Para peneliti dari Universitas Nasional Seoul dan Universitas Seoul telah mengembangkan sirkuit terintegrasi fotonik yang dapat diprogram yang dapat memperlambat cahaya saat dibutuhkan.
Tim tersebut dipimpin oleh Profesor Namkyoo Park dan Sunkyu Yu dari Department of Electrical and Computer Engineering di Seoul National University, bekerja sama dengan Professor Xianji Piao dari School of Electrical and Computer Engineering di University of Seoul.
Memperlambat cahaya dapat membantu mengatasi hambatan TI
Pesatnya pertumbuhan AI generatif dan model AI skala besar telah meningkatkan jumlah daya komputasi yang dibutuhkan oleh pusat data dan server secara signifikan. Semikonduktor elektronik konvensional kesulitan untuk mengimbanginya karena mereka mengonsumsi daya dalam jumlah besar dan menghadapi batasan seberapa cepat mereka dapat mengirimkan data.
Tantangan-tantangan ini telah meningkatkan minat terhadap komputasi optik, yang menggunakan cahaya dibandingkan sinyal listrik untuk memproses informasi. Sistem optik berpotensi memindahkan data dengan kecepatan sangat tinggi dengan konsumsi daya yang lebih sedikit.
Namun cahaya juga menghadirkan tantangan besar. Karena secara alami bergerak dengan kecepatan tetap, sulit untuk menunda sinyal optik atau menahannya untuk sementara. Kemampuan ini penting untuk membuat buffer dan fungsi memori di komputer optik.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti merancang sirkuit fotonik yang dapat diprogram yang mampu mengendalikan kecepatan dan bentuk sinyal optik. Pendekatan mereka menawarkan lebih banyak fleksibilitas pada “cahaya lambat” dibandingkan metode yang diusulkan sebelumnya.
Studi tersebut dipublikasikan di jurnal internasional ternama Ilmu pengetahuan tingkat lanjut.
Mengapa sinyal optik terkadang harus menunggu
Sirkuit terpadu fotonik tampaknya merupakan teknologi yang menjanjikan untuk memproses informasi dengan cepat dan efisien dengan cahaya. Di pusat data, jaringan komunikasi optik, dan sistem komputasi masa depan, memindahkan sinyal dengan cepat hanyalah sebagian dari tantangannya.
Sistem juga harus memastikan bahwa sinyal yang berbeda tiba pada waktu yang tepat. Dalam beberapa kasus, sinyal cahaya harus ditunda agar tetap sinkron dengan informasi lain yang mengalir melalui sistem.
Salah satu metode untuk menciptakan penundaan ini bergantung pada transparansi yang diinduksi resonator berpasangan (CRIT), yang menggunakan interferensi antara beberapa resonator optik.
CRIT memungkinkan cahaya dalam rentang frekuensi yang dipilih melewati perangkat sekaligus mengurangi kecepatan penyebaran sinyal optik.
- Transparansi Terinduksi Resonator Berpasangan (CRIT): Fenomena optik yang secara selektif mentransmisikan dan menunda cahaya dalam rentang frekuensi tertentu melalui interferensi antara beberapa resonator.
- Resonator optik: Perangkat fotonik yang membatasi atau mengedarkan cahaya dengan frekuensi tertentu untuk jangka waktu tertentu; digunakan dalam penundaan sinyal, penyaringan dan modulasi.
Perangkat optik tetap membatasi fleksibilitas
Perangkat CRIT tradisional biasanya memiliki karakteristik pengoperasian yang menjadi permanen setelah diproduksi. Hal ini membuat sulit untuk mengubah operasinya setelah produksi.
Misalnya, insinyur yang ingin membuat penundaan sinyal lebih lama atau bekerja dengan rentang frekuensi berbeda sering kali perlu merancang dan membuat perangkat fotonik yang benar-benar baru.
