自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几年内保持持续的增长，但总体的增长速度必将逐渐的走向平缓，直至计算机速度达到目前的极限，无法继续增长。

　　我们现在可以轻松买到运行在1G Hz（109 Hz）的个人电脑，这确实让人感觉很兴奋。然而可否想过100G Hz的电脑走上您的书桌呢？实际上，根据我们目前对半导体技术（现在计算机芯片技术的根本）的所知，即使仅仅想实现10G Hz的速度已经很困难。但是，假若用光线来代替半导体中的电子来传递信号，则可以让生产百亿Hz（1012 Hz）的个人电脑成为可能。研究人员目前相信，如今看来可以成为可怕的这种高速的处理器可以用被称之为“光子晶体”（quasicrystal）的物质所产生的光成分实现。这些材料均具有高度的周期性结构，这种周期性可以用来控制和操纵光波的产生和传播。

　　目前的电脑依靠半导体晶体来控制数百万的电子信号，然而用光子来控制电子信号的电脑将比目前的电脑速度快得多，效率也高得多。目前人们是依靠电子来实现微电子技术革命，今后则将依靠光子来继续这场革命，这就需要能捕获和控制光传播方式的光子晶体之类的新材料。而光子晶体正是可以胜任这种工作的材料。

　　电脑CPU芯片

　　传统芯片技术的局限性：

　　尽管现在的CPU速度提升幅度之大、之快实在前所未有，但从体系结构上来看，其变化还是比不上从486到奔腾的飞跃。奔腾相对486来说，最最重要的是引入了指令流水线的概念，指令得到了精简，执行效率更高。而奔腾以后的处理器，除了多了几条专用指令以及集成二级缓存之外，更多的优势来自于制造工艺的进步，使得处理器速度节节攀升。

　　让我们先来简单描述一下CPU的工作流程。CPU完成一条指令，大致可分为四个步骤：从内存中提取数据，翻译或者解释指令，按照指令对数据进行操作，把操作结果返回到内存中。这一系列的过程，被称为一个指令周期。CPU的频率越高，指令周期就越短，CPU单位时间内处理的指令就越多。但是，我们能够无限制的提高CPU的频率吗？你可以看到，CPU完成一条指令的过程还是相当复杂的。要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，这就必须要求更好的设计方法和制造技术，减少电信号在各个微电子元件的延迟时间。这就要求减小微电子元件体积，缩短它们之间的距离，提高集成规模。但是元件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且，超大规模的集成电路，其电子元件的发热量将十分惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。可以说，在目前这种情况下，这种方法已经没有多大的发挥余地了。

　　这也正是目前预测常规半导体技术只能支持10G Hz左右的运算速度的原因。然而光子晶体就可以避免这个问题，其实从目前的光纤技术（注意：光纤利用的是光的全反射，而非光子晶体技术）和普通电缆传输数据的网络系统比较就可以看出，光传播数据相对电子传播数据的优势所在。其速度上可以有本质上的提升。故此现在关于这方面的研究是一个很热门的领域。

　　网络方面的应用

　　光纤网络是目前速度最快的通讯方式，而光纤是由纤芯和包层两种光学性能不同的介质构成。内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。由物理学可知，在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率高的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这一点很类似光子晶体通过带隙（Bandgap）防止能量损失一样，是光纤传输数据的优势所在。

　　然而传统光纤的缺点是不同波长的光穿过光纤纤芯的速度也不同。考虑长距传输时，在信号中就将出现时间延迟，所以信号就需要在不同的波长编码。这种现象叫做延迟——光纤纤芯越粗延迟越厉害，因为光将沿不同的路径或“模式”通过纤维。通过这样的纤维的一个光脉冲变宽，必将限制能精确接收的数据率。

　　解决的方法还有一种就是采用单模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直径，从而可以只允许一个模式的光路通过，从而避免上述问题。但同时成本将大大提高。

　　除此以外，传统光纤的损耗也是需要考虑的问题。

　　而光子晶体制作的新型光纤在这些方面都有显著的优势。光子晶体带隙保证了能量的基本完全无损失，而且不会出现延迟等影响数据传输率的现象。英国Bath大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结从而形成直径约40微米的蜂窝结构亚微米空气孔。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道，与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大，从而增加数据传输量。

　　如图是目前英国斯温顿Bath大学的实验性光子晶体光纤实物图和传输效果图。

　　除了对于光纤本身的改进以外，光纤通信必须要用到的发光二极管（LED）等光学元件也都可以用光子晶体来进行更大幅度的改进。

　　相信在本个世纪内，我们一定可以用上高速的光子计算机和快速便捷的光子通信设施。