[科普中国]-光学数据处理器

光学数据处理器是指利用原有的处理器架构设计，但用光学部件代替原来的电子部件，目的是不改变架构的情况下大幅提高其性能，尤其是带宽。光学数据处理器研究内容包括光学余数算法，非相干处理，空间光学调制器，光学矩阵乘法器，光学二维模-数转换器，彩色编码等。

简介光学数据处理器是指使用光而不是电来传输数据的处理器1，其基础部件是空间光调制器，并采用光内连技术，在运算部分与存储部分之间进行光连接，运算部分可直接对存储部分进行并行存取。突破了传统的用总线将运算器、存储器、输入和输出设备相连接的体系结构。运算速度极高、耗电极低。

空间光调制器施加信息量于一维或二维光学数据场的器件。在时域电信号驱动下，或在空域光信号作用下，它可以空间地改变一维或二维光场的相位、偏振、强度、甚至波长分布，还可以实现非相干光和相干光的转换。空间光调制器可有效地利用光固有的高速度、并行性和互连能力，是在光信息处理、光计算、光神经网络系统中起关键作用的基本器件。空间光调制器有反射型和透射型之分。而按其输入的控制信号的性质，可以分为光寻址 (O-SLM)和电寻址 (E-SLM)的两类。前者多为模型(非独立象素)的构件，其基本结构和功能主要取决于所选用的材料及其效应。例如，就绝大多数O-SLM而言，通常是在两个基板的透明电极之间，依次采用光导层、光隔离层、介质反射镜和电光调制材料，构成一个多层的夹心结构。光导层通常采用CaS(Se)、非晶硅、硅平面二极管列阵等。调制材料有电光晶体、铁电陶瓷、液晶(包括铁电液晶)等。E-SLM是实时电光转换接口的基本元件。例如，小型平板液晶电视、磁光空间光调制器等。许多电寻址器件与相应的光寻址器件紧密相关，可以采用相同的调制材料。例如，在微通道板空间光调制器中，放置于电光晶体前的微通道板增强电子束并与电控光阴极联合，能提供光寻址和电寻址的双功能器件。迄今，国外已经研制成功的空间光调制器，约有40多种以上，包括电光、声光、磁光材料和器件，液晶材料和器件，光折变材料和器件，微机械与变形薄膜材料和器件，以及人造工程材料(半导体多量子阱、非线性聚合物等)和器件。我国已经研制成功的空间光调制器有各种LCLV、电导址阴极射线管液晶光阀(CRT-LCLV)、SEED、Si-LCLV、MSLM、泡克耳斯读出光调制器(PROM)、半导体多量子阱空间光调制器等。在空间光调制器的诸多应用中，可以概括为几个方面光信息处理，数据指令发送、数据输入，以及信息的存储和显示。

优点第一，光器件允许通过的光频率高、范围大，也就是所谓的带宽非常大，传输和处理的信息量极大。两束光要发生干涉，必须频率相同，振动方向一致和有不变的初始相位差。因此，同一根光导纤维中能并行地传输很多波长不同或波长相同但振动方向不同的光波，它们之间不会发生干涉。有人计算每边长1.5厘米左右的三棱镜，信息通过能力比全世界现有的全部电话电缆的通过能力还大好多倍。

第二，信息传输中畸变和失真小，信息运算速度高。光和电在介质中传播速度都极快，但光和电不同，光计算机是“无”导线计算机，光在光介质中传输不存在寄生电阻、电容和电感问题，光器件又无接地电位差，因此，传输所造成的信息畸变和失真极小，光器件的开关速度比电子器件快得多。光计算机的运算速度在理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍。

第三，光传输和转换时，能量消耗极低。尽管集成电路中的电流十分微弱，但由于集成度的提高，功耗仍然是个大问题，对于巨型计算机，问题更为严重。光计算机却不同，除了激光源需要一定的能量以外。光在传输和转换时，能量消耗却极低。

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学