Разработана программируемая фотонная интегральная схема, обеспечивающая хранение, задержку и управление светом в одном фотонном чипе

С быстрым развитием генеративного искусственного интеллекта и крупномасштабных ИИ-моделей возросла потребность в вычислительных мощностях, что выявило ограничения традиционных электронных полупроводников, в том числе высокое энергопотребление и ограниченную скорость передачи данных. В результате растет спрос на оптические вычислительные технологии, способные обеспечивать сверхбыструю обработку данных при низком энергопотреблении. Однако из-за того, что свет распространяется с постоянной скоростью, реализация функций буфера и памяти, необходимых для оптических вычислений, остается принципиально сложной задачей.

Чтобы решить эту проблему, совместная исследовательская группа разработала метод свободного управления скоростью и формой оптических сигналов с помощью программируемой фотонной интегральной схемы. Благодаря этому подходу команда продемонстрировала возможность управлять «медленным светом» с большей степенью свободы, чем при использовании любого из ранее предложенных методов.

В этом исследовании представлена новая платформа программируемых фотонных интегральных схем, которая позволяет в режиме реального времени управлять временными и спектральными характеристиками оптических сигналов, преодолевая ограничения традиционных структур с фиксированной оптической задержкой. Она демонстрирует возможность интеграции ключевых функций, необходимых для оптических межсоединений следующего поколения, таких как синхронизация сигналов, линии задержки с переменной длиной, оптические буферы и преобразование частоты, в единую архитектуру фотонной схемы.

Для достижения такой функциональности были изучены структуры, основанные на прозрачности, индуцированной связанными резонаторами (coupled-resonator-induced transparency, CRIT), в которых используется интерференция между несколькими оптическими резонаторами. CRIT — это оптическое явление, при котором свет избирательно пропускается в определенном диапазоне частот, одновременно замедляя скорость распространения оптических сигналов.

Традиционные структуры с кольцевым резонатором обычно имеют фиксированные рабочие характеристики, что затрудняет их перенастройку для выполнения других функций. Например, для увеличения задержки или перехода в другой частотный диапазон требуется разработка совершенно новых фотонных устройств.

Отсутствие гибкости усложнило работу оборудования для оптической связи и систем центров обработки данных, что привело к увеличению затрат и сроков разработки при внедрении новых функций. В таких средах, как серверы искусственного интеллекта и центры обработки данных нового поколения, где необходимо обрабатывать огромные массивы данных в режиме реального времени, это ограничение стало серьезным препятствием для развития технологий оптических вычислений.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа предложила новый подход, при котором два оптических состояния в системах с кремниевыми чипами — «яркий режим» и «темный режим» — рассматриваются как единая степень свободы, и внедрила два управляемых петлевых соединителя. Это позволило разработать новый принцип проектирования программируемых фотонных интегральных схем, благодаря которому резонаторные структуры, которые ранее оставались неизменными после изготовления, можно было реконфигурировать по мере необходимости.

Исследователи продемонстрировали, что поток света можно задерживать и контролировать по мере необходимости с помощью недавно предложенной структуры CRIT, а также показала, что интерференцию между яркими и темными модами можно рассматривать как единый интегрированный параметр проектирования. Это значительно повысило гибкость проектирования схем фотонных резонаторов, которые ранее были ограничены фиксированными конфигурациями.

В частности, с помощью двух петлевых ответвителей исследователи теоретически доказали, что можно контролировать ширину и форму полосы пропускания, а также характеристики задержки и передачи сигналов, распространяющихся по цепи. Это означает, что скорость распространения и свойства передачи оптических сигналов можно свободно изменять не только в пределах одного резонатора, но и во всей системе, состоящей из нескольких резонаторов.

Кроме того, с помощью численного моделирования команда продемонстрировала, что скорость распространения оптических импульсов можно динамически регулировать в режиме реального времени во время работы схемы. В результате они подтвердили, что временем задержки оптических сигналов можно свободно управлять, сохраняя при этом эффективность обработки сигналов, а преобразование частоты света может быть достигнуто без использования дополнительных специализированных компонентов.

В случае коммерциализации программируемые фотонные интегральные схемы, разработанные в рамках этого исследования, позволят одному оптическому чипу выполнять несколько функций, таких как управление скоростью передачи сигнала и переключение функций, подобно программно-определяемым системам. Это может значительно снизить энергопотребление в центрах обработки данных и на серверах искусственного интеллекта, повысив при этом эффективность обработки данных.

Кроме того, интеграция различных функций обработки сигнала в один чип может способствовать миниатюризации и снижению стоимости оборудования для оптической связи и сенсорных систем. Ожидается, что в долгосрочной перспективе эта технология станет ключевой платформой для отраслей, требующих сверхбыстрой обработки информации, включая автономное вождение, связь нового поколения и квантовые технологии.