Международный коллектив учёных из Сеульского национального университета и Университета Сеула представил революционный программируемый фотонный чип, способный замедлять свет по требованию. Разработка открывает путь к переломному сдвигу в оптических вычислениях: вместо традиционных электрических сигналов можно использовать световые волны, которые куда быстрее, но при этом требуют ненамного больше энергии.
Исследование возглавили профессора Намкёо Парк и Сункю Ю из Сеульского национального университета (факультет электротехники и информатики) совместно с профессором Сяньцзи Пяо из Университета Сеула. Важную роль в разработке сыграли два молодых учёных: доктор наук Сынкюн Парк (Сеульский национальный университет и Инновационный центр PICORE при КАИСТ) и аспирант Бомджун Чхэ (Сеульский национальный университет), которые разработали теоретическую базу исследования. Их работа опубликована в журнале Advanced Science под названием «Полностью программируемый замедленный свет на основе спинорного представления обобщённой вызванной связанными резонаторами прозрачности».
Проблема оптических систем давно известна: свет движется по определению слишком быстро и не поддаётся простому контролю. Для синхронизации сигналов, буферизации данных и создания памяти в оптических вычислительных системах требуются управляемые временные задержки. Традиционные устройства на основе эффекта вызванной связанными резонаторами прозрачности (CRIT) фиксировали свои характеристики на этапе производства — переналаживать их потом было невозможно.
Учёные предложили принципиально новый подход. Вместо статичной конструкции они объединили два оптических состояния — яркий и тёмный моды резонаторов — в единую степень свободы и добавили управляемые петлевые связывающие элементы. Главная инновация: использование спинорного представления (математического описания из квантовой механики) позволило получить полный набор степеней свободы для настройки. Результат: чип можно перенастраивать динамически, уже после изготовления и даже во время работы.
Программируемый чип контролирует не только скорость распространения света, но и ширину полосы пропускания, форму оптического сигнала, эффективность передачи и частотные характеристики. Численное моделирование на платформе нитрида кремния (стандартном материале кремниевой фотоники) показало высокую устойчивость устройства к реальным помехам: оптическим потерям, технологическому разбросу параметров и тепловым эффектам.
Если технология будет коммерциализирована, одна такая микросхема сможет выполнять одновременно несколько функций — от регулировки задержек сигналов до преобразования частоты, действуя как программируемая оптическая система. Это может кардинально снизить энергопотребление дата-центров и серверов искусственного интеллекта, которые уже сейчас требуют колоссальных мощностей, и сделать оптическое оборудование компактнее и дешевле.
Профессор Намкёо Парк подчеркнул, что новый принцип проектирования с использованием спинорного представления значительно повышает гибкость фотонных интегральных схем и позволяет перестраивать поток света по мере необходимости. Авторы планируют развивать технологию в направлении крупномасштабных систем на основе кремниевой фотоники и её гибридов с технологиями фотонного искусственного интеллекта — область, которая только начинает раскрывать свой потенциал.
Соавторы исследования — доктор Сынкюн Парк и аспирант Бомджун Чхэ — добавили, что переосмысление физики оптических резонаторов с новой точки зрения открывает двери к функциональностям, о которых раньше просто не думали. Работа получила поддержку Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий Южной Кореи через программы инновационных исследовательских центров, базовых исследовательских лабораторий и программу для молодых исследователей.
