抓住光波

【英国《新科学家》周刊６月５日一期文章】题：抓住光波
在慕尼黑大学的实验室里，阿希姆·维克斯福特和他的同事们找到了一种捕
获光束的方法，他们可以把光束存储一会儿，然后再把它放走。
光学梦想
这是一种绝妙的方法，并且可能具有深远的意义，因为在现有的计算机中携
带和传送数据的电子有其局限性，它们会相互影响。它们需要电线才能运动，并
且它们传送信息的速度较慢。
而光束则具有通信和计算机技术人员所盼望的理想特性，其信息载运能力（
或者说带宽）非常巨大。一束激光脉冲一秒钟可传输整部《不列颠百科全书》。
光束还能轻而易举地分成很多单束光束，使其成为并行处理的理想媒介，而人们
广泛认为并行处理是高速计算技术的未来发展趋势。当然，光束还具有速度快的
优点，宇宙中没有什么东西比光束更快了。
虽然光束运动速度快而且携带的数据多，但它正如一辆刹车失灵而失控的邮
政列车，如果你想获得数据，必须让它撞上什么东西使它停下来。近年来，物理
学家已设计出一些非常奇特的墙壁供光束撞击，这些研究统称为光电子学——这
是把光所携带的数据转换成普通机器所使用的电子形式的技术。
光电子学使你能够把信息以光速从一个地方传送到另一个地方，在越洋电话
线缆、电视遥控器等各个领域都可见到光电子设备的身影。但归根结底，你仍然
要把光束的惊人速度和传输容量转换成缓慢的电子流，从而受到导电物体变幻莫
测的电学现象的限制。如果你能够使用光而不是电子，那么就有可能建造超高速
的设备——如光学计算机。
为了实现这一梦想，必须设法让光束在某些地方滞留一段时间以备使用——
实际上滞留时间要足够长，以使·光束能够充当光传导数据的存储器。
光存储器
人们多年来一直在寻找制造这种光学存储器的方法。他们尝试了各种各样的
方法，有的方法要利用古怪的量子效应，有的方法则显得直截了当（比如让光在
一个光纤做成的线圈中运行一段时间等）。
维克斯福特说，这些装置的缺点在于它们的体积一般很庞大，为了把光滞留
百万分之一秒，你需要３００米长的光纤，并且它们还难以控制。他说：“理想
的光学存储器应该是一个小型容器，进入容器中的光信号应该能够按人们的需要
保留一段时间，然后再以光的形式释放出来。”
这差不多就是他的研究小组今年早些时候在《科学》杂志上公布的成果：一
种把光存储在比一个句号还要小的存储装置中的切实可行的方法。而且，他们使
用的是半导体材料，这使这种装置非常容易制造并且与现有的电子技术相结合。
从理论上说，用半导体制造光学存储器应该很容易。半导体中电子的能量分
布在两个宽能带上。大多数电子处于价电子带中，在这个能带上电子与特定的原
子结合在一起。如果给予它们足够的能量，它们就会跃迁到传导带，此时它们变
得能够自由移动，留下一些行为像带正电的粒子一样的空穴。因此，如果你把带
有适当能量的光子打到半导体上，这些光子将被吸收，留下一些电子—空穴对，
不管是电子还是空穴都可存储原来的光。
但是，制造一种能够捕获、存储和释放光的存储器则要困难得多。
另辟蹊径
为了克服这个障碍，维克斯福特和同事们利用了一种令人意想不到的现象：
声波。这个科研小组是在研究控制电子运动的新方法时找到这个解决方案的。他
们发现表面声波——施加到晶体表面的波浪形压力——是一种大有希望的控制电
子的方法。
制造出这些压力很简单——只需要在铌酸锂等压电材料上施加交流电压即可
。变化的电压使压电材料的晶格舒张和弯曲，产生一种沿着材料运动的压力波。
当压力波运动时，会产生一个强电场，这个电场能够用来捕捉和传送电子。
维克斯福特和同事们使用这些声波移动电子时意识到，这些波还有另外一个
用途：把由光导致的电子—空穴对分隔开来。这些波产生的强大电场把半导体平
整的传导带和价电子带扭曲成规则的正弦波形状。当电子—空穴对遇到波峰和波
谷时，它们会被彼此分隔，电子移动到波峰，而空穴则移动到波谷。
１９９７年，由维克斯福特的学生之一卡斯滕·勒克领导的一个研究小组宣
布，他们用以铟镓为基础的多层半导体在压电材料上制成了一个微小的“三明治
”，并且使用一个高频电场制造出一种声波。
一束红外激光脉冲使半导体产生一些电子—空穴对，这些电子和空穴旋即被
电场分隔开来。由于电子和空穴隔开的距离大约有１微米，从而无法再次结合，
这些电子—空穴对只好保存促使它们产生的光子的能量。
勒克和他的同事们设法把能量保存了几个微秒的时间——这比自然条件下电
子—空穴对的存在时间长了几千倍。
但是这里有个难题：所有这些实验都是在只比绝对零度高４度的液氦低温中
进行的，并不便于在日常电器中使用。目前，维克斯福特则向人们表明，通过采
用砷化镓和砷化铝半导体层，并且在表面装上一个透明的电极用来产生电场，在
液氮温度下也能取得同样的结果。
他们设法把光存储了３５微秒。而且，通过使用一种静止的电场把电子和空
穴隔开，他们做出的芯片在尺寸上只是勒克所用晶体的一个零头。通过进一步改
善设计，他们认为能够在室温下运行的装置没有理由不会很快做成。
前景远大
维克斯福特说，只要你知道了原理，就像生活中的平常事情一样，制造一个
光学存储器是非常容易的。
掌握了基本的原理之后，维克斯福特和他的同事们正在越来越多地考虑这种
“声光”装置的可能用途。他们认为，这种存储器的灵活性为制造一系列的装置
开辟了道路，这些装置不仅能够存储光，而且还能够处理诸如复合和分解（把很
多输入的光信号合成一个信号以及把一个信号分解成多个信号）这样的任务。维
克斯福特还发现他甚至能够改变再次发出的光的波长，只需要压挤半导体即可。
他说，最终研究人员有可能利用这种装置对附加的信息进行编码。
目前，他们的注意力集中在对常规的通信和计算至关重要的动态随机存储器
上。用一系列半导体单元或者“像素”制成的能够处理光子的一种声光装置，有
可能完成常规电子装置无能为力的任务。维克斯福特说：“光学动态随机存储器
在诸如光学模式的识别和图像处理等领域具有诱人的应用潜力。”
除了使用光，他预见还能使用表面声波产生的电子—空穴对装载和读取每个
存储单元。存储的信息甚至能够从一个单元移动到另外一个单元以供处理。
从长远看，声光元件也许能够为开发未来的光学计算机做出贡献。使用激光
而不是电线并且利用光束固有的并行性质，这种计算机可能成为除了量子计算机
外的终极数码处理器。