Kurangnya kemampuan beradaptasi meningkatkan kompleksitas perangkat keras komunikasi optik dan infrastruktur pusat data. Hal ini juga dapat meningkatkan biaya dan memperpanjang jangka waktu pengembangan kapan pun kemampuan baru diperlukan.
Masalah ini sangat penting bagi server AI dan pusat data generasi mendatang, di mana sejumlah besar informasi harus diproses secara real-time. Oleh karena itu, komponen optik tetap tetap menjadi kendala utama bagi sistem komputasi optik yang lebih praktis.
Desain yang dapat diprogram untuk mengontrol cahaya
Tim peneliti mengembangkan strategi berbeda dengan memperlakukan dua keadaan optik dalam sistem CRIT, yang disebut mode terang dan mode gelap, sebagai satu derajat kebebasan yang terpadu. Para peneliti juga menambahkan dua loop coupler yang dapat dikontrol.
Bersama-sama, perubahan ini menciptakan prinsip desain baru untuk sirkuit terpadu fotonik yang dapat diprogram. Susunan resonator yang sebelumnya dikunci dalam satu konfigurasi setelah pembuatannya malah dapat disesuaikan untuk tujuan yang berbeda.
Dengan menggunakan struktur CRIT baru, para peneliti menunjukkan bahwa pergerakan cahaya dapat ditunda dan dikendalikan sesuai kebutuhan. Mereka juga menunjukkan bahwa interferensi antara mode terang dan gelap dapat diperlakukan sebagai satu parameter desain terintegrasi.
Pendekatan ini telah secara signifikan memperluas fleksibilitas rangkaian resonator fotonik yang sebelumnya dibatasi oleh desain tetap.
Mengontrol penundaan, bandwidth dan bentuk sinyal
Para peneliti secara teoritis menunjukkan bahwa dua loop coupler dapat digunakan untuk menyesuaikan bandwidth dan bentuk bandwidth. Mereka juga dapat mengontrol berapa lama sinyal tertunda dan seberapa efisien sinyal tersebut melewati sirkuit.
Ini berarti bahwa kecepatan dan perilaku transmisi sinyal optik dapat dikonfigurasi ulang di seluruh sistem yang berisi banyak resonator, bukan hanya dalam satu resonator saja.
Simulasi numerik juga menunjukkan bahwa kecepatan pulsa optik dapat disesuaikan secara dinamis selama pengoperasian rangkaian.
Hasilnya menunjukkan bahwa waktu tunda sinyal dapat diubah tanpa mengurangi kinerja pemrosesan. Sistem ini juga dapat mengubah frekuensi cahaya tanpa memerlukan komponen khusus tambahan.
- Pulsa optik: Semburan cahaya pendek yang digunakan sebagai unit dasar untuk mentransmisikan informasi dalam sistem komunikasi optik dan komputer.
Simulasi menunjukkan bahwa chip bisa jadi praktis
Para peneliti menggunakan simulasi elektromagnetik tiga dimensi untuk menguji apakah perangkat CRIT dapat dibuat di atas silikon nitrida (Si3N4) platform sirkuit terpadu fotonik.
Mereka juga mengevaluasi serangkaian masalah nyata yang dapat memengaruhi perangkat selama produksi dan pengoperasian. Hal ini termasuk kerugian material, perbedaan kualitas resonator, hamburan balik, fluktuasi kopling, kesalahan fasa pada loop coupler, dan thermal crosstalk.
Simulasi menunjukkan bahwa struktur yang diusulkan dapat terus beroperasi dengan andal dalam kondisi yang realistis.
- Silikon nitrida (Si3N4) sirkuit terpadu fotonik: Platform pandu gelombang dengan kerugian rendah dan sangat stabil yang banyak digunakan untuk pemrosesan sinyal optik dan perangkat fotonik terintegrasi.
- Crosstalk termal: Sebuah fenomena di mana panas yang dihasilkan di satu bagian sirkuit mempengaruhi komponen di sekitarnya, sehingga berpotensi mengganggu kinerja perangkat.
