de.wedoany.com-Bericht: Ein Forscherteam der Ingenieurfakultät der Seoul National University hat einen programmierbaren photonischen integrierten Chip entwickelt, der die Lichtgeschwindigkeit bedarfsgerecht steuern kann und damit einen neuen Weg zur Lösung des Problems der „Lichtzwischenspeicherung" in der optischen Datenverarbeitung eröffnet.
Das Team unter der Leitung von Professor Namkyoo Park und Professor Sunkyu Yu von der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Seoul National University sowie Professor Xianji Piao von derselben Fakultät veröffentlichte die Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Science. Die Forschung zielt darauf ab, den durch die Entwicklung von generativer Künstlicher Intelligenz und großen Modellen verursachten sprunghaften Anstieg des Rechenbedarfs sowie die Engpässe traditioneller elektronischer Halbleiter in Bezug auf Stromverbrauch und Datenübertragungsrate zu bewältigen. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, stellt die Frage, wie optische Signale auf einem Chip zwischengespeichert und gespeichert werden können, eine grundlegende und langjährige Herausforderung für die optische Computertechnologie dar.
Das Team schlug ein programmierbares photonisches integriertes Chipkonzept vor, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Wellenform optischer Signale frei steuern kann. Basierend auf diesem Konzept realisierte das Team eine Steuerung von „langsamem Licht" mit einem höheren Freiheitsgrad als bei bestehenden Ansätzen.
Herkömmliche CRIT-Bauelemente (Coupled Resonator Induced Transparency) haben nach der Herstellung feste Betriebseigenschaften und können nicht neu konfiguriert werden, um unterschiedliche Verzögerungen oder Arbeitsfrequenzbänder zu erreichen. Um diese Einschränkung zu überwinden, vereinheitlichte das Forschungsteam den hellen Modus (bright mode) und den dunklen Modus (dark mode) im CRIT-System zu einem einzigen steuerbaren Freiheitsgrad und führte zwei Gruppen steuerbarer Ringkoppler ein, um neue Designkriterien für programmierbare photonische integrierte Chips zu etablieren. Mit dieser Struktur realisierte das Team eine bedarfsgerechte Verzögerungssteuerung des Lichtwegs und bestätigte, dass der Interferenzeffekt zwischen hellem und dunklem Modus als einheitlicher integrierter Designparameter verwendet werden kann, was den Designfreiheitsgrad erheblich erhöht.
Das Forschungsteam bestätigte, dass mit Hilfe der Doppelringkoppler die Durchlassbandbreite, die Wellenform sowie die Verzögerungs- und Transmissionseigenschaften des Signals theoretisch unabhängig voneinander gesteuert werden können. Numerische Simulationen zeigten ebenfalls, dass der Chip während des Betriebs die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtimpulsen in Echtzeit dynamisch anpassen kann, die Verzögerung optischer Signale ohne Einbußen bei der Signalverarbeitungsleistung frei steuern und eine optische Frequenzumwandlung durchführen kann. Das Team verifizierte außerdem durch 3D-Elektromagnetiksimulationen, dass das CRIT-Bauelement auf einer photonischen Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Integrationschip-Plattform hergestellt werden kann und auch unter Berücksichtigung praktischer Störfaktoren wie Materialverlusten, Abweichungen der Resonatorgüte, Rückstreuung, Schwankungen der Kopplungskoeffizienten, Phasenfehlern der Ringkoppler und thermischem Übersprechen stabil arbeitet.
Die in dieser Studie vorgestellte programmierbare photonische integrierte Chip-Plattform ermöglicht die Integration von Kernfunktionen wie Signalsynchronisation, variable Verzögerungsleitungen, optische Zwischenspeicherung und Frequenzumwandlung in einer einzigen Chip-Architektur. Dieses Designkonzept ist nicht auf das CRIT-System beschränkt, sondern kann auf alle auf Resonatoren basierenden photonischen Schaltungen ausgeweitet werden und hat das Potenzial, eine grundlegende Schlüsseltechnologie der nächsten Generation für die flexible Steuerung der Lichtausbreitung in der optischen Signalverarbeitung zu werden. Bei einer Kommerzialisierung könnte dieser Chip den Stromverbrauch von Rechenzentren und KI-Servern senken und die Datenverarbeitungseffizienz steigern.
Professor Namkyoo Park, korrespondierender Autor der Studie, erklärte, dass das Team das Konzept basierend auf Siliziumphotonik und photonischer KI-Technologie auf großflächige programmierbare photonische integrierte Chips ausweiten werde. Die Erstautoren Dr. Seungkyun Park und Doktorand Beomjoon Chae ergänzten, dass die Studie ihnen gezeigt habe, dass ein Perspektivwechsel bei der Interpretation traditioneller physikalischer Mechanismen photonischer Resonanzen neue Funktionen für photonische integrierte Chips erschließen könne. In weiterführenden Arbeiten sollen die Herstellung realer Bauelemente und experimentelle Validierungen erfolgen.
