提高信息容量及速度，一直是发展计算机及其基本元件的强大动力。然而在晶体管这一基本元件的限度内，即令有更大的进展，能不能造出更快的计算和通讯工具呢？为使晶体管工作得更快，就得把它制作得更小，而把它做得太小，也就不成其为晶体管了。超过一定限度之后的任何进一步的进展，都需要提出对晶体管的崭新概念。那么有没有绕过这一先天性局限的途径呢？一条可能的出路就是干脆甩开电子这种运动得相当慢的粒子而转向光学途径。因为现代化计算机中哪怕是一个最微小的晶体管的通断时间，也够光线走上约一米那么远。
从理论上讲采用光线是挺好的，但是为什么迄今一直没有“光学计算机”问世呢？困难之一在于一直还没有搞出“光学晶体管”这样的元件。最近英国和美国的研究取得了令人鼓舞的进展，使得制造现实的光学晶体管有了可能。
制造任何开关器件，不论是机械的，电的或光学的，都离不开利用一种所谓非线性现象。这所谓非线性，本来是数学界的术语。设想一个机械式开关的转换过程。开始时移动量与按压量成正比，其间关系的图像是直线。到了某个位置之后，开关突然跳到另一边，这就是一种非线性行为，因为移动量对按压量的关系不再是直线了。机械开关就是这样显现出它的双稳态的，它只能处于两种稳定态之一。在计算机的电子开关中，晶体管起到了主要的非线性作用。它用一个组态的电流开断另一组态的电流，完成类似的开关作用。没有像晶体管这样的非线性元件，就不可能完成这种开关作用。电子线路中像电阻电容这些线性元件本身，是不能完成任何一种开关作用的。
用光学开关，首先要找到一种非线性的光学过程。例如通过通常的平面玻璃的光强度，是和射到玻璃上的光强度成正比的。这好像是不言而喻的。可是像例如在新式的太阳镜片中，情况就不同了。它们通过的光占入射光的比例，就因光的强度而不同。这是最普通的非线性现象。在激光被发现之前，实际上不存在非线性光学的科学。现在已能从激光获得高强度的光，于是有可能找到许多非线性光学效应，当然也不是所有一切非线性效应都能用于开关，因为作为开关，还需要一种双稳态效应。
光学上的双稳态装置，即对同一输入光强具有两种稳定的传输状态的装置。一个是传输高的状态，另一个是传输低的状态。光学双稳态性的概念，发端于1969年。当时美国麻省理工学院的一个小组，提出用光学谐振器内部的可饱和性吸收性质，可以制作光学开关和记忆元件。（这与太阳镜片相反，激光强度使介质的传光能力提高。）直到1976年，美国新泽西州贝尔实验室的Hyatt Gibbs等人，才首次示范了光学双稳态现象，虽然他们所发现的双稳态效应，是由另外一类非线性效应产生的。该项双稳态效应，取决于光强度改变时光在介质中的波长的改变——这是一种称为非线性折射的现象。光强度对折射率的影响，同时也表明在介质中光速发生了变化。
要用光信号影响另一种光的传输，双稳态开关必须有某种反馈机制。获得这反馈的最简便方法，是采用一种所谓光谐振器，它又叫做Fabry-Perot相干仪。相干仪中有两块平行板，光线进入平行板之后经多次反射才射出来。当两板之间的光路长度乘上介质的折射率等于入射光半个波长的整倍数时，这些波长的光就能完全通过。
因此，当光波波长随强度而改变时，干涉的条件和光的传输也随之改变。这使得这种相干仪具有非线性性质，因其输出不再与输入成正比例。光线进入相干仪内的非线性介质后，当输入强度增大时，发生传输高峰原来波长向外来的激光波长靠近。
于是表征这相干仪特性的输入——输出曲线由“断开”谐振逐渐“导通”谐振的条件转移。
