光學(xué)VS電子學(xué)
試問(wèn)，世界上什么東西跑得最快？無(wú)疑是3×108m/s的光。既然要追求更快的計(jì)算速度，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，但光還是憑借許多壓倒性的優(yōu)勢(shì)不斷吸引著計(jì)算機(jī)科學(xué)家們的注意力：
- 電路布線時(shí)，為避免短路和電磁干擾，必須確保線路間的相互隔離，多條光波卻可以直接交叉而互不影響，既可簡(jiǎn)化布線，又可縮短線程。同時(shí)，電路導(dǎo)線上的能耗是不容忽視的，而光沒(méi)有這個(gè)煩惱，更不會(huì)產(chǎn)生多余的熱量。
- 單個(gè)電回路要么處于接通狀態(tài)，要么處于斷開(kāi)狀態(tài)，即同一時(shí)刻只能表達(dá)一個(gè)信號(hào)，而不同頻率的光波卻可以在同一光路中和諧共處，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(jì)算能力。
- 電信號(hào)通過(guò)半導(dǎo)體邏輯門(mén)需要若干皮秒（10-12秒），這已經(jīng)很快了，但實(shí)驗(yàn)證明，光信號(hào)通過(guò)光學(xué)邏輯門(mén)只需若干飛秒（10-15秒），比前者快了3個(gè)數(shù)量級(jí)。
- 相比電路只能靠通斷狀態(tài)（或者說(shuō)相對(duì)的高低電壓）來(lái)表示1和0，光有著更豐富、靈活的工具，比如頻率（或波長(zhǎng)）、相位、傳播方向和偏振方向等。
其實(shí)，電子時(shí)期的計(jì)算機(jī)早有光的參與，比如以光成像的顯示器、以光定位的光電鼠標(biāo)、靠激光讀寫(xiě)的光盤(pán)和組成高速網(wǎng)絡(luò)的光纖，等等，只是只能在計(jì)算機(jī)的外圍（信息的輸入輸出和傳輸）安營(yíng)扎寨，始終攻不進(jìn)它的核心——計(jì)算本身。電子學(xué)在半導(dǎo)體材料的庇佑下盤(pán)踞著整座計(jì)算機(jī)之城，光學(xué)無(wú)權(quán)進(jìn)出，只能靠城門(mén)口的光電轉(zhuǎn)換模塊傳話。
然而，縱觀歷史，光學(xué)的發(fā)展進(jìn)程其實(shí)并不輸于電學(xué)，兩者甚至巧合般地并駕齊驅(qū)著。
早在1704年，艾薩克·牛頓就在《光學(xué)》一書(shū)系統(tǒng)闡述了光的一些幾何特性，1807年的雙縫實(shí)驗(yàn)和1818年的惠更斯-菲涅耳原理則揭示了光的波動(dòng)本質(zhì)，光學(xué)漸成氣候。1785年，法國(guó)物理學(xué)家查爾斯·奧古斯丁·庫(kù)倫（Charles-Augustin de Coulomb）提出庫(kù)倫定律，30多年后，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特、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(duì)電與磁之間的關(guān)系展開(kāi)研究，開(kāi)啟了電磁學(xué)（或電動(dòng)力學(xué)）的大門(mén)。就這樣，在18～19世紀(jì)，科學(xué)家們同時(shí)完成了對(duì)光和電的初步認(rèn)識(shí)，并開(kāi)始“粗糙地”使用它們。
從1904年的電子管，到1947年的晶體管，再到1958年的集成電路，人們對(duì)電的使用越來(lái)越精細(xì)。與此同時(shí)，光學(xué)緊追不舍。1917年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出激光理論；1960年，美國(guó)物理學(xué)家西奧多·梅曼（Theodore Maiman）將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；1965年，光纖通信被提上議程。電子計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展的同時(shí)，光學(xué)也在通信領(lǐng)域立下赫赫戰(zhàn)功。
可既然光有著這么多優(yōu)勢(shì)，又有著不遜于電的研究成果，為什么實(shí)用的光學(xué)計(jì)算機(jī)卻遲遲沒(méi)有問(wèn)世呢？難就難在控制，不論是靠電子管還是晶體管，我們很容易用一個(gè)電路的通斷去控制另一個(gè)電路的通斷，以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，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)，燈光穿過(guò)空氣照亮教室，書(shū)本上的文字穿過(guò)眼鏡到達(dá)眼睛，月光傾倒進(jìn)池塘讓魚(yú)兒們看見(jiàn)彼此……這些介質(zhì)就像灌木叢生的森林，會(huì)拖慢光的速度，甚至偏折它的傳播方向（折射），衡量這種“絆腳”能力的物理量叫折射率。
