Концептуальная схема программируемой фотонной интегральной схемы на основе кремниевого фотонно-кристаллического транзистора: иллюстрирует, как оптические импульсы меняют временную задержку и частотные характеристики при прохождении через схему. Источник: Инженерный колледж Сеульского национального университета

Новая технология позволяет хранить, задерживать и контролировать свет в пределах одного фотонного чипа. Она может найти применение в оптических вычислениях с низким энергопотреблением для серверов искусственного интеллекта и в системах оптической связи нового поколения.

Свет распространяется достаточно быстро, чтобы передавать огромные объемы информации, но эта скорость создает проблемы, когда компьютеру нужно удерживать, задерживать или синхронизировать оптический сигнал. Исследователи из Сеульского национального университета и Сеульского университета разработали программируемую фотонную интегральную схему, которая может замедлять свет, когда это необходимо.

Руководили проектом профессора Намкю Пак и Сункю Ю с кафедры электротехники и вычислительной техники Сеульского национального университета, а также профессор Сяньцзи Пяо из Школы электротехники и вычислительной техники Сеульского университета.

Стремительное развитие генеративного искусственного интеллекта и крупномасштабных моделей искусственного интеллекта резко повысило требования к вычислительным мощностям. Обычные электронные полупроводники сталкиваются с постоянными ограничениями, в том числе с высоким энергопотреблением и ограниченной скоростью передачи данных, что повышает интерес к оптическим вычислительным системам, которые быстро обрабатывают информацию, потребляя меньше энергии. Однако поскольку свет естественным образом распространяется с постоянной скоростью, создание буферов и функций памяти, необходимых для оптических вычислений, остается сложной задачей.

Структура программируемой фотонной интегральной схемы CRIT: показано, как можно свободно управлять потоком света, регулируя связь между оптическими резонаторами. Источник: Advanced Science, первоначально опубликовано в журнале Advanced Science

Исследователи устранили это ограничение с помощью программируемой фотонной схемы, которая позволяет контролировать как скорость, так и форму оптических сигналов. Их подход обеспечивает больший контроль над «медленным светом», чем ранее предложенные методы.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science.

Фиксированные оптические задержки ограничивают вычислительные возможности

Фотонные интегральные схемы обрабатывают информацию с помощью света и разрабатываются для более быстрых и эффективных вычислений. Центрам обработки данных, оптическим коммуникационным сетям и вычислительным системам требуется нечто большее, чем просто быстрая передача данных. Они также должны координировать поступление сигналов и при необходимости кратковременно задерживать их.

Исследователи изучают структуры на основе прозрачности, индуцированной связанными резонаторами (coupled-resonator-induced transparency, CRIT), в которых для выполнения этих функций используется интерференция нескольких оптических резонаторов. CRIT избирательно пропускает свет в определенном диапазоне частот, снижая скорость распространения оптического сигнала.

Прозрачность, индуцированная связанными резонаторами (Coupled-resonator-induced transparency, CRIT): оптическое явление, при котором свет в определенном диапазоне частот избирательно пропускается и задерживается за счет интерференции между несколькими резонаторами.

Оптический резонатор: фотонное устройство, которое удерживает или направляет свет определенной частоты в течение определенного времени; используется для задержки, фильтрации и модуляции сигнала.

Проблема в том, что обычные устройства с критическим временем нарастания импульса, как правило, сохраняют свои рабочие характеристики после изготовления. Для изменения частотного диапазона или увеличения задержки часто требуется полностью новое устройство.

(слева направо) Сункю Ю (соавтор-корреспондент), факультет электротехники и вычислительной техники, Сеульский национальный университет; Намкю Пак (соавтор-корреспондент), факультет электротехники и вычислительной техники, Сеульский национальный университет; Сяньцзи Пяо (соавтор-корреспондент), факультет электротехники и вычислительной техники, Сеульский университет; Сынкюн Пак (соавтор-первый автор); Бомджун Чэ (соавтор-первый автор); Хёнчхоль Пак (соавтор). Источник: Инженерный колледж Сеульского национального университета

Такая негибкость усложняет оптическое коммуникационное оборудование и системы центров обработки данных, а также увеличивает затраты и время разработки, необходимые для добавления новых возможностей. Для серверов искусственного интеллекта и центров обработки данных нового поколения, обрабатывающих огромные объемы информации в режиме реального времени, фиксированное оптическое оборудование стало серьезным препятствием.

