年研究者項目的資助支持。朴承均博士還在InnoCORE項目（PICORE中心）的支持下參與了本研究。
Q&A
Q1：可編程光子集成電路與傳統光子器件相比，最大的優勢是什麼？
A：傳統CRIT光子器件在製造完成後，其工作特性便固化不變，若需改變延遲時長或工作頻率範圍，往往要重新設計製造新器件，成本高、周期長。而新型可編程光子集成電路引入了可控環形耦合器，並將亮模式與暗模式統一為一個設計參數，使得諧振器的排列方式可根據需求靈活調整，無需重新製造即可實現多種功能切換，大幅提升了系統的適應性與實用性。
Q2：慢光技術對AI數據中心有什麼實際意義？
A：生成式 AI和大規模AI模型對算力的需求急劇增長，傳統電子半導體在能耗和傳輸速率上已面臨瓶頸。光學計算有望以極低功耗實現超高速數據傳輸，但光信號難以延遲或暫存是核心障礙。慢光技術通過控制光的傳播速度，可實現光學緩衝和信號同步，為AI伺服器和數據中心提供更高效的信號處理方案，有助於降低能耗、提升實時處理能力。
Q3：這款晶片目前處於什麼研發階段，何時可能實際應用？
A：目前該研究仍處於理論驗證與數值仿真階段，研究人員通過三維電磁仿真證明了該器件在氮化矽平台上的可行性，並驗證了其在材料損耗、熱串擾等實際工況下的可靠性。研究團隊表示，下一步計劃推進器件的實際製備與實驗驗證，並向基於矽光子學的大規模可編程光子集成電路方向擴展，離規模化商業應用尚需一定時間。
