光學(xué)VS電子學(xué)

試問滩字，世界上什么東西跑得最快？無疑是3×10⁸m/s的光御吞。既然要追求更快的計算速度麦箍，何不使用光波去代替電流呢？盡管電的傳播速度也接近光速陶珠，但光還是憑借許多壓倒性的優(yōu)勢不斷吸引著計算機科學(xué)家們的注意力：

1. 電路布線時挟裂，為避免短路和電磁干擾，必須確保線路間的相互隔離揍诽，多條光波卻可以直接交叉而互不影響诀蓉，既可簡化布線栗竖，又可縮短線程。同時渠啤，電路導(dǎo)線上的能耗是不容忽視的狐肢，而光沒有這個煩惱，更不會產(chǎn)生多余的熱量沥曹。
2. 單個電回路要么處于接通狀態(tài)份名，要么處于斷開狀態(tài)，即同一時刻只能表達一個信號妓美，而不同頻率的光波卻可以在同一光路中和諧共處僵腺，單束光又可以分成性質(zhì)相同的多束，這是一種天生的并行計算能力壶栋。
3. 電信號通過半導(dǎo)體邏輯門需要若干皮秒（10^-12秒）辰如，這已經(jīng)很快了，但實驗證明贵试，光信號通過光學(xué)邏輯門只需若干飛秒（10^-15秒）琉兜，比前者快了3個數(shù)量級。
4. 相比電路只能靠通斷狀態(tài)（或者說相對的高低電壓）來表示1和0毙玻，光有著更豐富呕童、靈活的工具，比如頻率（或波長）淆珊、相位、傳播方向和偏振方向等奸汇。

其實施符，電子時期的計算機早有光的參與，比如以光成像的顯示器擂找、以光定位的光電鼠標(biāo)戳吝、靠激光讀寫的光盤和組成高速網(wǎng)絡(luò)的光纖，等等贯涎，只是只能在計算機的外圍（信息的輸入輸出和傳輸）安營扎寨听哭，始終攻不進它的核心——計算本身。電子學(xué)在半導(dǎo)體材料的庇佑下盤踞著整座計算機之城塘雳，光學(xué)無權(quán)進出陆盘，只能靠城門口的光電轉(zhuǎn)換模塊傳話。

電子計算機的光電外設(shè)（原圖來自維基百科）

然而败明，縱觀歷史隘马，光學(xué)的發(fā)展進程其實并不輸于電學(xué)，兩者甚至巧合般地并駕齊驅(qū)著妻顶。

早在1704年酸员，艾薩克·牛頓就在《光學(xué)》一書系統(tǒng)闡述了光的一些幾何特性蜒车，1807年的雙縫實驗和1818年的惠更斯-菲涅耳原理則揭示了光的波動本質(zhì)，光學(xué)漸成氣候幔嗦。1785年酿愧，法國物理學(xué)家查爾斯·奧古斯丁·庫倫（Charles-Augustin de Coulomb）提出庫倫定律，30多年后邀泉，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特嬉挡、邁克爾·法拉第和安德烈·瑪麗·安培（André-Marie Ampère）等物理學(xué)家先后對電與磁之間的關(guān)系展開研究，開啟了電磁學(xué)（或電動力學(xué)）的大門呼渣。就這樣棘伴，在18～19世紀，科學(xué)家們同時完成了對光和電的初步認識屁置，并開始“粗糙地”使用它們焊夸。

從1904年的電子管，到1947年的晶體管蓝角，再到1958年的集成電路阱穗，人們對電的使用越來越精細。與此同時使鹅，光學(xué)緊追不舍揪阶。1917年，阿爾伯特·愛因斯坦提出激光理論患朱；1960年鲁僚，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼（Theodore Maiman）將其變?yōu)楝F(xiàn)實；1965年裁厅，光纖通信被提上議程冰沙。電子計算機飛速發(fā)展的同時，光學(xué)也在通信領(lǐng)域立下赫赫戰(zhàn)功执虹。

可既然光有著這么多優(yōu)勢拓挥，又有著不遜于電的研究成果，為什么實用的光學(xué)計算機卻遲遲沒有問世呢袋励？難就難在控制侥啤，不論是靠電子管還是晶體管，我們很容易用一個電路的通斷去控制另一個電路的通斷茬故，以實現(xiàn)邏輯運算盖灸，但怎么才能用一束光去控制另一束光呢？

光學(xué)克爾效應(yīng)

