芯片的升级——光电子芯片，光能代替电？
当代人不仅越来越离不开各类智能电子产品，而且对电子产品性能的要求也越来越高，总希望电脑和手机的反应速度再快点。
然而，不管是智能手机还是电脑，都离不开芯片，芯片的好坏决定了电子产品的性能。如今，电子技术飞快地更新换代，各种新型的芯片也如雨后春笋般出现。
在这些芯片中，有一类十分特立独行，它不再靠电流来传输、处理信号，而是利用不同波长的光，这便是光电子芯片(optoelectronic chip)。
这是怎么回事呢？下面，让小编为大家介绍一下吧~
什么是芯片？
介绍光电子芯片之前，我们先了解一下传统的芯片。芯片的全名叫集成电路（integrated circuits），通俗来讲就是把许许多多有复杂功能的电路集中地放在一小块区域上。
以电脑中最重要的CPU（中央处理器）为例子，它本质上是由数以亿计的“小开关”和其它电路元件组合而成的。
其中，这个“小开关”有一个高端大气的名字叫晶体管（transistor）。当晶体管处于开启状态时，就会有电流通过；处于关闭状态时，电流就会被掐断。
当晶体管“开启”，有电流通过时，记为状态“1”；当晶体管“关闭”，没有电流通过时，记为状态“0”。
电脑中的芯片，便是通过记录和处理上亿个“010101”的数来实现逻辑计算和信息处理的功能。
当信息以“010101”的形式处理完毕后，这些数字便会被翻译成屏幕上的图画、文字、视频供我们观看。
那么电脑芯片中的这些“小开关”具体是如何工作的呢？
既然需要电流通过晶体管内部，那么晶体管里自然会有电流流入的一端和电流流出的一端，它们分别叫做“源极”和“漏极”。
而起到“开关”作用的部分像一个栅栏一样，能够阻断或允许电流通过，于是它被形象地称为“栅极”。
晶体管示意图
上图就是晶体管的示意图，通常情况下它是绝缘的，电流无法从它的内部通过，即为“0”状态。
这时，如果在栅极施加一定大小的电压，晶体管内部的导电性能就会发生变化，形成一条导电沟道，于是电流就可以从源极进入，从栅极流出，晶体管转变为“1”状态。
开启状态的芯片
于是，我们只需要控制晶体管栅极的电压就可以轻松地改变芯片的状态，使其表示“0”或“1”。
上亿个这样的晶体管排列在一起，就可以记录和处理各种各样的庞大数据，这些数据经过翻译，变成我们看到的画面。
光电子芯片元件
光电子芯片的原理实际上和传统芯片十分相似，也由无数个“小开关”（光电子芯片元件）构成，其中一个技术手段就是把“小开关”中的电流换成了光。让我们先来看一下它的结构（简化模型）：
简化的光电芯片元件示意图
由上述的简化模型可以看出，光电子芯片元件主要由栅极、光波导、衬底三大部分组成。其中，光波导相当于一个“筛子”，可以让特定频率或波长的光通过，而阻断其他频率的光。
但是，光波导这个“筛子”不是一成不变的，一旦栅极上被施加一个电压，它就会改变自己的筛选标准，只让另外一种频率的光通过，而阻断其他的光。
光电子芯片元件栅极的作用
可能有小伙伴会问，为什么栅极电压可以改变光波导的筛选标准呢？光波导又是怎么实现筛选不同频率的光的呢？
其实，这和吉他的原理差不多，一根固定好的琴弦，当你拨动时总会发出同一种频率的声音。但当你通过另一只手的按压，改变了琴弦的长度与张弛时，发出声音的频率也会随之改变。
光和声音类似，本质上是一种波的振荡，当光进入光波导后，会在里面不断地振荡。而光波导边界的性质，决定了里面允许的振荡模式与频率，只有特定频率的光能够在光波导内发生振荡。
如果光的频率与光波导不对应，这种光就无法在光波导内振荡起来，振荡消失，光也不会存在，于是不满足频率要求的光就会被阻挡在外面。
而栅极就像是弹吉他时的左手，通过改变光波导边界的性质，来改变其内部允许通过的频率。而施加电压是一种既简单又容易实现的改变边界性质的方法。
讲到这里，小伙伴不妨自己思考一下，如果让你用光电芯片元件做一个可以用来处理的CPU，你会怎么设计呢？
其实很简单，我们可以完全参照传统的芯片进行设计。首先我们要选择一种特定频率的光，当栅极施加电压时，这种光可以通过，记为状态“1”；当栅极不施加电压时，这种光被阻断，记为状态“0”。
于是，通过上亿个光电子芯片元件的集成与组合，芯片中就能存有上亿个“0”或“1”的数据，通过处理、计算这些数据，就能实现各种各样的功能。
不过，这里介绍的光电子芯片还只是其中一个简化的模型，真正的芯片内还会有更复杂、更精细的结构。
看完之后，有些小伙伴可能会问：我们已经发展出了一套优良的传统芯片技术，为啥还要研究光电子芯片呢？
其实，这个问题的答案很复杂，但可以明确的一点是，随着传统芯片越做越小，集成度（单位面积晶体管个数）越来越高，加工工艺越来越复杂，它的性能几乎已经被提升到了极限，在未来很难有更高的技术超越。
然而，人们对芯片性能的要求几乎是无止境的，未来的人们一定比当今的我们更加依赖电子设备，传统芯片终有一天会无法满足人们的日常使用需求。所以，以光电子