Satu chip dapat menjalankan beberapa fungsi optik
Studi ini menyajikan platform fotonik yang dapat diprogram yang mampu mengendalikan sifat temporal dan frekuensi sinyal cahaya secara real time.
Desainnya dapat mengatasi keterbatasan perangkat penundaan optik konvensional, yang biasanya hanya menjalankan fungsi tetap. Hal ini juga menunjukkan bahwa beberapa kemampuan penting berpotensi digabungkan dalam satu sirkuit fotonik.
Fungsi-fungsi ini mencakup sinkronisasi sinyal, garis tunda yang dapat disesuaikan, buffer optik, dan konversi frekuensi.
Prinsip desain yang sama juga dapat berguna di luar sistem CRIT. Para peneliti percaya pendekatan ini dapat diterapkan pada berbagai rangkaian fotonik berbasis resonator, memberikan dasar potensial untuk teknologi pemrosesan sinyal optik yang lebih mudah beradaptasi.
Potensi manfaat bagi AI dan pusat data
Jika teknologi ini dikomersialkan, satu chip optik yang dapat diprogram dapat melakukan banyak tugas, termasuk mengendalikan kecepatan sinyal dan beralih antar fungsi yang berbeda.
Dalam hal ini, chip dapat beroperasi dengan cara yang mirip dengan sistem yang ditentukan perangkat lunak, dengan perilakunya disesuaikan dengan perubahan kebutuhan.
Fleksibilitas ini dapat membantu pusat data dan server AI memproses informasi dengan lebih efisien sekaligus mengurangi konsumsi energi.
Menggabungkan beberapa fungsi pemrosesan sinyal dalam satu chip juga dapat membuat peralatan komunikasi optik dan sistem sensor menjadi lebih kecil dan lebih murah.
Dalam jangka panjang, teknologi ini dapat mendukung industri yang mengandalkan pemrosesan informasi yang sangat cepat, termasuk kendaraan otonom, komunikasi generasi mendatang, dan teknologi kuantum.
Para peneliti merencanakan sistem fotonik yang lebih besar dan dapat diprogram
Profesor Namkyoo Park, salah satu penulis studi dari Universitas Nasional Seoul, mengatakan: “Penelitian ini penting karena mengusulkan prinsip desain baru yang memungkinkan aliran cahaya di sirkuit terpadu fotonik dikonfigurasi ulang sesuai kebutuhan, sehingga secara signifikan meningkatkan fleksibilitas desain. Kami berencana untuk memperluas teknologi ini ke sirkuit terpadu fotonik yang dapat diprogram berskala besar berdasarkan fotonik silikon dan teknologi AI fotonik.
Rekan penulis pertama Dr. Seungkyun Park dan Ph.D. mahasiswa Beomjoon Chae, yang memimpin kerangka teori dan analisis numerik, menambahkan: “Melalui penelitian ini, kami menyadari bahwa menafsirkan ulang fisika konvensional resonator fotonik dari perspektif berbeda dapat menjadi titik awal untuk menemukan fungsi baru dalam sirkuit terpadu fotonik.” Kami berencana untuk mengembangkan lebih lanjut penelitian ini ke arah implementasi perangkat praktis dan validasi eksperimental. »
Seungkyun Park berafiliasi dengan InnoCORE PICORE Center di KAIST dan saat ini melakukan penelitian tentang AI fotonik dan optik kuantum di Laboratorium Sistem Fotonik Universitas Nasional Seoul.
Mahasiswa PhD Beomjoon Chae melakukan penelitian tentang sirkuit terpadu fotonik yang dapat diprogram di Intelligent Wave Systems Laboratory, SNU.
Penelitian tersebut mendapat dukungan dari Kementerian Ilmu Pengetahuan dan TIK melalui program Innovative Research Center (IRC), program Fundamental Research Laboratory (BRL) dan program Peneliti Muda.
Dr Seungkyun Park juga berpartisipasi dalam penelitian ini dengan dukungan dari Program InnoCORE (PICORE Center).
