摘要：

以計算機為代表的信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進，發(fā)展速度驚人，目前已廣泛應(yīng)用在人類社會的各行各業(yè)。本文淺談當前電子計算機的運算速度受到了多種因素的制約，介紹了光子計算機的概述，研究狀況，光子計算機的光器件與光路，光子計算機的特點。 

關(guān)鍵詞：光子學(xué)；光子計算機；光子元件；集成光路 

引言

目前，世界上技術(shù)先進的國家正在大力開發(fā)第五代計算機，其中一個重要的動向是加緊研制光子計算機�？茖W(xué)家認為，第五代計算機要求具有高得多的運算速度和更加豐富的邏輯處理系統(tǒng)，而光子計算機可以較好地滿足這些要求[1-2]。

20世紀40年代，美國賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)第一臺電子計算機產(chǎn)生以后，此后幾十年間，計算機制造工藝在不斷的變革中高速發(fā)展。計算機系統(tǒng)的歷史主要有以下發(fā)展階段電子管時期、晶體管時期、集成電路時期和超大規(guī)模集成電路時期。

1.電子計算機受到的制約

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機已經(jīng)在人類社會的各行各業(yè)不斷應(yīng)用著，在計算機技術(shù)的不斷前進的進程中，計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度超出了人們預(yù)料。在人類社會各行各業(yè)的不斷應(yīng)用中，對計算機性能提出了越來越高的要求，例如復(fù)雜系統(tǒng)模擬、海量數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、精確制導(dǎo)系統(tǒng)等，其對運算速度的要求達到10¹²次以上，對數(shù)據(jù)量的要求非常大[3-4]。電子計算機的以下這些特點，限制了電子計算機的運算速度：

(1)馮·諾依曼(John von Neumann)的串行“瓶頸”問題，造成數(shù)據(jù)輸入與處理需要耗費大量的時間，使電子計算機的計算處理速度不能進一步提升，就像一個小口瓶里面的水，只能從瓶口慢慢地流出。

(2)帶寬有限問題，對信息傳輸系統(tǒng)來說載波頻率和信號頻率帶寬之比為100：1，微波頻段內(nèi)，電信號的頻率范圍在103兆赫茲-104兆赫茲，因而，傳輸信息時它的頻率帶寬是10兆赫茲-102兆赫茲。為了改善電子計算機的處理速度，我們讓信號脈沖的間隔盡可能小，需要把每個脈沖脈寬變窄，才不致于使信號相互重合而分不開。由于脈寬越窄，頻率帶寬會變寬，電子計算機的頻帶寬度不是無限的，要求信號的脈寬不能過窄，同時在傳輸過程中脈沖將會展寬，使得電子計算機的運算速度提高是困難的。

(3)時鐘歪斜問題，這是由于超大規(guī)模集成電路的元器件數(shù)量大，各部件同步時鐘到各元件的距離差異比較大，到達的信號需要等候未到達的信號，聯(lián)接距離一大，時間就變得很長。

(4)電阻電容電路問題，由于電阻電容電路的響應(yīng)時間τ-RC，通常為10^-9秒，這就阻礙了我們的核心元件―雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換速度，使傳輸速度和處理速度不能提高。

由于電子計算機以上這些阻礙運算速度的缺點，這些年，研究新的結(jié)構(gòu)的計算機――光子計算機的專家不斷涌現(xiàn)。

2.光子計算機

2.1 光子計算機概述

光子計算機是靠光而不是靠電來運行的，而光子運動的速度要比電子快得多。光子計算機速度非常快，要比已制造的高速電子計算機(每秒13億次)快上千倍。從理論上說，電子運動的速度可以接近光子，即每秒30萬公里，但在硅芯片上電子的實際速度還不到光速的1%。光子計算機是一種通過光信號來進行信息存儲、處理、運算、操作的新型計算機。1969年，研究光子計算機這一偉大征程由美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)的研究者拉開了序幕，第一臺光子計算機在1984年6月制造出來，這是由國際商用機器公司研發(fā)的，是一臺能夠正常工作的光子計算機，只是它必須工作在接近絕對零度的環(huán)境下。貝爾實驗室在1990年制造了一臺光子計算機，它由棱鏡、透鏡和激光器等元器件完成，貝爾實驗室走出了光子計算機的關(guān)鍵步伐。由歐盟的幾個高校合作，已開發(fā)完成的光子計算機，處理速度是電子計算機的1000倍。光子計算機主要有三大類：光模擬信號計算機(也叫光模擬機)、全光數(shù)字信號計算機(也叫光數(shù)字機)、光智能形式計算機，光子計算機起始于模擬機，模擬機具有并行快速計算和大信息容量的特點，在光學(xué)信息領(lǐng)域(如光編碼測距)獲得應(yīng)用[6]。1990年至今，我們設(shè)計的全光子計算機，結(jié)構(gòu)基本都是按照電子的傳統(tǒng)的計算機來設(shè)計的，它用光控制器、光存儲器和光運算器組合而成，相互之間和各自內(nèi)部以光互連這種方式來通信。現(xiàn)在全光數(shù)字計算機處在研究過程中，要用到的相關(guān)技術(shù)難題已經(jīng)有了答案，主要問題是如何開發(fā)更高利用率的光學(xué)元器件。光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機處理研究中，它具有人工智能的系列優(yōu)點，帶給研究人員極大興趣，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機的研究同時取得了非常好的進展[7]。但是理論模型還需要進一步細化，要研制出利用率更高的空間調(diào)制器和性能更好的光開關(guān)列陣，其實真正實用的光子計算機還有很多路要走。當前全光數(shù)字計算機與光電混合計算機正在不斷發(fā)展，數(shù)字光計算的研究將成為所需要的光電器件的重要支撐。