韩国科研团队开发可编程光子芯片 有望解锁光速光学计算

可编程CRIT光子集成电路的概念图展示了光脉冲在电路中传播时，其时间延迟和频率特性如何发生变化。图/首尔国立大学工程学院

传统的中央处理器和图形处理器主要依赖电子在金属互连线中传递信息。随着处理器和人工智能系统变得日益庞大，通过金属传输海量数据不仅消耗巨大的电能，还容易引发带宽瓶颈。为了解决这一问题，光子学应运而生，它将数据转化为光进行传输，在携带巨量信息的同时产生更少的电阻热。然而，在复杂的计算系统中，不同的信号需要经过不同的路径并执行不同的操作，然后再汇集在一起。这就要求系统具备延迟、同步、缓冲和过滤信号的能力。电子设备可以轻松实现这些功能，但对光子设备来说却是个挑战，因为光速本身无法降低，只能设法改变其传输路径来使其延迟。

目前一种常见的解决方案是利用耦合谐振器诱导透明技术。该技术通过微观的光学谐振器让特定频率的光在其中循环，通过干涉产生一个狭窄的窗口，使光在通过时产生显著的延迟。这就像一个精心设计的复杂环岛，让车辆减速并在预定的时间到达。然而，这种传统系统缺乏灵活性。一旦结构排列和编程完成，其特性就完全固定了。如果需要不同的延迟或频率响应，往往需要重新制造一块全新的芯片。

首尔研究团队的创新之处在于，他们提出让芯片的行为变得可编程。研究人员将系统中的明暗两种光学模式视为一个统一的可控系统，并在谐振器架构中引入了两个可调谐的环形耦合器。通过改变这些耦合器，就能改变谐振器之间的相互作用方式，让同一个底层电路产生不同的光学响应。理论演示表明，该系统不仅可以调整传输带的宽度和形状，还能动态改变光脉冲的延迟时间，甚至可以操控透射光的频率，从而可能消除某些系统中对独立频率转换组件的需求。这意味着，一个可编程的谐振器网络可以被重新配置，以同时承担多种信号处理工作。

为了验证这一构想在现实中的可行性，团队在一个氮化硅光子集成电路平台上对该设计进行了建模，并进行了三维电磁仿真模拟。模拟过程中充分考虑了真实设备会面临的各种不完美因素，包括材料损耗、个体谐振器差异、有害的后向散射、耦合变化、相位误差以及相邻组件间的热串扰等。结果显示，该架构在这些非理想效应下依然能够保持功能，表明利用现有的光子制造技术在物理上是完全可以实现该设备的。

首尔大学的Namkyoo Park教授表示，这项研究具有重要意义，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部的光流，极大地增强了设计的灵活性。目前，该研究虽然主要停留在理论框架和模拟测试阶段，但团队计划下一步从模拟转向实际的设备制造和实验验证，最终将这一概念扩展到更大规模的可编程光子电路中。如果最终得以实验实现，这种可编程的延迟系统将在光学通信、光子人工智能处理器等需要海量光信号在极其精准的时间到达的领域中发挥关键作用，成为迈向更灵活的光动力计算的重要一步。