光子技术与光子计算—中国光学光电子行业网

　虽然每一代计算机在性能上都比前一代强很多，但是研究人员希望利用光来制造一种崭新的机器。他们的目标是冲破传统计算机设计的束缚，从而造出一台不仅胜过当今的巨型计算机而且最终能够挑战甚至超过人脑的机器。
　　这样一台计算机将使用一些能够以光速处理信息的线路取代常规的电子线路。目前的计算机使用电子传送信息，但是新线路将使用光子传递信息。这种方法有望使计算机的速度增加１００倍，并且光子计算机使用的电能将是电子计算机的百分之一。
　　德国达姆施塔特大学的科尔内利娅·登茨博士说：“光子运算有着巨大的潜力。光子计算机能够做常规计算机无法办到的事。”她正在负责研究光学技术，这些技术在光子计算机中是必需的。设在德国小镇耶拿的另外一个实验室也在使用光开发计算机，这种计算机具有一种能够像人脑那样工作的存储器。这种联合存储器可让计算机执行模式匹配，以及其他一些人脑执行起来容易但是对常规计算机来说不仅困难而且耗时的任务。
　　计算机设计师采用光学设计不仅有望建成能够在其他方面模拟人脑行为的计算机系统，并且将比人脑的处理速度快数千倍。如果是这样的话，光电技术也许将为人们带来真正的人工智能。
　　有两个主要的因素决定第一台光子计算机有望在未来十年内投入商业使用。到２０１５年，目前快速发展的硅半导体技术将止步不前，很多研究人员认为，等不到２０１５年基本的物理规律就会阻碍科学家制造更高性能的芯片。与此同时，对推动着因特网发展的更多数据和更快速度的需求，迫使人们采用速度更快的路由器，而采用常规电子设计的路由器是远远无法达到所需速度的。
　　光子技术目前已成为因特网的基础。一度是实验室新奇事物的光纤现在为因特网和电话网络传送着几乎所有的信号。只是在用户和电话交换局之间才使用电信号。原因是，与老式的电缆相比光纤不仅能够传输多得多的信息，而且传输的距离也更远。
　　今天，很大一部分因特网设备把光纤中的光信号转换成电信号，以便这些信号能够方便地在电缆之间传送。这一过程限制了这类设备处理数据的速度，因此工程师正在试图利用光子本身做更多的事。
　　德国海因里希—赫兹学院的研究人员已开发出一种新型的光纤交换器，这种交换器将使新一代的万亿比特网络成为可能。在这种网络中，每根光纤的数据传输速度可达每秒钟１万亿比特，当今网络的传输速度只可能达到这一速度的１／２５。
　　当前光子研究的很大一部分工作集中在可把微处理器的计算能力与光纤的信息传输能力结合在一起的混合设备上。信号在计算机中的传输距离与其在因特网通信中的传输距离相比是微不足道的，但是即使传输距离只有几厘米，电子的速度也会变成影响传输的瓶颈。
　　随着芯片的速度越来越快，芯片间需要更多的连接以获得足够的数据。仅仅使用电子连接会使提高速度变得非常困难。电子在金属中的传输速度只是光子在空气中传播速度的１／１０。当电子在电路板上的导线中移动时，其他因素也会降低电子的速度。
　　另外一个问题是在一块硅芯片上连接的导线数也是有限制的。为了让更多的数据传入或者传出芯片，计算机设计人员要么必须加快电子的速度（这在目前是不可能的），要么必须把数据分配到更多的导线中。即使是第二种方法也有其局限性。
　　芯片一直在变小，在芯片和电路板之间安排多少连接是有限的。目前，这个限度大约是每块芯片１０００个连接。为了节约成本，实际的连接数远远达不到这个限度。
　　如果使用光，就有可能把这个限度扩大９倍。这是计算机设计师的梦想。这样，不仅信号的传输速度加快，而且数据可分散到更多的连接中，从而达到更快的速度。芯片的表面将排满激光器，这些激光器把信号发送到另外一个装有接收器的芯片上。没有必要通过光纤把芯片连接起来。把芯片对齐后，光子能够穿过空气直接到达下一块芯片。与完全电子化的计算机不同，这些芯片不是贴在电路板上的，而是安装在一块壁板上，所以芯片的整个表面都可安装激光器和探测器。
　　光子优于电子的另外一个方面是，如果两束光子的路线相交叉，它们不会相互影响。只是在两束光子照射到同一个探测器上时，才会有影响。电路板设计要求电路分离，以避免短路，而光束则能够在计算机里的二维空间或者三维空间中穿行。
　　通过引进能够在芯片之间指引光路的装置，有可能制造出比电子装置网络密度大很多倍的网络。这也是研究人员指望使用光子计算机制造新一代神经网络的原因。神经网络模拟大脑中神经元的行为。但是，单纯的电子设计无法像大脑细胞那样形成数量巨大的神经系统联系。把电线换成可导向的光束之后，科学家就能够朝着模拟大脑行为的方向迈进一步，但是光信号的传输速度要比生物电信号的速度快很多倍。
　　光子技术不会很快就用在一般的台式计算机中，但对巨型计算机来说则是另外一回事。很多巨型计算机使用一种称为并行处理的技术，在这种计算机中，成百甚至成千的芯片联合处理一项任务。在当前的电子系统中，成问题的是通信速度，而使用一堆激光器就能轻而易举地解决这个问题。
　　虽然可合用电子设备和光子设备以解决通信瓶颈，但是信号在两者之间转换要花时间。另外，激发电子开关也需要时间。为了达到最大速度，最好是一个电子设备也不使用。随着光子在系统内飞行，所有的计算都由它们做出。这些计算机所需的是一种光开关，这种开关要和在硅芯片上的电子开关一样小。这个问题要靠采用另外一种技术———全息图来解决。
　　现有的计算机是由电子来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快，但是，从发展高速率计算机来说，采用电子做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

