創建可編程光子芯片,控制光速

编辑者: Aleksandr Lytviak

來自首爾國立大學和首爾市立大學的國際科學家團隊推出了一款革命性的可編程光子芯片,能夠按需減慢光速。這項開發為光學計算帶來了突破性的轉變:傳統的電信號可以被光波取代,光波速度更快,且能耗僅略有增加。

該研究由首爾國立大學(電機工程與資訊科學系)的Namkyoo Park教授和Sunkyu Yu教授,以及首爾市立大學的Xianji Piao教授領導。兩位年輕科學家在此開發中扮演了重要角色:來自首爾國立大學和KAIST PICORE創新中心的博士後研究員Seungkyun Park,以及首爾國立大學的博士生Bomjun Chae,他們開發了該研究的理論基礎。他們的工作發表在《Advanced Science》期刊上,標題為「基於廣義耦合腔誘導透明之自旋表示的全可編程慢光」。

光學系統長期以來面臨一個眾所周知問題:光速過快,難以簡單控制。在光學計算系統中,信號同步、數據緩衝和創建記憶體需要可控的時間延遲。傳統基於耦合腔誘導透明(CRIT)效應的設備,其特性在製造階段就已固定,之後無法重新配置。

科學家們提出了一個根本性的新方法。他們沒有採用靜態結構,而是將耦合腔的兩種光學狀態——明模式和暗模式——合併為單一自由度,並增加了可控的耦合環。主要創新之處在於:利用自旋表示(量子力學的一種數學描述)獲得了用於調諧的完整自由度集。結果是:該芯片可以在製造後甚至在運行過程中動態地重新配置。

該可編程芯片不僅控制光的傳播速度,還控制帶寬、光信號形狀、傳輸效率和頻率特性。在氮化矽平台(矽光子學的標準材料)上的數值模擬顯示,該設備對真實世界的干擾具有高度魯棒性:包括光損耗、製程參數偏差和熱效應。

如果該技術得以商業化,單個此類微電路將能夠同時執行多種功能——從信號延遲調節到頻率轉換,充當一個可編程光學系統。這將極大地降低數據中心和人工智能服務器的能耗(它們目前已經需要巨大的功率),並使光學設備更緊湊、更便宜。

Namkyoo Park教授強調,使用自旋表示的新設計原理大大提高了光子集成電路的靈活性,並允許根據需要重新配置光流。作者們計劃將該技術發展到基於矽光子學和其與光子人工智能技術混合的大規模系統方向——這是一個剛剛開始展現其潛力的領域。

該研究的合著者,Seungkyun Park博士和Bomjun Chae博士生補充說,從新的視角重新思考光學腔的物理學,打開了通往以前從未想過的功能的大門。這項工作得到了韓國科學技術情報通信部的支持,透過創新研究中心、基礎研究實驗室和青年研究人員計畫。

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來源

  • New Programmable Photonic Chip Can Control How Fast Light Moves

  • SNU–University of Seoul joint research team develops programmable photonic integrated circuit that slows light on demand

  • Fully Programmable Slow Light Based on a Spinor Representation of Generalized Coupled-Resonator-Induced Transparency

  • Coupled resonator-induced transparency on a three-ring resonator

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