光子计算机的心脏

光子计算机的心脏

作为人类认识和改造自然的一种标志，人们在改造电脑运算和存储速度的征程上不断跋涉，英特尔公司的芯片从20世纪80年代的80386几十兆的频率发展到当今的高达3．4兆赫兹的奔腾4芯片；制造技术也从硕大无比的晶体管到现在自动化纳米级（65纳米，90纳米，130纳米）的光刻工艺。但随着运算速度要求的不断提升，现有的用短波长进行的基于光学刻蚀的硅时代即将走到尽头，于是人们纷纷寻找下一代替代现有硅片的材料。存储量和瞬间运算速度惊人的“光硅片”概念在这种潮流下便粉墨登场了，科学家们也开始憧憬和企盼未来光子计算机时代的到来。而光折变效应的发现，更缩短了这一时刻的来到。

自从光折变效应发现以来，因为其奇异的性能，人们一直孜孜以求地想把这种优良的性能用到光子计算机的心脏——光子存储器上。

什么是光折变呢？

光致折射率变化效应，简称光折变效应，是指电光材料的折射率在空间调制光强或非均匀光强的辐照下，发生了相应的变化。广义上讲，光折变材料是指那些光照引起了折射率变化的材料。

1966年，美国贝尔实验室首次在LiNbO₃晶体的激光倍频实验中发现了光折变效应，当时把这种由于折射率的不均匀改变导致的光束散射和畸变称为“光损伤”。后来人们认识到这种“光损伤”在暗处可保留相当长的时间，而在强的均匀光照下，或在200℃以上加热情况下又可被擦除而恢复原状。因此，有人提出将这种性质用于全息光学记录，从此光折变效应的研究工作迅速地在世界范围内开展起来，并形成了非线性光学的一个重要分支——光折变非线性光学。作为物质基础，光折变材料的研究和发展，是光折变非线性光学学科发展的关键因素。

根据材料的不同，大致可以将光折变材料分为晶体材料和高分子聚合物材料。

光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时，晶体中的载流子被激发，在晶体中迁移并重新被捕获，使得晶体内部产生空间电荷场，然后，通过电光效应，空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布，形成折射率光栅，从而产生光折变效应。

光折变效应的特点是，存弱光作用下就可表现出明显的效应。例如，在自泵浦相位共轭实验中，一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相位共轭波，使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的，它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移，因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中，当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时，弱信号光可以增强1000倍。

此外，光折变晶体还具有以下特殊的性能：可以在3立方厘米的体积中存储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；可以精密地探测出小得只有10^－7米的距离改变；可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此，这种晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。

“超级晶体”——即铌酸锂晶体。这种晶体具有高衍射效率、快光折变响应及强抗光散射能力等多项光电功能，而且总体光电功能指标是最好的。它将有望成为类似于“电子学”中的硅材料一样的光子学“硅”材料，它可以通过掺杂和处理产生各种颜色，也可以加工成各种形状。

南开大学开发出的基于光折变三维光了海量存储材料双掺铌酸锂晶体新型三维全息光存储器，目前已通过国家级鉴定。该存储器将成为未来的主要存储器件，广泛应用于航空航天、天业、娱乐行业、大数据量存储股票和期货等信息业、多媒体工作站、三维图像处理技术、影视业等领域，具有非常看好的市场前景。

目前，有应用价值的光折变晶体有钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂、铌酸锶钡系列、硅酸铋等晶体。其中，掺铈钛酸钡晶体是由中国科学院物理研究所于20世纪90年代在国际上首次研制成功的。我国光折变晶体的研究已进入世界先进行列，掺铈钛酸钡晶体在世界上处领先地位。