I ricercatori della Seoul National University e dell’Università di Seoul hanno sviluppato un circuito integrato fotonico programmabile in grado di rallentare la luce a seconda delle necessità.
Il team era guidato dai professori Namkyoo Park e Sunkyu Yu del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università Nazionale di Seoul, in collaborazione con il professor Xianji Piao della Facoltà di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università di Seoul.
Rallentare la luce potrebbe contribuire a risolvere un collo di bottiglia nel calcolo
La rapida crescita dell’intelligenza artificiale generativa e dei modelli di IA su larga scala ha incrementato notevolmente la potenza di calcolo richiesta da data center e server. I semiconduttori elettronici convenzionali faticano a tenere il passo, poiché consumano grandi quantità di energia e presentano limiti nella velocità di trasmissione dei dati.
Queste sfide hanno intensificato l’interesse per l’informatica ottica, che utilizza la luce anziché i segnali elettrici per elaborare le informazioni. I sistemi ottici potrebbero potenzialmente trasferire dati a velocità estremamente elevate consumando meno energia.
Tuttavia, la luce rappresenta anche una sfida importante. Poiché si muove naturalmente a velocità fissa, è difficile ritardare i segnali ottici o trattenerli temporaneamente. Queste capacità sono essenziali per la creazione di buffer e funzioni di memoria nei computer ottici.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno progettato un circuito fotonico programmabile in grado di controllare sia la velocità che la forma dei segnali ottici. Il loro approccio offre maggiore flessibilità nella gestione della “luce lenta” rispetto ai metodi proposti in precedenza.
Lo studio è stato pubblicato sulla rinomata rivista internazionale Advanced Science .
Perché a volte i segnali ottici devono aspettare
I circuiti fotonici integrati si stanno affermando come una tecnologia promettente per l’elaborazione rapida ed efficiente delle informazioni tramite la luce. Nei data center, nelle reti di comunicazione ottica e nei futuri sistemi di calcolo, la trasmissione rapida dei segnali rappresenta solo una parte della sfida.
I sistemi devono inoltre garantire che i diversi segnali arrivino al momento giusto. In alcuni casi, un segnale luminoso deve essere ritardato affinché rimanga sincronizzato con le altre informazioni che transitano nel sistema.
Un metodo per creare questi ritardi si basa sulla trasparenza indotta da risonatori accoppiati (CRIT), che utilizza l’interferenza tra diversi risonatori ottici.
La tecnologia CRIT consente alla luce all’interno di un intervallo di frequenza selezionato di attraversare un dispositivo, riducendo al contempo la velocità di propagazione del segnale ottico.
- Trasparenza indotta da risonatori accoppiati (CRIT): un fenomeno ottico che trasmette e ritarda selettivamente la luce all’interno di uno specifico intervallo di frequenza attraverso l’interferenza tra più risonatori.
- Risonatore ottico: dispositivo fotonico che confina o fa circolare la luce di una specifica frequenza per un certo periodo; utilizzato per ritardare, filtrare e modulare i segnali.
I dispositivi ottici fissi limitano la flessibilità
I dispositivi CRIT tradizionali presentano solitamente caratteristiche operative che diventano permanenti una volta fabbricati. Ciò rende difficile modificarne il funzionamento dopo la produzione.
Ad esempio, gli ingegneri che desiderano creare un ritardo del segnale più lungo o lavorare con una gamma di frequenza diversa spesso devono progettare e realizzare un dispositivo fotonico completamente nuovo.
Questa mancanza di adattabilità aumenta la complessità dell’hardware per le comunicazioni ottiche e dell’infrastruttura dei data center. Può inoltre far lievitare i costi e allungare i tempi di sviluppo ogni qualvolta si rendano necessarie nuove funzionalità.
Il problema è particolarmente rilevante per i server di intelligenza artificiale e i data center di nuova generazione, dove enormi quantità di informazioni devono essere elaborate in tempo reale. I componenti ottici fissi sono quindi rimasti un ostacolo importante per la realizzazione di sistemi di calcolo ottico più pratici.
Un design programmabile per il controllo della luce
Il team di ricerca ha sviluppato una strategia diversa trattando due stati ottici nei sistemi CRIT, noti come modalità luminosa e modalità scura, come un unico grado di libertà. I ricercatori hanno inoltre aggiunto due accoppiatori ad anello controllabili.
