Ein internationales Wissenschaftlerteam der Seoul National University und der University of Seoul hat einen revolutionären programmierbaren photonischen Chip vorgestellt, der das Licht auf Abruf verlangsamen kann. Die Entwicklung ebnet den Weg für einen bahnbrechenden Wandel im optischen Rechnen: Anstelle herkömmlicher elektrischer Signale können Lichtwellen verwendet werden, die wesentlich schneller sind und nur unwesentlich mehr Energie benötigen.
Die Forschung wurde von den Professoren Namkyoo Park und Sungkyu Yu von der Seoul National University (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) in Zusammenarbeit mit Professor Xianji Piao von der University of Seoul geleitet. Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung spielten zwei junge Wissenschaftler: Dr. Seungkyun Park (Seoul National University und PICORE Innovation Center bei KAIST) und der Doktorand Bomjun Chae (Seoul National University), die die theoretische Grundlage der Forschung entwickelten. Ihre Arbeit wurde im Journal Advanced Science unter dem Titel „Fully Programmable Slow Light Based on the Spinorial Representation of Generalized Coupled-Resonator-Induced Transparency“ veröffentlicht.
Das Problem optischer Systeme ist seit langem bekannt: Licht bewegt sich per Definition zu schnell und lässt sich nicht einfach steuern. Für die Synchronisierung von Signalen, das Puffern von Daten und die Erstellung von Speichern in optischen Rechensystemen sind steuerbare Zeitverzögerungen erforderlich. Herkömmliche Geräte, die auf dem Effekt der induzierten Transparenz durch gekoppelte Resonatoren (CRIT) basieren, hatten ihre Eigenschaften bereits während der Herstellung festgelegt – eine Neukonfiguration war danach nicht mehr möglich.
Die Wissenschaftler schlugen einen prinzipiell neuen Ansatz vor. Anstelle einer statischen Konstruktion kombinierten sie zwei optische Zustände – helle und dunkle Moden der Resonatoren – zu einem einzigen Freiheitsgrad und fügten steuerbare Schleifenkopplungselemente hinzu. Die Hauptinnovation: Die Verwendung einer Spinor-Darstellung (einer mathematischen Beschreibung aus der Quantenmechanik) ermöglichte die Erzielung eines vollständigen Satzes von Freiheitsgraden für die Abstimmung. Ergebnis: Der Chip kann dynamisch, nach der Herstellung und sogar während des Betriebs neu konfiguriert werden.
Der programmierbare Chip steuert nicht nur die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, sondern auch die Bandbreite, die Form des optischen Signals, die Übertragungseffizienz und die Frequenzmerkmale. Numerische Simulationen auf einer Siliziumnitrid-Plattform (ein Standardmaterial der Siliziumphotonik) zeigten eine hohe Stabilität des Geräts gegenüber realen Störungen: optischen Verlusten, technologischen Parameterstreuungen und thermischen Effekten.
Wenn die Technologie kommerzialisiert wird, kann ein solcher Mikrochip gleichzeitig mehrere Funktionen ausführen – von der Regelung von Signalverzögerungen bis zur Frequenzumwandlung, als programmierbares optisches System fungierend. Dies könnte den Energieverbrauch von Rechenzentren und KI-Servern, die bereits jetzt immense Leistung benötigen, drastisch senken und optische Geräte kompakter und kostengünstiger machen.
Professor Namkyoo Park betonte, dass das neue Entwurfsprinzip unter Verwendung der Spinor-Darstellung die Flexibilität photonischer integrierter Schaltkreise erheblich erhöht und eine bedarfsgerechte Umleitung des Lichtstroms ermöglicht. Die Autoren planen, die Technologie in Richtung großskaliger Systeme auf Basis der Siliziumphotonik und ihrer Hybride mit photonischen KI-Technologien weiterzuentwickeln – ein Bereich, der sein Potenzial gerade erst zu entfalten beginnt.
Die Co-Autoren der Studie, Dr. Seungkyun Park und der Doktorand Bomjun Chae, fügten hinzu, dass die Neubewertung der Physik optischer Resonatoren aus einer neuen Perspektive Türen zu Funktionalitäten öffnet, an die zuvor einfach nicht gedacht wurde. Die Arbeit wurde vom Ministerium für Wissenschaft und IKT Südkoreas durch Programme für innovative Forschungszentren, grundlegende Forschungslabore und ein Programm für junge Forscher unterstützt.
