全新光芯片，实时调控光速

首尔国立大学工学院发布消息：由首尔国立大学电气与计算机工程系Namkyoo Park教授、Sunkyu Yu教授牵头的联合研究团队，联合首尔大学电气与计算机工程系Xianji Piao教授，研发出一款可按需慢光的光子集成芯片。

生成式人工智能与大尺度AI模型飞速发展，算力需求暴涨，传统电子半导体的短板随之凸显，包括功耗高、数据传输速率受限等问题。市场对具备低功耗、超高速处理能力的光计算技术需求持续攀升。但由于光的传播速度固定，实现光计算不可或缺的光缓存与存储功能，长期存在根本性技术难题。

为解决该难题，这支联合研究团队设计出一种可编程光子集成芯片方案，能够自由调控光信号的传播速度与波形。依托该方案，团队实现了比现有所有方案自由度更高的“慢光”调控。相关研究成果刊发在《Advanced Science》期刊。

可编程耦合谐振腔诱导透明（CRIT）光子集成电路结构示意图：图中展示通过调节光学谐振腔之间的耦合强度，即可灵活调控光路传输路径。

光速固定为何会成为技术瓶颈

光子集成芯片作为新一代技术，依托光信号实现高速、高效信息处理。尤其在数据中心、光通信与光计算系统中，行业不仅需要快速传输光信号，还要求能够同步信号到达时序、按需对光信号做延时处理。业内针对耦合谐振腔诱导透明（CRIT）结构开展大量研究：该结构利用多组光学谐振腔之间的干涉效应，仅让特定频段的光透过，同时降低光信号传播速度。

耦合谐振腔诱导透明（CRIT）是一种光学现象，通过多谐振腔干涉，选择性透过特定频段光并实现光延时。光学谐振腔是一类光子器件，可将特定频率的光束缚、循环传输一段时间，多用于信号延时、滤波与调制。

但传统耦合谐振腔诱导透明（CRIT）器件加工完成后工作特性固定，难以重新配置以适配不同功能。例如，若需要更长延时或切换工作频段，必须重新设计整套光子器件。

光信号延时与频谱转换示意图，图示电路可根据控制条件，对光脉冲实现延时、修改频谱组分。

重构CRIT结构，提升可重构灵活性

传统器件灵活性不足，大幅提升光通信设备、数据中心系统的设计复杂度；新增功能时，设备成本上升、研发周期拉长。在AI服务器、下一代数据中心这类需要实时处理海量数据的场景下，该短板已成为光计算技术落地的核心阻碍。

为突破上述局限，研究团队提出全新设计思路：将耦合谐振腔诱导透明系统内的两种光学状态——亮模（bright mode）与暗模（dark mode）统一为单一可控自由度，并引入两组可控环形耦合器。基于该思路，团队建立可编程光子集成芯片全新设计准则，以往加工后参数固化的谐振腔结构，如今可按需重新配置。

团队依托全新CRIT结构实现光路按需延时调控，并证明亮模、暗模之间的干涉效应可作为统一集成设计参数。这大幅提升了光子谐振电路的设计自由度，打破传统器件参数固定的约束。

研究团队特别证实：借助双环形耦合器，可从理论层面独立调控通带带宽、波形，以及电路中传输信号的延时、透射特性。这意味着，无论单个谐振腔，还是整套多谐振腔系统，光信号的传播速率与传输特性均可自由重构。

除此之外，团队通过数值仿真验证：芯片运行过程中，可实时动态调整光脉冲传播速度。实验证实，该结构能在不损失信号处理性能的前提下自由控制光信号延时，无需额外专用器件即可完成光频谱转换。

光脉冲是一段短促光信号，是光通信、光计算系统中承载信息的基础单元。

团队还通过三维电磁仿真验证：该CRIT器件可在氮化硅（Si₃N₄）光子集成芯片平台上实现制备。同时团队分析了制造、运行阶段各类实际干扰因素，包括材料损耗、谐振腔品质因子偏差、背向散射、耦合系数波动、环形耦合器相位误差、热串扰等，证实该结构可在真实光子电路环境下稳定工作。

氮化硅（Si₃N₄）光子集成芯片是低损耗、高稳定性波导平台，广泛用于光信号处理与集成光子器件。热串扰是电路局部工作产生的热量干扰周边元器件，造成器件性能偏移的现象。

单芯片集成多项光学功能

本研究推出一款全新可编程光子集成芯片平台，可实时调控光信号的时域、频域特性，克服传统固定延时光路的局限。该方案可将下一代光互连所需核心功能——信号时序同步、可变延时线、光缓存、频谱转换等，全部集成在单套光子芯片架构内。

同时，这套设计思路不局限于CRIT体系，可拓展至全部基于谐振腔的光子电路，有望成为下一代灵活调控光传输的光信号处理底层核心技术。

若实现商业化落地，本研究开发的可编程光子集成芯片可像软件定义系统一样，单颗光芯片完成信号速率调控、功能切换等多项任务。既能大幅降低数据中心、AI服务器的功耗，也能提升数据处理效率。

此外，多类信号处理功能单片集成，可推动光通信设备、传感系统小型化，降低硬件成本。长期来看，该技术将成为自动驾驶、新一代通信、量子技术等超高速信息处理产业的核心支撑平台。

从理论走向工程落地

论文共同通讯作者、首尔国立大学Namkyoo Park教授表示：“本次研究提出一套全新设计准则，让光子集成芯片内部光路能够按需重构，极大拓宽设计灵活度。团队后续将基于硅光子、光子AI技术，把这套方案拓展至大规模可编程光子集成芯片。”

负责理论框架搭建与数值仿真的共同一作Seungkyun Park博士、博士生Beomjoon Chae补充道：“本次研究让我们意识到，换一种视角解读传统光子谐振物理机制，可为光子集成芯片挖掘全新功能。后续我们将持续推进研究，完成实物器件制备与实验验证。”