Nel loro insieme, questi cambiamenti hanno creato un nuovo principio di progettazione per i circuiti fotonici integrati programmabili. Le configurazioni dei risonatori, che in precedenza erano vincolate a un’unica impostazione dopo la fabbricazione, potevano ora essere adattate a scopi diversi.
Utilizzando la nuova struttura CRIT, i ricercatori hanno dimostrato che il movimento della luce può essere ritardato e controllato a seconda delle necessità. Hanno inoltre dimostrato che l’interferenza tra le modalità chiara e scura può essere gestita come un singolo parametro di progettazione integrato.
Questo approccio ha ampliato notevolmente la flessibilità dei circuiti a risonatore fotonico, che in precedenza erano limitati da progetti fissi.
Controllo del ritardo, della larghezza di banda e della forma del segnale
I ricercatori hanno dimostrato teoricamente che i due accoppiatori ad anello potevano essere utilizzati per regolare la larghezza di banda e la forma della banda passante. Potevano anche controllare la durata del ritardo dei segnali e l’efficienza con cui questi si propagavano attraverso il circuito.
Ciò significa che sia la velocità che il comportamento di trasmissione dei segnali ottici potrebbero essere riconfigurati in interi sistemi contenenti più risonatori, anziché solo all’interno di un singolo risonatore.
Le simulazioni numeriche hanno inoltre dimostrato che la velocità degli impulsi ottici può essere regolata dinamicamente durante il funzionamento del circuito.
I risultati hanno indicato che i tempi di ritardo del segnale potevano essere modificati senza ridurre le prestazioni di elaborazione. Il sistema era inoltre in grado di convertire la frequenza della luce senza richiedere componenti specializzati aggiuntivi.
- Impulso ottico: un breve impulso di luce utilizzato come unità di base per la trasmissione di informazioni nei sistemi di comunicazione ottica e di elaborazione dati.
Le simulazioni suggeriscono che il chip potrebbe essere pratico
I ricercatori hanno utilizzato simulazioni elettromagnetiche tridimensionali per verificare se il dispositivo CRIT potesse essere realizzato su una ( Si₃N₄ in nitruro di silicio ) . piattaforma di circuiti integrati fotonici
Hanno inoltre valutato una serie di problematiche concrete che potrebbero influenzare il dispositivo durante la produzione e il funzionamento. Tra queste, le perdite di materiale, le differenze nella qualità del risonatore, la retrodiffusione, le fluttuazioni di accoppiamento, gli errori di fase negli accoppiatori ad anello e la diafonia termica.
Le simulazioni hanno indicato che la struttura proposta potrebbe continuare a funzionare in modo affidabile in condizioni realistiche.
- Circuito fotonico integrato in nitruro di silicio (Si₃N₄ ) . : una piattaforma a guida d’onda a bassa perdita e altamente stabile, ampiamente utilizzata per l’elaborazione del segnale ottico e per i dispositivi fotonici integrati
- Diafonia termica: un fenomeno per cui il calore generato in una parte di un circuito influenza i componenti vicini, alterando potenzialmente le prestazioni del dispositivo.
Un singolo chip potrebbe svolgere diverse funzioni ottiche.
Lo studio introduce una piattaforma fotonica programmabile in grado di controllare in tempo reale sia le proprietà temporali che di frequenza dei segnali luminosi.
Questo progetto potrebbe superare i limiti dei dispositivi di ritardo ottico convenzionali, che in genere svolgono solo funzioni fisse. Suggerisce inoltre che diverse importanti funzionalità potrebbero essere integrate in un unico circuito fotonico.
Queste funzioni includono la sincronizzazione del segnale, linee di ritardo regolabili, buffer ottici e conversione di frequenza.
Gli stessi principi di progettazione potrebbero rivelarsi utili anche al di là dei sistemi CRIT. I ricercatori ritengono che l’approccio potrebbe essere applicato a una vasta gamma di circuiti fotonici basati su risonatori, fornendo potenzialmente le basi per tecnologie di elaborazione del segnale ottico più adattabili.
Potenziali vantaggi per l’intelligenza artificiale e i data center
Se la tecnologia venisse commercializzata, un singolo chip ottico programmabile potrebbe svolgere diverse funzioni, tra cui il controllo della velocità del segnale e la commutazione tra diverse funzioni.
In tal senso, il chip potrebbe funzionare in modo simile a un sistema definito via software, con il suo comportamento adattato in base alle esigenze mutevoli.
Questa flessibilità potrebbe aiutare i data center e i server di intelligenza artificiale a elaborare le informazioni in modo più efficiente, riducendo al contempo il consumo energetico.
