簡介
美國哈佛大學的科學家在2006年宣布，用超低溫原子來“冷凍”并控制光線，就能構成光學電腦的“心髒”——中央處理器（CPU）。光腦以比傳統電子設備快10倍的數據傳輸速度，一舉沖破了矽技術的速度極限。
這項研究是利用光線代替電子進行信息處理的超速電腦開發方案的重大突破。作為全球“慢光”研究的權威之一，哈佛大學的Lene Hau教授領導的研究小組由于能有效降低光線速度而聞名世界。他們用一種含有超低溫鈉原子團的設備，把光速由每秒30萬千米（真空中的光速）降低到自行車的正常騎行速度，甚至成功地“凍結”了光線。Hau說，這項技術可用來制作下一代光學電腦的存儲設備。
Hau最新的一個研究項目是直接針對光學電腦的相關技術開發。她通過計算證明，一種稱為玻色—愛因斯坦凝聚（BEC）的超低溫原子團，可用于光線的“可控連貫數據處理”。在普通物質中，光脈沖的振幅和相位都會逐漸變淡，儲存的一切信息随之損壞。而Hau博士的“慢光”實驗研究證明，在BEC中光線的這些屬性都被保留下來，而這樣的設備終有一天能“進化”成光學電腦的CPU。
随着技術發展，傳統電子計算機的體積和速度不斷逼近理論上限，“集成電路集成度每18個月翻一番”的莫爾定律終将難以為繼。不少科學家相信，總有一天光學電腦将憑借其更小的體積、更快的速度，帶來一場新的技術革命。
組成
光腦是由光導纖維與各種光學元件制成的計算機。它不像普通電腦靠電子在線路中的流動來處理信息，而是靠一小束低功率激光進入由反射鏡和透鏡組成的光回路來進行“思維”的，但同樣具有存儲、運算和控制等功能。
計算機的“本領”大小，主要決定于兩個因素：一是計算機部件的運行速度；二是它們的排列緊密程度。在電磁波裡面，光比現在計算機内部的工作頻段要高得多，可以攜帶更多的信息，且傳播損耗較小，這使得光通信系統吞吐率極高，能耗極少。另外，超大型集成電路中，一些片狀器件的線腳已達300多隻，排列密度受到限制。而光束可以相互穿越，互不幹擾，這使得科學家能夠在極小的空間内開辟很多的信息通道。例如，貝爾實驗室的光學轉換器就可以做得很小，以緻在不到2毫米直徑的器件中，可裝入2000多個通道。
從理論上講，光腦的運算速度比現代的電腦還要快上千倍；其次，光腦器件還有信息量大的優點，一束光可以同時傳送數以千計的通道的信息。然而，光腦的制造在理論上和技術上還有許多問題沒有解決。作為第一步，科學家利用光腦驅動能量小的特點，把電子轉換器同光結合起來，制造一種光與電“雜交”的計算機。
關于光腦,人們對它也許還很陌生,但制造光腦的嘗試,科學界早在上個世紀50年代就開始了,直到80年代後期可以說才有了決定意義的突破.上世紀90年代中期,世界上第一台光腦已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利的70多位不同國籍的科學家研制成功.
優越性
無需散熱
多數人對電腦的深入原理并沒有太深了解，但是當家裡的電腦使用時間比較長，或者天氣較熱的情況下，機箱中往往就會傳來刺耳的噪音。其實讓你感到刺耳的噪音也同樣在煩惱着計算機科學家們。因為在電腦中，計算機速度越快、效率越高，熱量産生越大。高溫會阻礙電子元件的工作效率，所以熱量的問題就成為“電”腦速度提高的一個無法逾越的障礙。
“光”是解決這個問題的好辦法。首先光是冷的（特定頻段），如果在電腦裡用“光”而不是電來傳遞信息，那麼散熱的問題就會迎刃而解。同時，使用過寬帶上網的人也有體會，接入光纖的寬帶遠遠比接入其他線路的寬帶速度要快得多，這是因為光的頻率要比非可見光頻段的電磁波高得多，可以攜帶更多的信息。如果使用的是光腦，那麼本身就會比電腦快上許多倍。
用光的明暗傳達信息
在今天使用的電腦不同，流通在電路中的是“電”，通過元件對電流“開”和“關”的控制來表達複雜的信息。而在光腦中取而代之的則是用光來傳遞信号，光的“明”和“暗”則可以代表信息的傳遞。當然，首先你必須使得芯片可以發光，而芯片所采用的材料主要是矽，所以科學家們需要得到的是一束矽激光。
更小的計算機
日常生活的經驗，當幾束不同顔色的光相遇時，能夠相安無事、互不幹擾的穿越，這樣不同頻率的光就可以攜帶不同的信息在同一條光纖通道中穿過，而電則不行。因此如果“電”腦能夠變成光腦，那麼當同時打開許多窗口玩遊戲、聽音樂和聊天的時候，甚至讓一台計算機同時肩負多種複雜工作的時候，也不會有急劇的速度變慢現象了。
對于計算機來說，越快代表越聰明，低散熱問題，就意味着可以更小。因此，當用上光腦之後，才有可能将整個房屋的全部事務委托給一台小盒子那麼大的計算機控制，而不是像現在使用穿衣櫃一樣的一排計算機來管理。可能會使用科幻片中帶着極高速度自動行駛的汽車來緩解城市交通的壓力，而實際控制的也許是個比手掌大不了多少的計算機。
“光腦”漸近
與叫了幾十年的“電腦”相比，“光腦”似乎更時髦，而且充滿着科幻色彩。試想，計算機如果以光子傳遞信息，即使光線相交也互不影響，而速度卻至少提高三個數量級，突破電子邏輯門開關的速度極限。那時，再也沒有金屬導線的高延遲，沒有令人頭疼的高發熱量，計算機更小更快、傳輸信息量更大……諸多優越性背後的技術支撐是矽光電子學。