我們每天都能看到不同的光線穿梭于各種透明介質(zhì)中：當(dāng)你在安靜的校園中晚自習(xí)磺芭，燈光穿過空氣照亮教室糠雨，書本上的文字穿過眼鏡到達眼睛，月光傾倒進池塘讓魚兒們看見彼此……這些介質(zhì)就像灌木叢生的森林徘跪，會拖慢光的速度甘邀，甚至偏折它的傳播方向（折射）琅攘，衡量這種“絆腳”能力的物理量叫折射率。

光折射示意圖

上圖為一束光從真空中射入某介質(zhì)發(fā)生折射現(xiàn)象的示意圖松邪，用字母I表示光線在真空中的部分坞琴，用字母R表示光線在介質(zhì)中的部分，入射角記為i逗抑，折射角記為r剧辐。介質(zhì)的折射率n就是I與R的光速比值，也是i與r的正弦比值：

而R的速度變慢邮府，其實是由于它的波長λ變短了荧关，就像人走路時每一步跨出的距離縮短了，折射率也可以寫成I和R的波長比值：

起初褂傀，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)忍啤，不論光的強度如何變化，介質(zhì)的折射率都是固定的仙辟。好比當(dāng)我們走進一家標(biāo)著“全場七折”字樣的服裝店同波，購買100元的T恤和1000元的羽絨服所享受的折扣是一樣的。這家店就是光的傳播介質(zhì)叠国，店內(nèi)的打折力度就是折射率未檩，顧客的購買金額就是光強。

但當(dāng)光強到一定程度（比如激光）粟焊，就會對介質(zhì)中微觀粒子的運動產(chǎn)生影響冤狡，進而改變介質(zhì)的折射率。好比一位闊綽的顧客來到店里项棠，一下子買了幾萬甚至幾十萬的商品筒溃，以至于老板愿意為他調(diào)整既定的促銷策略。這種現(xiàn)象名為光學(xué)克爾效應(yīng)（optical Kerr effect）沾乘，由蘇格蘭物理學(xué)家約翰·克爾（John Kerr）在1875年發(fā)現(xiàn)。光不再僅是被動地受限于環(huán)境浑测，它有了改變環(huán)境的主動權(quán)翅阵。

有了光學(xué)克爾效應(yīng)，人們可以通過調(diào)節(jié)一束光的強度來控制介質(zhì)的折射率迁央，進而對介質(zhì)中的其他光束產(chǎn)生間接影響掷匠，“以光控光”的路子終于明朗起來。

我們知道岖圈，光是一種波讹语，波的震動方向是多樣的。嘗試一下蜂科，找一根長繩顽决，將它的一頭系在樹干或電線桿上短条，手持著另一頭，將繩子水平繃直才菠，這時茸时，如果將手上下甩動，繩子就會產(chǎn)生沿豎直方向振動的波浪赋访，如果將手左右甩動可都，繩子就會產(chǎn)生沿水平方向振動的波浪。光波與此類似蚓耽，這種與傳播方向不同的振動叫做偏振渠牲。如果沿著傳播方向看去，上下和左右方向的偏振都是線形的步悠，這種光就叫線偏振光签杈。事實上，甩動光線的那只無形之手往往十分調(diào)皮贤徒，它可能在任意方向甩動芹壕，或者干脆畫圓，此時光的偏振方向就不固定了接奈，它不停旋轉(zhuǎn)踢涌，而且每個方向的偏振幅度也不一定相同，如果可以把光線切斷序宦，我們就能看到它的橫截面是橢圓或圓形的睁壁，這就是常見的橢圓偏振光和圓偏振光（圓偏振光是橢圓偏振光的一種特例）。

因此互捌，為了將光的偏振利用起來潘明，需要首先讓光線通過由特殊材料制成的偏振片。偏振片就像是一塊僅有一條縫隙的擋板秕噪，只允許沿著縫隙方向偏振的光線通過钳降。橢圓偏振光通過偏振片后就成了線偏振光，并且可以通過調(diào)節(jié)偏振片的角度來決定它的偏振方向腌巾。

偏振片的效果演示（圖片來自維基百科）

現(xiàn)在遂填，讓我們用一束激光去改變介質(zhì)的折射率，用另一束線偏振光去檢測這一改變澈蝙，看看會發(fā)生什么吓坚。在專業(yè)上，前者叫泵浦光灯荧，后者叫探測光礁击。
當(dāng)泵浦光P穿過某介質(zhì)，折射率的變化可不簡單，在與它的傳播方向相垂直的平面內(nèi)哆窿，各向折射率的變化都不同链烈。這是光學(xué)中典型的雙折射現(xiàn)象，它意味著更耻，當(dāng)探測光S沿著P的方向進入介質(zhì)時测垛，介質(zhì)對S的折射率與它的偏振方向有關(guān)。