电子计算机的弊端
　　我们知道，任何金属导线都存在电阻和电容。从电磁学基本知识也知道，电阻和电容的结合会给在导线中传播的电子产生“阻力”，减低它在导线中传播的速度（传播速度大约只有光波在真空中传播速度的千分之一），这个现象又称时钟扭曲。由于存在这样一些问题，相应地也就出现这样的后果：电子对迅速的外来变化反应“迟钝”。当传递信息的载波频率很高（即信号变化速率很快）时，在导线上传递的电信号实际上跟不上要传递的信息信号变化。结果呢，就如同相声演员念绕口令，念得过快，舌头反应跟不上，念错了或走了调那个样子，被传递的信号要发生畸变，计算机的运算发生错误。其次，电子计算机的中央处理机虽然能够迅速处理数据，主存贮器能够吞吐大量的数据。但因为所有的数据信号都必须经过总线传递，而总线的电流密度如果太大，产生的电磁干扰也大。因此，电子计算机也会出现类似于高速公路交汇口由于狭窄，车辆通行速率受限制的现象，计算机和运算速度也受到了限制。还有，计算机使用的集成电子器件，它们因为受量子效应干扰，集成密度受到限制，理论上的集成密度最高为每块芯片10亿个晶体管（在实际上达到的数量比这个数还要低许多）。

光子计算机的优势
　　不用电子，用光子做传递信息的载体，就有可能克服前面谈到的那些限制，制造出性能更优异的计算机。用光子做传递信息的载体有以下几方面的好处：
　　1、光子不带电荷，它们之间不存在电磁场相互作用。在自由空间中几束光平行传播、相互交叉传播，彼此之间不发生干扰，千万条光束可以同时穿越一只光学元件而不会相互影响。一只20×20c㎡的光学系统，能够提供5×10^5条并行传输信息通道；一只质量好的透镜能够提供10^8条信息通道。如果用光波导传输，光波导也可以相互穿越，只要它们的交叉角大于10°左右就不会有明显的交叉耦合。上述的性质又称光信号传输的并行性。[JF:Page]
　　2、光子没有静止质量，它既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，传播速度比电子在导线中的传播速度快得多（约1000倍），也就是说，光子携带信息传递的速度比电子快计算机内的芯片之间用光子互连不受电磁干扰影响，互连的密度可以很高。在自由空间进行互连，每平方毫米面积上的连接线数目可以达到5万条，如果用光波导方式互连，可以有万条。所以，用光子做信息处理载体，会制造出运算速度极高的计算机，理论上可以达到每秒1000亿次，信息存储量达到10^18位。这种计算机称为光子计算机。
　　3、超高速的运算速度。光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。电子的传播速度是593km/s，而光子的传播速度却达3×10?5km/s，对于电子计算机来说，电子是信息的载体，它只能通过一些相互绝缘的导线来传导，即使在最佳的情况下，电子在固体中的运行速度也远远不如光速，尽管目前的电子计算机运算速度不断提高，但它的能力极限还是有限的；此外，随着装配密度的不断提高，会使导体之间的电磁作用不断增强，散发的热量也在逐渐增加，从而制约了电子计算机的运行速度；而光子计算机的运行速度要比电子计算机快得多，对使用环境条件的要求也比电子计算机低得多。
　　4、超大规模的信息存储容量。与电子计算机相比，光子计算机具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器，光子的传导是可以不需要导线的，而且即使在相交的情况下，它们之间也不会产生丝毫的相互影响。光子计算机无导线传递信息的平行通道，其密度实际上是无限的，一枚五分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。
　　5、能量消耗小，散发热量低，是一种节能型产品。光子计算机的驱动，只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了机器散发的热量，而且为光子计算机的微型化和便携化研制，提供了便利的条件。科学家们正试验将传统的电子转换器和光子结合起来，制造一种“杂交”的计算机，这种计算机既能更快地处理信息，又能克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。

光子计算机的组成
　　光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。有模拟式与数字式两类光子计算机。模拟式光子计算机的特点是直接利用光学图像的二维性，因而结构比较简单。这种光子计算机现在已用于卫星图片处理和模式识别工作。美国以前提出的星球大战计划，就打算发展这种计算机来识别高速飞行的导弹图像。数字式光子计算机的结构方案有许多种，其中认为开发价值比较大的有两种，一种是采用电子计算机中已经成熟的结构，只是用光学逻辑元件取代电子逻辑元件，用光子互连代替导线互连。另外一种是全新的，以并行处理（光学神经网络）为基础的结构在本世纪80年代制成了光学信息处理机年数字光处理机也获得成功，它由激光器、透镜和棱镜等组成。虽然光子计算机已经成功，但在目前来说，光子计算机在功能以及运算速度等方面，还赶不上电子计算机，我们使用的主要还是电子计算机，今后也发展电子计算机。但是，从发展的潜力大小来说，显然光子计算机比电子计算机大得多，特别是在对图像处理、目标识别和人工智能等方面，光子计算机将来发挥的作用远比电子计算机大。

光子计算机现状
　　美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力。人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而要想制造真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件。一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需的条件如温度等仍较为苛刻，尚难以进入实用阶段。
　　美国马萨诸塞州的一家光学技术公司——光导发光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光学计算机的“光”路板，实现对光子移动的控制，并有望在今年取得突破。1999年5月，在美国西北大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器，可以在宽度仅0.2至0.4微米的半导体层中对光进行分解和控制。

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