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，用字母I表示光線在真空中的部分，用字母R表示光線在介質(zhì)中的部分，入射角記為i，折射角記為r。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，其實(shí)是由于它的波長(zhǎng)λ變短了，就像人走路時(shí)每一步跨出的距離縮短了，折射率也可以寫(xiě)成I和R的波長(zhǎng)比值：
起初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，不論光的強(qiáng)度如何變化，介質(zhì)的折射率都是固定的。好比當(dāng)我們走進(jìn)一家標(biāo)著“全場(chǎng)七折”字樣的服裝店，購(gòu)買(mǎi)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)，店內(nèi)的打折力度就是折射率，顧客的購(gòu)買(mǎi)金額就是光強(qiáng)。
但當(dāng)光強(qiáng)到一定程度（比如激光），就會(huì)對(duì)介質(zhì)中微觀粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變介質(zhì)的折射率。好比一位闊綽的顧客來(lái)到店里，一下子買(mǎi)了幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)的商品，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），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(dòng)地受限于環(huán)境，它有了改變環(huán)境的主動(dòng)權(quán)。
有了光學(xué)克爾效應(yīng)，人們可以通過(guò)調(diào)節(jié)一束光的強(qiáng)度來(lái)控制介質(zhì)的折射率，進(jìn)而對(duì)介質(zhì)中的其他光束產(chǎn)生間接影響，“以光控光”的路子終于明朗起來(lái)。
我們知道，光是一種波，波的震動(dòng)方向是多樣的。嘗試一下，找一根長(zhǎng)繩，將它的一頭系在樹(shù)干或電線桿上，手持著另一頭，將繩子水平繃直，這時(shí)，如果將手上下甩動(dòng)，繩子就會(huì)產(chǎn)生沿豎直方向振動(dòng)的波浪，如果將手左右甩動(dòng)，繩子就會(huì)產(chǎn)生沿水平方向振動(dòng)的波浪。光波與此類似，這種與傳播方向不同的振動(dòng)叫做偏振。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，這種光就叫線偏振光。事實(shí)上，甩動(dòng)光線的那只無(wú)形之手往往十分調(diào)皮，它可能在任意方向甩動(dòng)，或者干脆畫(huà)圓，此時(shí)光的偏振方向就不固定了，它不停旋轉(zhuǎn)，而且每個(gè)方向的偏振幅度也不一定相同，如果可以把光線切斷，我們就能看到它的橫截面是橢圓或圓形的，這就是常見(jiàn)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，為了將光的偏振利用起來(lái)，需要首先讓光線通過(guò)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，只允許沿著縫隙方向偏振的光線通過(guò)。橢圓偏振光通過(guò)偏振片后就成了線偏振光，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏振片的角度來(lái)決定它的偏振方向。
現(xiàn)在，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(cè)這一改變，看看會(huì)發(fā)生什么。在專業(yè)上，前者叫泵浦光，后者叫探測(cè)光。
當(dāng)泵浦光P穿過(guò)某介質(zhì)，折射率的變化可不簡(jiǎn)單，在與它的傳播方向相垂直的平面內(nèi)，各向折射率的變化都不同。這是光學(xué)中典型的雙折射現(xiàn)象，它意味著，當(dāng)探測(cè)光S沿著P的方向進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)對(duì)S的折射率與它的偏振方向有關(guān)。
