神通激光

第二节 电子让贤给光子

　　现代科学技术突飞猛进，电子计算机的运算速度和存储容量日益显示出不相适应。我们可以肯定地说：电子计算机一定要被光子计算机所代替。利用激光和集成光学的新科学技术，研制成光子计算机，其信息存储量可达100亿亿位，比电子计算机容量大10亿倍；其运算速度可达1000亿次，比电子计算机快1000倍，甚至10000倍！

　　自从第一台电子计算机诞生以来，电子计算机已经发展到第五代，却始终没有脱离电子学的范畴，依然依赖于电信号的传输、运算和处理。利用电子进行数字运算和信息传输，需要线路网络，在元件越来越小的发展趋势下，电路板上能够容纳的导线数目有其极限，这样，电子线路就束缚住现代电子计算机的手脚。而且，由于处理器的大小受到限制，电子计算机的运算速度也只能快到一定程度。在通常的传统处理器里，电子是在线路网络中穿梭于不同的微处理机与元件之间，有时必须相互等待，好像汽车必须按秩序地一个一个地通过路口一样，不能随便加速抢道，因而信息传输速度受到一定限制，使运算速度也无法突破一定极限。

　　激光的出现，使人们自然而然地想到要发展光子计算机。多少年来，科学家们梦寐以求地想用光子代替电子设备中的电子，如果这一夙愿得到实现，便可能研制出比现代任何计算机的功率和灵敏度都高、存储量和运算速度都大得多的新的一代计算机。

　　从物理学中可知，光子是光的最小能量单位，在一定程度上和电子一样。今天应用的全部电气转换技术，都是用电子工作的，并统一在“电子学”这一总的概念之下。事实上，光子同电子比较，具有许多优点。光子以光速运动，很少受磁场或“兄弟光子”的干扰而造成偏移或脱离轨道。而且，如上所述，如今已明显地看出电子学在计算机制造方面存在着功能极限。为了赋予计算机以更多的“人工智能”，我们必须在技术上付出更高的代价，毫不迟疑地用光子去取代电子的地位。

　　其实，光子技术早已来到我们的生活之中，激光唱盘，超级商场里的光学扫描装置，都是用光子代替电子传送信息的实例。此外，光纤通信日益广泛应用，取代传统的电缆通信。毫无疑问，由光子代替电子工作，研制光子计算机是今后计算机发展的正确方向。

　　近20多年来，美国和日本的有关研究实验机构之间，不加声张地进行着一场技术比赛，竞相研制光子计算机。

　　1982年初，美国国际商品机器公司宣布制造了第一台光子计算机，不过这个“婴儿”只能在“保温箱”里生活，在接近绝对零度的温度下工作。可是，光子是在常温下工作的，要想制造出能够实用的光子计算机必须研制出光子工作的各种光子元件。因此，美国贝尔实验室集中力量从事“光学回路”的研制工作，这种回路在一定程度上跟今天的电子集成电路相同，也可以做得那么小。光学回路是利用高纯度晶体层制造的，通过晶体层的形状来调节和控制光的响应和通路。贝尔实验室研制光计算机还装有光检测器、光晶体管、光波导等元件，这些元件是研制计算机所必需的元件。

　　与美国同时，日本仙台东北大学电气通信研究所研制成功一种“双稳态激光二极管”，使数字技术的逻辑开关工作状态和开关准确度取得较大的可靠性。在这方面，日本研制光计算机技术，似乎比美国略胜一筹。而且，日本庆应大学试制成功“激光纤维屏极”，在光学处理图像方面也崭露头角。高级机器人的眼睛，通常是用电视摄像机拍摄对象的浓淡图像，再用计算机处理图像信息，因而需要时间太长。庆应大学“激光纤维屏极”能以等于通用计算机100万倍的速度摄取对象的图像。这样，就为解决各种有关图像信息系统的计算难题开辟一条途径。

　　1990年1月29日，美国电话电报公司贝尔实验室以美籍华裔科学家黄庭钰为首的科学家小组，研制成功了世界上第一台数字光学信息处理机。这是许多科学家在5年时间里共同努力的结果，它为制成光子计算机迈出了重要一步。贝尔实验室把光学处理机与晶体管的发明相提并论，因为晶体管曾使电子技术进入一个崭新阶段。美国霍尔代尔研究中心信息系统研究室主任宁克认为，数字光学处理机的研制成功是人类技术史上的一件大事，可以同莱特兄弟制成世界上第一架飞机相比。

　　贝尔实验室的数字光学处理机像餐桌面那么大，厚度不到30厘米。它与传统的电子计算机的电子处理机不同，没有电路板和集成电路片，而是由激光器、光学透镜和棱镜组成。这种没有导线的数字光学处理机，利用激光在处理机内传输信息。而且，光学处理机的运算程序是安排在它的硬件里的，不是像通常的计算机那样包含在软件里。这台数字光学处理机的核心，一种称为“对称自光电效应”的光晶体管，开头速度为每秒10亿次。我们知道，数字电子处理机采用二进制编码，即利用电平的高低来代表“1”和“0”。光学编码与此类似，是以光的有（亮）无（暗）来代表“1”和“0”的。用激光在具有光导和光电效应的光折变物质上存储或读出图形编码，利用透镜棱镜和解码掩模等进行光学处理和运算，就构成了数字光学处理机。这种光学处理机是光计算机的核心部分，它可能处理的信息量比电子处理机快1000倍。贝尔实验室演示的光学处理机的运算速度是每秒100万次，科学家们预计，不久将可能制成运算速度达到每秒几亿次的光子计算机。

　　不过，光子计算机的“未成年时代”可能还会用到一些电子元件，是一种混合式的光电子计算机。这种光电子技术进一步成熟后，首先运用的范畴可能是并行运算处理机，就是把一个运算问题划分为许多个次级运算子题，并行运算处理机可以同时处理这些次级子题，大大减少运算的总时间。美国的英特尔公司正在加紧研制并行计算机。既然有了良好的开端，全光数字计算机也一定会研制成功。

　　贝尔实验室的布赖恩·英纳汉说，光子计算机可能导致开发出以光为基础的超级计算机，其运算速度比现有的计算机快1000—10000倍。

　　上面提到，在光子计算机中需要有各种光学元件，激光是在这些元件构成的“光学回路”中传输的。在下面一节里，我们将介绍光子计算机所必需的，也是光纤通信所必需的集成光学元器件和它们所构成的集成光路。