盖世汽车讯 据外媒报道，首尔大学工学院（Seoul National University College of Engineering）宣布，由该校电气与计算机工程系Namkyoo Park教授、Sunkyu Yu教授领衔，并与首尔市立大学（University of Seoul）电气与计算机工程学院Xianji Piao教授合作组成的联合研究团队，开发出一种可按需减缓光传播速度的光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）。

随着生成式AI和大规模AI模型快速发展，计算需求激增，传统电子半导体在功耗高、数据传输速度受限等方面的瓶颈日益凸显。因此，能够实现低功耗、超高速处理的光计算技术需求不断增长。然而，由于光始终以固定速度传播，实现光计算所必需的缓冲（Buffer）和存储（Memory）功能一直面临根本性挑战。

为解决这一问题，联合研究团队提出了一种利用可编程光子集成电路自由控制光信号传播速度和波形的方法。基于这一方案，研究人员实现了较以往方法拥有更高自由度的慢光（Slow Light）调控。

相关研究已于6月30日发表于期刊《Advanced Science》。

图片来源：《Advanced Science》

固定光速为何成为制约因素

光子集成电路正成为利用光实现高速、高效信息处理的新一代技术。尤其是在数据中心、光通信及光计算系统中，不仅需要快速传输光信号，还需要实现信号同步以及按需延迟信号到达时间。

为实现上述功能，研究人员此前一直在研究基于耦合谐振器诱导透明（Coupled-Resonator-Induced Transparency，CRIT）的结构。这种结构利用多个光学谐振器之间的干涉效应，使光在特定频率范围内选择性透射，同时降低光信号传播速度。光学谐振器（Optical Resonator）是一种能够在一定时间内约束或循环特定频率光波的光子器件，可用于信号延迟、滤波及调制等应用。

然而，传统CRIT结构一旦制造完成，其工作特性便基本固定，难以重新配置以适应不同功能需求。例如，若需要实现更长的延迟时间或切换至不同工作频段，通常必须重新设计整个光子器件。

提升CRIT结构的灵活性

这种缺乏灵活性的特点增加了光通信设备和数据中心系统的复杂性，使新增功能的开发成本更高、周期更长。在AI服务器和下一代数据中心等需要实时处理海量数据的应用场景中，这一限制已成为光计算技术发展的重要瓶颈。

为突破这一局限，研究团队提出了一种新方案：将CRIT系统中的两种光学状态——亮模（Bright Mode）和暗模（Dark Mode）——视为一个统一的自由度，并引入两个可调控的环形耦合器（Loop Coupler）。基于这一思路，研究人员建立了可编程光子集成电路的新设计原理，使原本在制造完成后固定不变的谐振器结构能够根据需求重新配置。

研究团队证明，利用新提出的CRIT结构，可以按需延迟并调控光的传播，同时将亮模与暗模之间的干涉视为统一的设计参数，大幅提升了过去受固定结构限制的光学谐振器电路设计自由度。

尤其是，通过采用两个环形耦合器，研究人员从理论上证明，不仅可以调控通带（Passband）的带宽和形状，还能够控制信号在电路中的延迟特性及传输特性。这意味着，不仅单个谐振器中的光信号传播速度和传输性能可以自由调节，整个多谐振器系统也能够实现动态重构。

此外，研究团队通过数值模拟进一步证明，在电路运行过程中，可以实时动态调节光脉冲（Optical Pulse）的传播速度。光脉冲是光通信和光计算系统中用于传输信息的短时光信号，是光信息传输的基本单位。研究结果表明，在保持信号处理性能的同时，可自由控制光信号延迟时间，并且无需增加额外专用器件即可实现光频率转换。

研究人员还利用三维电磁仿真验证了，所提出的CRIT器件能够基于氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路平台实现。氮化硅光子集成电路是一种具有低损耗、高稳定性的波导平台，广泛应用于光信号处理及集成光子器件。

此外，他们还分析了制造和运行过程中可能遇到的材料损耗、谐振器品质因数波动、背向散射、耦合波动、环形耦合器相位误差以及热串扰（Thermal Crosstalk）等实际因素，并确认该结构能够在真实光子电路环境中稳定运行。热串扰是指电路某一部分产生的热量影响邻近器件，从而可能改变器件性能的现象。

一块芯片实现多种光学功能

该研究提出了一种全新的可编程光子集成电路平台，可实时调控光信号的时间特性和频谱特性，突破了传统固定光延迟结构的局限。研究表明，下一代光互连所需的信号同步、可变延迟线、光缓冲器以及频率转换等关键功能，有望集成到同一光子电路架构中。

此外，研究团队提出的设计方法不仅适用于CRIT系统，还可扩展至各类基于谐振器的光子电路，有望成为实现光传播灵活设计与控制的新一代光信号处理基础技术。

研究人员表示，如果实现产业化，该研究开发的可编程光子集成电路将使单块光学芯片能够像软件定义系统一样，完成信号速度调控、功能切换等多项任务。这有望显著降低数据中心和AI服务器的功耗，同时提升数据处理效率。

与此同时，多种信号处理功能集成于单芯片中，还可推动光通信设备和传感系统的小型化及成本下降。从长远来看，该技术有望成为自动驾驶、下一代通信、量子技术等超高速信息处理领域的重要基础平台。

从理论迈向实际应用

论文共同通讯作者、首尔大学Namkyoo Park教授表示：“这项研究的重要意义在于提出了一种新的设计原理，使光子集成电路中的光传播能够根据需求进行重构，大幅提高了设计灵活性。未来，我们计划将该技术进一步拓展至基于硅光子技术和光子AI技术的大规模可编程光子集成电路。”

负责理论框架和数值分析工作的论文共同第一作者Seungkyun Park博士和博士研究生Beomjoon Chae表示：“通过这项研究，我们认识到，从全新的视角重新理解传统光学谐振器物理机制，可以成为发现光子集成电路新功能的起点。未来，我们将继续推进该研究，朝着实际器件制造和实验验证方向发展。”