為方便分析，建立如下所示坐標(biāo)系。P和S都沿著y軸方向傳播，它們都在xz平面上偏振，P的偏振方向我們不關(guān)心，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(shuō)，可以把S看做兩束分別沿x軸和z軸偏振的光的疊加，記為S = Sx + Sz。
介質(zhì)對(duì)Sx和Sz的折射率不同，Sx和Sz的波長(zhǎng)也便不同，這對(duì)“本是同根生”的兄弟卻因?yàn)椴煌牟介L(zhǎng)開(kāi)始不再能并駕齊驅(qū)，終于，經(jīng)過(guò)一段路程，步長(zhǎng)小的弟弟比步長(zhǎng)大的哥哥落后了半步。這個(gè)“半步”就是波的半個(gè)周期，我們知道，在波的一個(gè)振動(dòng)周期中，前一半和后一半的振動(dòng)方向是相反的，相差半個(gè)周期意味著，振動(dòng)方向顛倒了。
Sx和Sz中的一個(gè)振動(dòng)方向顛倒了，這意味著什么呢？打個(gè)比方，我們生活中常用東、南、西、北來(lái)描述方向，“西北方向”有著“西”和“北”兩個(gè)分量，如果其中的“西”分量發(fā)生了方向顛倒，成了“東”，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，泵浦光P制造的光學(xué)克爾效應(yīng)，最終導(dǎo)致探測(cè)光S的偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°。當(dāng)然，這是在對(duì)P的強(qiáng)度和介質(zhì)的長(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)之后才能實(shí)現(xiàn)的。
現(xiàn)在，讓我們用兩個(gè)正交放置的偏振片搭建一個(gè)完整的“以光控光”系統(tǒng)。探測(cè)光經(jīng)過(guò)由偏振片構(gòu)成的起偏器成為線偏振光，再經(jīng)過(guò)克爾介質(zhì)和濾光片到達(dá)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(guò)，比如紅色的玻璃只允許紅光通過(guò)，只要讓泵浦光和探測(cè)光的頻率不同，我們就可以用它阻擋泵浦光。
如果對(duì)介質(zhì)施加泵浦光，探測(cè)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(shí)它就可以通過(guò)與起偏器正交放置的檢偏器；如果沒(méi)有泵浦光，原樣的探測(cè)光就無(wú)法通過(guò)檢偏器。如是，就實(shí)現(xiàn)了泵浦光的對(duì)探測(cè)光的傳播控制。
如果把有光和無(wú)光狀態(tài)對(duì)應(yīng)為二進(jìn)制中的1和0，可得這一系統(tǒng)的真值表，這可不就是個(gè)與門(mén)嘛！
| S | P | 輸出 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
不過(guò)，真實(shí)的光學(xué)邏輯門(mén)遠(yuǎn)比這復(fù)雜得多，也有更多難題需要面對(duì)。比如為了減少探測(cè)光自身的光學(xué)克爾效應(yīng)，它的強(qiáng)度不能太高，而泵浦光的強(qiáng)度又很高，這兩種能量不對(duì)等的光束是不能直接用于邏輯運(yùn)算的。同時(shí)，泵浦光的能耗也是一大問(wèn)題。
后話
除了折射率，強(qiáng)光其實(shí)還能改變吸收率、透射率等介質(zhì)的許多其他光學(xué)參數(shù)，對(duì)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(mén)學(xué)科自激光誕生以來(lái)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，為光學(xué)邏輯門(mén)在理論上做足了準(zhǔn)備。進(jìn)入21世紀(jì)后，先后有韓國(guó)、新加坡、美國(guó)、中國(guó)、印度等多個(gè)國(guó)家成功研制了基于各種非線性效應(yīng)的光學(xué)邏輯門(mén)。
和為電子計(jì)算機(jī)帶來(lái)繁榮的半導(dǎo)體一樣，光學(xué)計(jì)算機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵也在材料，要找到一種同時(shí)滿足低功耗、低光損、低成本、高速度、高集成度等條件的材料并不容易，商業(yè)化的光學(xué)計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。
參考文獻(xiàn)
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