隨著生成式 AI 與大型語言模型持續擴張，資料中心及 AI 伺服器對運算效能、資料傳輸速度與能源效率的需求同步上升。傳統電子半導體在功耗與傳輸速度方面逐漸面臨瓶頸，也讓以光取代電進行資料處理與傳輸的光運算技術受到關注。
韓國首爾大學與首爾市立大學研究團隊近日共同開發出一款可程式化光子積體電路，能依照運作需求動態調整光在晶片中的傳播特性。研究成果已發表於國際期刊《Advanced Science》。團隊指出，這項設計有望在單一晶片內整合延遲、同步、緩衝及頻率轉換等功能，減少光通訊與 AI 伺服器對多種獨立元件的依賴。
以可調式結構突破光訊號控制限制
光訊號具備高速傳輸優勢，但相較於電子訊號，光在晶片中通常難以被暫時延遲或儲存。如何實現可控制的延遲、緩衝與記憶功能，一直是光運算發展的重要技術挑戰。
研究團隊以「耦合共振器誘發透明」（Coupled Resonator Induced Transparency，CRIT）效應為基礎，重新設計光子電路。研究人員將原本在製作完成後難以調整的固定式結構，改造成可靈活控制的架構，並將「亮模」與「暗模」視為單一可控制的自由度，再導入兩個可調式迴路耦合器。
透過調整光學共振器之間的耦合關係，該電路能在系統運作期間改變光的流動狀態。研究團隊表示，這種設計不再局限於讓光訊號以固定方式通過晶片，而是可針對不同應用需求重新設定光脈衝的傳播特性。
可動態調整頻寬、延遲與傳輸效率
根據研究團隊的理論分析與數值模擬結果，這款可程式化 CRIT 光子積體電路可即時調整多項訊號參數，包括：
- 通帶頻寬
- 訊號形狀
- 延遲時間
- 傳輸效率
- 光脈衝的傳播速度
- 頻率轉換特性
其中，光脈衝速度與延遲特性的調整，對光運算中的訊號同步與緩衝尤其重要。研究指出，系統不必額外加入專用元件，就能改變光脈衝的傳播狀態並進行頻率轉換，因而可能降低整體光子系統的複雜度。
3D 模擬納入實際製程干擾因素
為評估設計在實際光子積體電路平台上的可行性，研究團隊進一步使用三維電磁模擬，檢驗其在氮化矽（Silicon Nitride）光子積體電路平台上的運作情況。
模擬納入材料損耗、共振器品質差異、背向散射、耦合波動、相位誤差及熱串擾等製程與操作環境中可能出現的干擾因素。結果顯示，即使在較嚴苛的實際條件下，該結構仍能維持穩定運作。
不過，目前公開的研究內容主要建立在理論分析、數值模擬與三維電磁模擬結果上。研究團隊也表示，下一階段將推進實際元件製作與實驗驗證，因此其商用效能、製程良率及長時間運作表現，仍有待後續研究確認。
可能應用於光通訊與光子 AI
研究團隊認為，若這項技術進一步完成商用化，單一光子晶片便可能整合訊號同步、可調延遲線、光緩衝器與頻率轉換等功能。這種高度整合的架構，將有機會協助光通訊設備與感測系統縮小體積、降低元件數量及成本。
在資料中心與 AI 伺服器應用方面，可程式化光子電路可能協助降低資料傳輸與訊號處理所需的能源，並提升系統整體效率。不過，實際改善幅度仍取決於元件製作、控制電路、封裝方式及系統整合結果，現階段尚不能直接視為已經達成特定的效能或節能提升。
研究團隊下一步將朝大型可程式化光子積體電路、矽光子及光子 AI 等領域擴展，並積極進行實際元件製造與實驗測試。
