全新光芯片，實時調控光速

團隊后續將基于硅光子、光子AI技術，把這套方案拓展至大規模可編程光子集成芯片。

首爾國立大學工學院發布消息：由首爾國立大學電氣與計算機工程系Namkyoo Park教授、Sunkyu Yu教授牽頭的聯合研究團隊，聯合首爾大學電氣與計算機工程系Xianji Piao教授，研發出一款可按需慢光的光子集成芯片。

生成式人工智能與大尺度AI模型飛速發展，算力需求暴漲，傳統電子半導體的短板隨之凸顯，包括功耗高、數據傳輸速率受限等問題。市場對具備低功耗、超高速處理能力的光計算技術需求持續攀升。但由于光的傳播速度固定，實現光計算不可或缺的光緩存與存儲功能，長期存在根本性技術難題。

為解決該難題，這支聯合研究團隊設計出一種可編程光子集成芯片方案，能夠自由調控光信號的傳播速度與波形。依托該方案，團隊實現了比現有所有方案自由度更高的“慢光”調控。相關研究成果刊發在《Advanced Science》期刊。

可編程耦合諧振腔誘導透明（CRIT）光子集成電路結構示意圖：圖中展示通過調節光學諧振腔之間的耦合強度，即可靈活調控光路傳輸路徑。

光速固定為何會成為技術瓶頸

光子集成芯片作為新一代技術，依托光信號實現高速、高效信息處理。尤其在數據中心、光通信與光計算系統中，行業不僅需要快速傳輸光信號，還要求能夠同步信號到達時序、按需對光信號做延時處理。業內針對耦合諧振腔誘導透明（CRIT）結構開展大量研究：該結構利用多組光學諧振腔之間的干涉效應，僅讓特定頻段的光透過，同時降低光信號傳播速度。

耦合諧振腔誘導透明（CRIT）是一種光學現象，通過多諧振腔干涉，選擇性透過特定頻段光并實現光延時。光學諧振腔是一類光子器件，可將特定頻率的光束縛、循環傳輸一段時間，多用于信號延時、濾波與調制。

但傳統耦合諧振腔誘導透明（CRIT）器件加工完成后工作特性固定，難以重新配置以適配不同功能。例如，若需要更長延時或切換工作頻段，必須重新設計整套光子器件。

光信號延時與頻譜轉換示意圖，圖示電路可根據控制條件，對光脈沖實現延時、修改頻譜組分。

重構CRIT結構，提升可重構靈活性

傳統器件靈活性不足，大幅提升光通信設備、數據中心系統的設計復雜度；新增功能時，設備成本上升、研發周期拉長。在AI服務器、下一代數據中心這類需要實時處理海量數據的場景下，該短板已成為光計算技術落地的核心阻礙。

為突破上述局限，研究團隊提出全新設計思路：將耦合諧振腔誘導透明系統內的兩種光學狀態——亮模（bright mode）與暗模（dark mode）統一為單一可控自由度，并引入兩組可控環形耦合器。基于該思路，團隊建立可編程光子集成芯片全新設計準則，以往加工后參數固化的諧振腔結構，如今可按需重新配置。

團隊依托全新CRIT結構實現光路按需延時調控，并證明亮模、暗模之間的干涉效應可作為統一集成設計參數。這大幅提升了光子諧振電路的設計自由度，打破傳統器件參數固定的約束。

研究團隊特別證實：借助雙環形耦合器，可從理論層面獨立調控通帶帶寬、波形，以及電路中傳輸信號的延時、透射特性。這意味著，無論單個諧振腔，還是整套多諧振腔系統，光信號的傳播速率與傳輸特性均可自由重構。

除此之外，團隊通過數值仿真驗證：芯片運行過程中，可實時動態調整光脈沖傳播速度。實驗證實，該結構能在不損失信號處理性能的前提下自由控制光信號延時，無需額外專用器件即可完成光頻譜轉換。

光脈沖是一段短促光信號，是光通信、光計算系統中承載信息的基礎單元。

團隊還通過三維電磁仿真驗證：該CRIT器件可在氮化硅（Si?N?）光子集成芯片平臺上實現制備。同時團隊分析了制造、運行階段各類實際干擾因素，包括材料損耗、諧振腔品質因子偏差、背向散射、耦合系數波動、環形耦合器相位誤差、熱串擾等，證實該結構可在真實光子電路環境下穩定工作。

氮化硅（Si?N?）光子集成芯片是低損耗、高穩定性波導平臺，廣泛用于光信號處理與集成光子器件。熱串擾是電路局部工作產生的熱量干擾周邊元器件，造成器件性能偏移的現象。

單芯片集成多項光學功能

本研究推出一款全新可編程光子集成芯片平臺，可實時調控光信號的時域、頻域特性，克服傳統固定延時光路的局限。該方案可將下一代光互連所需核心功能——信號時序同步、可變延時線、光緩存、頻譜轉換等，全部集成在單套光子芯片架構內。

同時，這套設計思路不局限于CRIT體系，可拓展至全部基于諧振腔的光子電路，有望成為下一代靈活調控光傳輸的光信號處理底層核心技術。

若實現商業化落地，本研究開發的可編程光子集成芯片可像軟件定義系統一樣，單顆光芯片完成信號速率調控、功能切換等多項任務。既能大幅降低數據中心、AI服務器的功耗，也能提升數據處理效率。

此外，多類信號處理功能單片集成，可推動光通信設備、傳感系統小型化，降低硬件成本。長期來看，該技術將成為自動駕駛、新一代通信、量子技術等超高速信息處理產業的核心支撐平臺。

從理論走向工程落地

論文共同通訊作者、首爾國立大學Namkyoo Park教授表示：“本次研究提出一套全新設計準則，讓光子集成芯片內部光路能夠按需重構，極大拓寬設計靈活度。團隊后續將基于硅光子、光子AI技術，把這套方案拓展至大規模可編程光子集成芯片。”

負責理論框架搭建與數值仿真的共同一作Seungkyun Park博士、博士生Beomjoon Chae補充道：“本次研究讓我們意識到，換一種視角解讀傳統光子諧振物理機制，可為光子集成芯片挖掘全新功能。后續我們將持續推進研究，完成實物器件制備與實驗驗證。”

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