英特爾将矽光電子學作為其戰略性技術開展研究，并多次公開發表最新研究成果。2008年年底，英特爾在《自然》上發表了在光電探測器方面的新突破，讓“光腦”再激千層浪，多久可以擁有它，五年、十年還是更久？一時間，“光腦”話題再度升溫。盡管完全“光腦”還不可行，但作為第一步，已經看到科學家把電子轉換器同光結合起來，制造出光與電混合的新一代計算機的曙光。
為何鐘情矽光子
矽光子學喚起了太多人的熱情。矽光子學既是半導體光子學中的新興研究課題，也在發展中逐漸成為物理學、材料學、計算科學、通信學等多學科綜合的一門交叉學科。矽光電子學專門研究在矽及矽基異質結材料中的光子行為和規律，并且非常注重矽光子器件。成熟的矽工藝為矽光子學提供了堅實的技術支持，加速了矽光子學的形成和發展。
一方面是現代微電子産業的基石——矽基半導體的發展接近極限，以英特爾為代表的半導體廠商都在尋找并引入高科技新材料，以實現延長基于矽的摩爾定律的壽命；而另一方面，光電子技術作為一項快速發展且前景光明的技術，吸引衆多國内外專家學者的關注，他們緻力于将光子技術和微電子技術結合起來。
矽光子器件将是繼集成電路之後最有應用前景的實用元器件，這一創新将在後矽材料時代引領技術革命。中國著名的矽光子學研究專家、中科院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室研究員馀金中指出，成熟的矽光子學将在信息領域和社會生活中起到重要作用，特别是推動光計算發展。在未來十幾年重點攻關後，在信息功能材料及器件、傳感器網絡及智能信息處理、激光技術、納米研究等項目推進中，矽光子學具有廣闊發展空間。
發展矽基光子科學和技術的意義是如此重大，這就不難理解為何有一定科研實力的國家都把這一學科作為長遠的技術發展目标，這以美國最為突出。中國的863計劃、973計劃，也都把矽基光電子研究的相關課題列入計劃，中國科學院微電子研究所、中國科學院半導體研究所光電子研究發展中心、浙江大學矽材料國家重點實驗室、吉林大學集成光電子國家重點實驗室等領先研究性機構，都在這一前瞻性研究的矽基材料、器件實用化等方面取得了突出成果。
成本是個大問題
期待矽光子技術突破，主要就是要解決提高傳輸速度的問題，尤其是進入單芯片萬億次計算時代後，這個問題就更加突出，與萬億次計算相匹配的還應該有萬億次通信。這個問題在未來的高性能計算領域同樣存在，計算機需要找到一種更快的方法，以便在芯片内部及芯片之間傳送大量數據，業界把突破通信瓶頸的希望寄托在矽光子通信上。
對“高帶寬、低延遲”的期待可以從光纖談起。目前，長距離傳輸由光纖通信實現，主要是城域和長距離傳輸，長度約是0.1km～80km。機架到機架也開始采用光纖傳輸，長度約是1m～100m。而從闆卡到闆卡、芯片到芯片，采取的還是導線傳輸。目前矽光子學研究就是要把光傳輸從長距離向超短距離傳輸擴展。
從目前發展情況來看，持續改進的技術隻是問題的一個方面，另一個重要問題是成本。舉例來說，以銅導線連接為例，每年需要連接的器件數量在數十億以上，對光模塊的需求量非常大。而目前，多數光子器件都采用砷化镓和磷化铟之類的特殊半導體制造，成本過于高昂、處理與封裝也十分複雜，很難用于單台計算機甚至本地網絡。英特爾院士兼光子學技術實驗室總監Mario Paniccia在接受記者采訪時說：“把光通信技術的優勢帶到芯片級平台上，不隻要有技術，還要把這個技術做到低成本，這樣才可能把技術規模化，這是研究的推動力。”
Mario Paniccia說的這項技術就是矽光電子學，其願景是要研究使用廉價、制造工藝簡單的矽作為基礎材料開發光子器件，并在現有的晶圓工廠中，采用标準的批量生産的矽制造技術來實現。這樣帶來的優勢就是能為光通信帶來規模經濟效應。英特爾在開展這項研究的數年來取得了一系列成果，尤其是從2005年開始，逐漸進入了成果收獲期。
一舉兩得的選擇
矽光子學從研究到最終産業化，是一項系統工程，英特爾把通過光傳輸方式收發數據的過程分解為以下步驟來實現：一是先解決光源問題，就是生成光束的激光器，要能發出連續光；二是解決傳輸路徑問題，就是光波導，就如同讓光在矽平台上傳播的高速公路網絡；三是光調制器，把光束分成代表數字0和1的開/關信号，光的變化就攜帶了傳輸信息；四是光探測器，光傳輸到目的地後，需要有光探測器探測到脈沖光信号，把附加在光上面的信息下載下來，重新轉換成電信号。
在這些技術問題都解決了之後，就是考慮生産與産業化的問題了，即實現低成本封裝和CMOS工藝批量制造。現在基于矽的制造工藝已經非常成熟，這能夠實現低成本的大規模生産。而根據不同的應用需求，還可以像搭積木一樣，對這些模塊進行組合，以實現不同的功能。
發展前景
光腦，人們也許還陌生，但制造光腦的嘗試，科技界早在20世紀50年代就開始了，直至80年代中後期，才可以說有了決定性的突破。20世紀90年代中期，世界上第一台光腦由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利等國的70多名科學家研制成功，其運算速度比電腦快1000倍。科學家們預計，光腦的進一步研制将成為21世紀的高科技課題之一。21世紀将是光腦時代！