此时出现了另一个新现象。当装置接近于谐振时，反射光线抵销得更完全，因而进入谐振器并在它内腔往复的所谓“内场”强度更大。正是这个内场，改变了介质的折射率和在其中的波长。相干仪谐振频率推向激光频率的速率本身，又是随着光强度增加而增加的，结果在某一强度上的输出特性剧烈地变陡了。于是特性曲线上输出变化对输入变化的比值（即曲线斜率）陡增至无限大，随后又折回原斜率。
特性曲线中出现负的斜率，就意味着谐振器突然像开关一样从“断开”状态转入“导通”状态——在这时发生了最大的传输。这就构成了一个光控快速开关，同时，由于输出的变化比输入的变化大得多，它也宛如一个信号放大器那样工作着。——这也是它与晶体管的另一相似之处。
—旦导通之后，内场已建立了起来，外来激光强度即会稍有减弱，内场仍能保持到一个较低的外场强度，此强度比当初转入“导通”条件所需要的外场要小。故“断开”发生在一个较低的输入功率上，而呈现出一种滞回或“记忆”效应。
光学双稳态性
最初在1976年发现的光学双稳态性，是在以钠蒸汽为非线性介质的装置中观察到的。虽然所需要的激光功率不大，但谐振器尺寸较大，约为10公分。而且动作相当的慢，达若干微秒，而现代晶体管开关时间是以毫微秒计算的。加利福尼亚大学的专家展示了用二硫化碳制成的光学双稳态开关，速度要快得多，但需要用很强的激光功率，——以兆瓦计——这不适于信号加工之用。后来的期望是向发展一种现实可行的小型低功率而快速的装置努力，也正如晶体管的情况一样。
1979年6月6日，正巧有两份报告同时到达应用物理证书编辑室，一份来自贝尔实验室，一份来自Heriot-Watt大学我们小组。两者都是关于光学双稳态小型半导体器件方面的，它们都不过是薄薄的晶体切片，其平行面构成相干仪的镜面。贝尔实验室小组用的是厚度四微米、直径一毫米的砷化镓薄片，而我们用的是五百微米厚、直径五毫米的锑化铟晶体。两者要求的激光功率都不大，不到五百毫瓦，砷化镓晶体需要激光功率对准在一个直径十微米的光点上，就能把它保持在开关导通态（即每平方微米- 毫瓦），而锑化铟片只要有一个直径为一百微米的光点就够了（相当于每平方微米十微瓦）。此外，接通开关所需要的变化都很小。这样，像在电子器件的情况一样，李光学晶体管上，也是半导体又一次帮了大忙，虽然它在两种情况下通过完全不同的性质起作用。器件是足够的小，因而可以动作得很快，因为光在相干仪镜片（即晶体面）之间往复的时间是很短的。只要引起非线性行为的微观过程本身足够快，这动作时间就大约是一微微秒（10-12秒）。
要把光学双稳态的概念推广至全光学计算机技术，还得要有类似于电子晶体管的放大特性，即用一种光控制另一种光的放大特性的三端器件。在爱丁堡，我们很快地把工作推向这一方面——说来也可笑，当时是为了两品脱啤酒打赌而干的。我们在一个光晶体上输入两个不同的光线——一是强光，一为弱光——使之穿过半导体晶片。对弱光进行小量的改变，就能调制在晶体内的干涉条件，使强光的传输发生较大的改变，其放大倍数可达到十倍。因这种器件是根据光学相位转移的原理而工作的，我们把它叫做“转相器”。
经过去一年的进展，我们现在可以说我们至少找到对激光束进行控制或加工的新手段。然而更为重要的是，我们已经创造了一套光学线路元件，在概念上说，用这些元件可以构成“全光学式”计算机。若充分发挥其在速度上的优越性，这条进军路线将能对约瑟夫逊结或高速线路的大规模集成提出挑战，同时它又是与光纤维传输直接相容的。最后，这种器件直径只有几微米那么小，又使它适宜于做成波导管或集成光学系统——即成为现今计算机核心的电子集成线路的光学翻板。
[New Scientist 1980年2月21日]