Два соединителя делают свет программируемым

Исследователи подошли к проблеме, рассматривая два оптических состояния в системах с кремниевым чипом в качестве единой степени свободы. Затем они добавили два регулируемых петлевых соединителя, создав конструкцию, в которой резонаторные структуры можно перенастраивать после изготовления, а не оставлять в неизменном виде.

С помощью новой структуры с кремниевым чипом в качестве резонатора исследователи показали, что при необходимости можно задерживать свет и управлять им. Представление интерференции между светлой и темной модами как единого параметра проектирования значительно расширило возможности схем с фотонными резонаторами.

Теоретический анализ показал, что два петлевых соединителя могут управлять шириной и формой полосы пропускания, а также свойствами задержки и передачи сигналов, проходящих через схему. Это означает, что скорость и характеристики передачи света можно изменять во всей системе связанных резонаторов, а не только в одном устройстве.

Численное моделирование также показало, что скорость оптических импульсов* может динамически изменяться во время работы схемы. Исследователи обнаружили, что задержку сигнала можно регулировать без ущерба для производительности обработки, а свет можно преобразовывать из одной частоты в другую без дополнительных специализированных компонентов.

Моделирование для проверки надежности в реальных условиях

Трехмерное электромагнитное моделирование показало, что предложенное устройство CRIT может быть создано на платформе фотонных интегральных схем из нитрида кремния (Si₃N₄)*. Исследователи также изучили практические проблемы, которые могут возникнуть в процессе производства и эксплуатации, в том числе потери материала, различия в качестве резонаторов, обратное рассеяние, нестабильную связь, фазовые ошибки в петлевых соединителях и тепловые перекрестные помехи.

Результаты показали, что конструкция может стабильно работать в реальных условиях фотонных схем.

Предлагаемая платформа позволяет в режиме реального времени корректировать как временные, так и спектральные характеристики оптических сигналов, устраняя ограничения, присущие устройствам с фиксированной оптической задержкой. В рамках единой схемы потенциально можно объединить синхронизацию сигналов, линии с переменной задержкой, оптические буферы и преобразование частоты — все это важно для оптических соединений следующего поколения.

Задержка оптического сигнала и преобразование частоты: демонстрация того, что оптические импульсы можно задерживать, а их частотные составляющие — изменять в зависимости от условий управления схемой. Источник: Advanced Science, опубликовано в журнале Advanced Science

Та же стратегия проектирования может быть применена не только к CRIT, но и ко многим другим фотонным схемам на основе резонаторов. Такая широкая адаптивность позволяет предположить, что этот метод может быть использован в будущих системах обработки оптических сигналов, в которых движение света будет проектироваться и контролироваться более гибко.

Один чип может заменить множество компонентов

Если эта технология получит коммерческое применение, один программируемый оптический чип сможет выполнять несколько задач, включая изменение скорости сигнала и переключение между функциями, подобно программно-определяемым системам. Такая гибкость может снизить энергопотребление в центрах обработки данных и на серверах искусственного интеллекта, повысив при этом эффективность обработки данных.

Объединение нескольких функций обработки сигнала на одном чипе также может сделать оборудование для оптической связи и датчики меньше и дешевле. Со временем эта технология может найти применение в областях, требующих сверхбыстрой обработки информации, включая автономное вождение, связь нового поколения и квантовые технологии.

Профессор Намкю Пак, соавтор исследования из Сеульского национального университета, заявил: «Это исследование важно тем, что в нём предлагается новый принцип проектирования, который позволяет при необходимости изменять конфигурацию потока света в фотонных интегральных схемах, что значительно повышает гибкость проектирования». Мы планируем распространить эту технологию на крупномасштабные программируемые фотонные интегральные схемы на основе кремниевой фотоники и технологий фотонного искусственного интеллекта».

Соавторы исследования, доктор Сын Гюн Пак и аспирант Бомджун Чэ, которые занимались теоретической базой и численным анализом, добавили: «В ходе этого исследования мы поняли, что переосмысление традиционной физики фотонных резонаторов с другой точки зрения может стать отправной точкой для открытия новых функций в фотонных интегральных схемах. Мы планируем и дальше развивать это исследование, чтобы внедрить его в практические устройства и провести экспериментальную проверку».