為方便分析秧均，建立如下所示坐標(biāo)系食侮。P和S都沿著y軸方向傳播，它們都在xz平面上偏振目胡，P的偏振方向我們不關(guān)心锯七，僅令S的偏振方向與x軸形成一定的夾角，即它在x軸和z軸上存在偏振分量——也就是說誉己，可以把S看做兩束分別沿x軸和z軸偏振的光的疊加眉尸，記為S = S_x + S_z。

空間直角坐標(biāo)系中的泵浦光和探測光

介質(zhì)對S_x和S_z的折射率不同巨双，S_x和S_z的波長也便不同噪猾，這對“本是同根生”的兄弟卻因為不同的步長開始不再能并駕齊驅(qū)，終于筑累，經(jīng)過一段路程袱蜡，步長小的弟弟比步長大的哥哥落后了半步。這個“半步”就是波的半個周期慢宗，我們知道坪蚁，在波的一個振動周期中，前一半和后一半的振動方向是相反的镜沽，相差半個周期意味著敏晤，振動方向顛倒了。

波的半周期滯后示意圖

S_x和S_z中的一個振動方向顛倒了缅茉，這意味著什么呢嘴脾？打個比方，我們生活中常用東蔬墩、南译打、西、北來描述方向筹我，“西北方向”有著“西”和“北”兩個分量，如果其中的“西”分量發(fā)生了方向顛倒帆离，成了“東”蔬蕊，那么原本的“西北方向”也就成了“東北方向”，它旋轉(zhuǎn)了90°。

因此最終結(jié)果就是岸夯，泵浦光P制造的光學(xué)克爾效應(yīng)麻献，最終導(dǎo)致探測光S的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°。當(dāng)然猜扮，這是在對P的強度和介質(zhì)的長度進行微調(diào)之后才能實現(xiàn)的勉吻。

現(xiàn)在，讓我們用兩個正交放置的偏振片搭建一個完整的“以光控光”系統(tǒng)旅赢。探測光經(jīng)過由偏振片構(gòu)成的起偏器成為線偏振光齿桃，再經(jīng)過克爾介質(zhì)和濾光片到達由偏振片構(gòu)成的檢偏器。濾光片僅允許特定頻率的光通過煮盼，比如紅色的玻璃只允許紅光通過短纵，只要讓泵浦光和探測光的頻率不同，我們就可以用它阻擋泵浦光僵控。

如果對介質(zhì)施加泵浦光香到，探測光的偏振方向?qū)⒃诠鈱W(xué)克爾效應(yīng)的作用下旋轉(zhuǎn)90°，此時它就可以通過與起偏器正交放置的檢偏器报破；如果沒有泵浦光悠就，原樣的探測光就無法通過檢偏器。如是充易，就實現(xiàn)了泵浦光的對探測光的傳播控制梗脾。

基于光學(xué)克爾效應(yīng)的“以光控光”系統(tǒng)

如果把有光和無光狀態(tài)對應(yīng)為二進制中的1和0，可得這一系統(tǒng)的真值表蔽氨，這可不就是個與門嘛藐唠！

不過，真實的光學(xué)邏輯門遠比這復(fù)雜得多鹉究，也有更多難題需要面對宇立。比如為了減少探測光自身的光學(xué)克爾效應(yīng)，它的強度不能太高自赔，而泵浦光的強度又很高妈嘹，這兩種能量不對等的光束是不能直接用于邏輯運算的。同時绍妨，泵浦光的能耗也是一大問題润脸。

后話

除了折射率，強光其實還能改變吸收率他去、透射率等介質(zhì)的許多其他光學(xué)參數(shù)毙驯，對這些光與介質(zhì)相互作用的研究統(tǒng)稱為非線性光學(xué)。這門學(xué)科自激光誕生以來已經(jīng)有了長足的發(fā)展灾测，為光學(xué)邏輯門在理論上做足了準(zhǔn)備爆价。進入21世紀后，先后有韓國、新加坡铭段、美國骤宣、中國、印度等多個國家成功研制了基于各種非線性效應(yīng)的光學(xué)邏輯門序愚。

和為電子計算機帶來繁榮的半導(dǎo)體一樣憔披，光學(xué)計算機的發(fā)展關(guān)鍵也在材料，要找到一種同時滿足低功耗爸吮、低光損芬膝、低成本、高速度拗胜、高集成度等條件的材料并不容易蔗候，商業(yè)化的光學(xué)計算機還有很長的路要走。

參考文獻

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