Integrare diverse funzioni di elaborazione del segnale su un unico chip potrebbe inoltre rendere le apparecchiature di comunicazione ottica e i sistemi di sensori più piccoli ed economici.
Nel lungo termine, questa tecnologia potrebbe supportare settori che dipendono da un’elaborazione delle informazioni estremamente rapida, tra cui la guida autonoma, le comunicazioni di nuova generazione e le tecnologie quantistiche.
I ricercatori progettano sistemi fotonici programmabili di dimensioni maggiori.
Il professor Namkyoo Park, coautore dello studio presso la Seoul National University, ha dichiarato: “Questa ricerca è significativa perché propone un nuovo principio di progettazione che consente di riconfigurare il flusso di luce all’interno dei circuiti fotonici integrati secondo necessità, migliorando notevolmente la flessibilità di progettazione. Prevediamo di estendere questa tecnologia ai circuiti fotonici integrati programmabili su larga scala basati sulla fotonica al silicio e sulle tecnologie di intelligenza artificiale fotonica.”
I co-primi autori, il dottor Seungkyun Park e il dottorando Beomjoon Chae, che hanno guidato il quadro teorico e l’analisi numerica, hanno aggiunto: “Attraverso questo studio, ci siamo resi conto che reinterpretare la fisica convenzionale dei risonatori fotonici da una prospettiva diversa può servire come punto di partenza per scoprire nuove funzionalità nei circuiti fotonici integrati. Prevediamo di sviluppare ulteriormente questa ricerca verso l’implementazione pratica dei dispositivi e la validazione sperimentale.”
Il dottor Seungkyun Park è affiliato all’InnoCORE PICORE Center del KAIST e attualmente sta conducendo ricerche sull’intelligenza artificiale fotonica e sull’ottica quantistica presso il Photonic Systems Laboratory della Seoul National University.
Il dottorando Beomjoon Chae sta conducendo ricerche sui circuiti fotonici integrati programmabili presso l’Intelligent Wave Systems Laboratory della SNU.
La ricerca ha ricevuto il sostegno del Ministero della Scienza e delle Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione attraverso il programma Centro di Ricerca Innovativa (IRC), il programma Laboratorio di Ricerca di Base (BRL) e il Programma Giovani Ricercatori.
Anche il dottor Seungkyun Park ha partecipato allo studio con il supporto del programma InnoCORE (Centro PICORE).
Abstract
La trasparenza indotta elettromagneticamente (EIT), derivante dall’interferenza quantistica in sistemi atomici pilotati in modo coerente, ha ispirato una varietà di analoghi fotonici, come la trasparenza indotta da risonatori accoppiati (CRIT), basata sulla modellazione degli stati quantistici tramite risonatori. Sebbene la CRIT funga da elemento costitutivo per la luce lenta nei circuiti fotonici integrati, i recenti progressi nella fotonica topologica motivano un’ulteriore generalizzazione sia dell’EIT che della CRIT utilizzando gradi di libertà di campo di gauge. In questo lavoro, proponiamo una CRIT generalizzata tramite una rappresentazione spinoriale con campi di gauge a doppio canale, che consente una CRIT completamente programmabile con ingegneria spettrale dinamica. Generalizziamo il tradizionale framework EIT introducendo una rappresentazione spinoriale delle risonanze in modalità chiara e scura, ottenendo una descrizione unificata dei parametri di progettazione attraverso operazioni unitarie universali. Implementando un elemento costitutivo a risonatori accoppiati che accede all’intero spazio di progettazione tramite campi di gauge a doppio canale, dimostriamo una banda di luce lenta programmabile in un reticolo CRIT unidimensionale. Insieme all’implementazione pratica di una cella unitaria CRIT programmabile su una piattaforma di fotonica integrata al nitruro di silicio, i nostri risultati rispondono a esigenze urgenti nel campo delle interconnessioni ottiche, come linee di ritardo sintonizzabili, sincronizzazione riconfigurabile e conversione di frequenza lineare.
Materiale fornito dalla Facoltà di Ingegneria dell’Università Nazionale di Seoul . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Seungkyun Park, Beomjoon Chae, Hyungchul Park, Sunkyu Yu, Xianji Piao, Namkyoo Park. Fully Programmable Slow Light Based on a Spinor Representation of Generalized Coupled‐Resonator‐Induced Transparency. Advanced Science, 2026; DOI: 10.1002/advs.76378
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