韩国首尔大学团队研发可编程光子集成电路，可按需调控光速实现光信号延迟与缓存

7月21日，韩国首尔大学工学院宣布，由该校电气与计算机工程系朴南奎（Namkyoo Park）教授、柳宣圭（Sunkyu Yu）教授领衔，联合首尔市立大学电气与计算机工程学院朴仙姬（Xianji Piao）教授组成的联合研究团队，成功研发出一款可编程光子集成电路，能够按需调控光信号传播速度，让光"慢下来"，同时实现对光信号传输特性的实时动态控制。

相关研究成果已发表于国际期刊《先进科学》（Advanced Science）。

光跑得太快，反而成了计算瓶颈

光子芯片被视为下一代光计算的重要方向。光信号在传输速度和能耗方面相比电信号具有天然优势，理论上可在极低功耗下实现超高速数据传输。然而，光总是以固定速度传播，如何像电子芯片一样实现信号延迟、缓存和同步，一直是光计算发展的关键瓶颈。

在数据中心、光通信网络及AI计算系统中，不仅需要快速传输光信号，还必须确保不同信号在正确的时间到达。在某些场景下，光信号需要被延迟以便与系统中其他数据保持同步，甚至需要被暂时"缓存"——这对传统光学器件而言极为困难。

CRIT结构：让特定频率的光"减速"

研究团队此次突破的关键，是一种名为耦合谐振腔诱导透明（Coupled-Resonator-Induced Transparency，简称CRIT）的光学结构。该结构利用多个微小光学谐振腔之间的相互作用，让特定频率的光在传播过程中减速，从而实现"慢光"效果。

可编程CRIT光子集成电路概念图，说明了光脉冲在电路中传播时如何经历时间延迟和频率特性的变化。（图源：首尔国立大学工程学院）

但传统的CRIT器件存在一个致命缺陷：制造完成后工作方式便固定不变。若工程师希望延长信号延迟时间或切换至不同的工作频率范围，往往需要重新设计并制造一款全新的光子器件。这种不可调性大幅增加了光通信设备和数据中心系统的设计复杂度，推高了成本、拉长了开发周期。

"亮模"与"暗模"统一，让固定结构"活"起来

为突破这一局限，研究团队提出了一种全新的设计思路。他们将CRIT系统内的两种光学状态——亮模（bright mode）与暗模（dark mode）——统一为一个单一的可控自由度，并引入两个可调节的环形耦合器，使原本制造后便固定不变的谐振器结构具备按需重构能力。

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。

研究表明，借助双环形耦合器，不仅可以调节光信号的延迟时间，还可独立控制通带带宽、波形以及信号在电路中的传输特性。这意味着，无论单个谐振器还是整个多谐振器系统，光信号的传播速度与传输特性均可自由重新配置。

数值仿真结果显示，在芯片运行过程中，光脉冲的传播速度可以实时动态调整。系统能够在不损失信号处理性能的前提下自由控制光信号延迟时间，并且无需额外专用器件即可完成光频率转换。

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。

工程可行性验证 

研究团队通过三维电磁仿真验证了该CRIT器件可在成熟的氮化硅（Si₃N₄）光子集成电路平台上实现制备。氮化硅光子芯片平台具有低损耗、高稳定性的特点，是当前光信号处理领域广泛使用的波导平台。

更重要的是，团队还系统分析了制造和运行阶段可能出现的各类实际干扰因素，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以及热串扰等，证实该结构在真实光子电路环境下能够稳定可靠运行。

这项研究提出的可编程光子集成电路平台，有望将下一代光互连所需的核心功能——信号时序同步、可变延迟线、光缓冲器和频率转换——全部集成到单一光子芯片架构中。

未来若实现产业化，一块光芯片即可像软件定义系统一样，根据需求实时切换功能，既能控制信号速度，也能在不同光学处理任务之间灵活转换。

应用前景：AI数据中心、自动驾驶与量子技术

生成式人工智能与大尺度AI模型的飞速发展，使得数据中心和服务器的算力需求急剧增长，传统电子半导体在功耗和数据传输速率方面的瓶颈日益凸显。光学计算以光代替电信号传递信息，理论上可在极低功耗下实现超高速数据传输，但光缓存难题长期制约其落地。

此次可编程光子芯片的突破，为光计算走向实用补齐了核心短板。若实现商业化，该技术有望显著降低数据中心和AI服务器的能耗，同时提升数据处理效率。将多种信号处理功能集成于单块芯片，还可推动光通信设备和传感器系统的小型化，降低硬件成本。

从长远来看，该技术有望成为自动驾驶、下一代通信和量子技术等对超高速信息处理有迫切需求产业的核心支撑平台。

研究团队展望 

论文共同通讯作者、首尔大学朴南奎教授表示："这项研究的意义在于提出了一种新的设计原理，允许光子集成电路内部的光流按需重新配置，极大拓宽了设计灵活度。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第一作者朴承均（Seungkyun Park）博士和博士生蔡范准（Beomjoon Chae）补充道："通过这项研究，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。"

据悉，该研究获得了韩国科学技术信息通信部通过创新研究中心（IRC）项目、基础研究实验室（BRL）项目以及青年研究员项目的支持。