Een internationaal team van wetenschappers van de Nationale Universiteit van Seoel en de Universiteit van Seoel heeft een revolutionaire, programmeerbare fotonische chip gepresenteerd die licht naar behoefte kan vertragen. De ontwikkeling opent de weg naar een baanbrekende verschuiving in optische berekeningen: in plaats van traditionele elektrische signalen kunnen lichtgolven worden gebruikt, die veel sneller zijn en daarbij slechts iets meer energie verbruiken.
Het onderzoek werd geleid door professoren Namkyoo Park en Sungkyu Yu van de Nationale Universiteit van Seoel (Faculteit Elektrotechniek en Informatica), in samenwerking met professor Xianji Piao van de Universiteit van Seoel. Twee jonge wetenschappers speelden een belangrijke rol in de ontwikkeling: Dr. Seungkyun Park (Nationale Universiteit van Seoel en PICORE Innovation Center bij KAIST) en promovendus Bomjun Chae (Nationale Universiteit van Seoel), die de theoretische basis voor het onderzoek ontwikkelden. Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science onder de titel "Fully Programmable Slow Light Based on Spinor Representation of Generalized Coupled-Resonator-Induced Transparency".
Het probleem van optische systemen is al lang bekend: licht beweegt per definitie te snel en is niet eenvoudig te beheersen. Voor de synchronisatie van signalen, het bufferen van gegevens en het creëren van geheugen in optische rekensystemen zijn controleerbare tijdelijke vertragingen nodig. Traditionele apparaten gebaseerd op het principe van opgewekte transparantie door gekoppelde resonators (CRIT) hadden hun kenmerken al tijdens de productie vastgelegd - herconfiguratie was daarna niet meer mogelijk.
De wetenschappers stelden een fundamenteel nieuwe aanpak voor. In plaats van een statische constructie combineerden ze twee optische toestanden - heldere en donkere resonator-modes - tot één vrijheidsgraad en voegden ze controleerbare luskoppelingscomponenten toe. Het belangrijkste innovatie: het gebruik van spinorepresentatie (een wiskundige beschrijving uit de kwantummechanica) maakte een volledige set vrijheidsgraden voor afstemming mogelijk. Het resultaat: de chip kan dynamisch worden hergeconfigureerd, zelfs na fabricage en tijdens bedrijf.
De programmeerbare chip regelt niet alleen de voortplantingssnelheid van licht, maar ook de bandbreedte, de vorm van het optische signaal, de transmissie-efficiëntie en de frequentiekarakteristieken. Numerieke modellering op het siliciumnitrideplatform (een standaardmateriaal in de siliciumfotonica) toonde de hoge weerstand van het apparaat aan tegen reële interferenties: optische verliezen, technologische parameterdispersie en thermische effecten.
Indien de technologie wordt gecommercialiseerd, kan één zo'n microchip tegelijkertijd meerdere functies uitvoeren - van het aanpassen van signaalvertragingen tot frequentieconversie, fungerend als een programmeerbaar optisch systeem. Dit kan het energieverbruik van datacenters en AI-servers, die nu al enorme vermogens vereisen, drastisch verminderen en optische apparatuur compacter en goedkoper maken.
Professor Namkyoo Park benadrukte dat het nieuwe ontwerpprincipe met spinorepresentatie de flexibiliteit van fotonische geïntegreerde schakelingen aanzienlijk verhoogt en de aanpassing van de lichtstroom naar behoefte mogelijk maakt. De auteurs zijn van plan de technologie verder te ontwikkelen in de richting van grootschalige systemen gebaseerd op siliciumfotonica en hybriden daarvan met fotonische AI-technologieën - een gebied dat zijn potentieel nog maar net begint te ontsluiten.
Mede-auteurs van het onderzoek - Dr. Seungkyun Park en promovendus Bomjun Chae - voegden eraan toe dat de heroverweging van de fysica van optische resonators vanuit een nieuw perspectief deuren opent naar functionaliteiten waar men voorheen simpelweg niet aan dacht. Het werk werd ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en ICT van Zuid-Korea via programma's voor innovatieve onderzoekscentra, fundamentele onderzoekslaboratoria en het programma voor jonge onderzoekers.
