【大纪元2011年05月22日讯】（大纪元记者曾嘉连、黄凯熙编译报导）德国光学专家最近提出一项全新的光学晶体设计研究理论，表示可利用光脉冲来控制修正另一种光脉冲，以进行光学运算。此光学晶体设计法若成功，未来可能取代现行的电晶体，以光子来进行数位运算。此设计理念也一直是物理学家，多年来企图寻求并应用于光学运算程序上的最大挑战。
据科学网站《PhysOrg.com》报导，德国柏林魏尔斯特拉斯应用分析和随机研究所（Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics）以及马克斯玻恩研究所（Max Born Institute）的研究员，在最近一期《物理评论快报》（Physical Review Letters）刊登了他们的研究成果。这个光晶体设计研究成果，是第一个符合“全光学晶体（all-optical transistor）标准”的光晶体设计理论；“光晶体设计标准”是D.A.B. Miller昔日在《自然光子学》（Nature Photonics）上，所发表罗列的光晶体设计条件。
研究员表示：“我们希望把一讯号脉冲的强度，传递转换至另一个脉冲。一般较呆板的做法是改变光纤的特性，而较为巧妙的‘全光学转换’方法，则是利用一个外加的脉冲，即控制脉冲，来改变原来的讯号脉冲的强度和方向，构成一个‘光学回路’。”
科学家解释，当光脉冲互相碰撞，通常不会发生太大转变。因此，控制脉冲的光束范围必须比较大，也比较微弱，才能对讯号脉冲造成影响。
科学家解释这个新研究方法，是利用较弱的分散脉冲来控制较强的讯号脉冲，分散的控制脉冲比讯号脉冲弱七倍。在这个新概念中，两种脉冲会在非线性的媒介中，以不同频率但几乎完全相同的速度，向同一方向行进，如果其中一种脉冲能从后赶上另一个，两股脉冲便可产生上述的交互作用。
从控制脉冲的角度看，讯号脉冲就像是一道光学视界（optical event horizon），如同白洞一样划定了一个外物无法进入的边界。而在此新研究概念中，控制脉冲与讯号脉冲会暂时锁在同一个光学视界中一段时间，让控制脉冲修改讯号脉冲的特性。例如，控制脉冲能改变讯号脉冲的强度、频率、速度或形状，控制脉冲可有效地转换讯号脉冲，成为光学晶体的一部分。
研究人员在研究报告中指出：“简言之，如果讯号脉冲受到控制脉冲的视界（event horizon）影响，讯号脉冲与控制脉冲的能量可互相交换。无论两种光脉冲可能产生何种视界，只要两股脉冲速度非常接近时，便会互相交换能量。”
控制脉冲也可以重复转换讯号脉冲的能量，令研究理论变得切实可行。研究小组表示：“全光学转换最重要的一点，是可以利用几股控制脉冲，多次的转换讯号脉的能量，使讯号脉冲的能量增强或减弱。这即是讯号脉冲，可成为全光学回路的关键元素。”
这个新颖的概念，有助克服设计全光学晶体时，所面对的一些困难，尤其是能克服光晶体没有并联与扇出（Fan-out）能力的困难。此设计法的强大脉冲，不会扩散或分解成不同脉冲，所以输出的脉冲可在下一次转换程序中，成为输入脉冲，令光脉冲能量的转换动作，能循环串接起来。此外，这个新的光学晶体设计概念，具有晶体的扇出能力，意即晶体可负荷多个输入讯号。
过去研究光学晶体设计，多无法克服晶体分层串联的问题。因此，这项切实可行的新研发概念，是光学晶体设计的重大进展。
因为光子的传输速度比电子快，因此光晶体的转换速度，将比现行的电晶体快得多。这也意味着光晶体研发成功后，未来可能取代电晶体进行数位运算，届时人类的数位科技，将迈入另一个崭新的时代。
