Оптический транзистор

Оптический транзистор , также известный как оптический переключатель или световой клапан , представляет собой устройство, которое переключает или усиливает оптические сигналы . Свет, возникающий на входе оптического транзистора, изменяет интенсивность света, излучаемого с выхода транзистора, в то время как выходная мощность подается дополнительным оптическим источником. Поскольку интенсивность входного сигнала может быть слабее, чем у источника, оптический транзистор усиливает оптический сигнал. Устройство является оптическим аналогом электронного транзистора, который составляет основу современных электронных устройств. Оптические транзисторы предоставляют средства для управления светом, используя только свет, и имеют применение в оптических вычислениях и волоконно-оптических сетях связи. Такая технология имеет потенциал превзойти скорость электроники ^{[ необходима ссылка ]} , при этом сохраняя больше энергии . Самый быстрый продемонстрированный полностью оптический сигнал переключения составляет 900 аттосекунд (аттосекунда = 10^-18 секунды), что прокладывает путь к разработке сверхбыстрых оптических транзисторов. ^[1]

Поскольку фотоны по своей сути не взаимодействуют друг с другом, оптический транзистор должен использовать рабочую среду для опосредования взаимодействий. Это делается без преобразования оптических сигналов в электронные в качестве промежуточного шага. Были предложены и экспериментально продемонстрированы реализации с использованием различных рабочих сред. Однако их способность конкурировать с современной электроникой в ​​настоящее время ограничена.

Приложения

Оптические транзисторы могут быть использованы для улучшения производительности волоконно-оптических сетей связи. Хотя волоконно-оптические кабели используются для передачи данных, такие задачи, как маршрутизация сигнала, выполняются электронным способом. Это требует опто-электронно-оптического преобразования, которое образует узкие места. В принципе, полностью оптическая цифровая обработка и маршрутизация сигналов достижима с использованием оптических транзисторов, организованных в фотонные интегральные схемы . ^[2] Те же устройства могут быть использованы для создания новых типов оптических усилителей для компенсации затухания сигнала вдоль линий передачи.

Более сложным применением оптических транзисторов является разработка оптического цифрового компьютера, в котором сигналы являются фотонными (т. е. передающими свет средами), а не электронными (проводами). Кроме того, оптические транзисторы, работающие с использованием отдельных фотонов, могут стать неотъемлемой частью квантовой обработки информации , где их можно использовать для выборочного обращения к отдельным единицам квантовой информации, известным как кубиты .

Оптические транзисторы теоретически могут быть невосприимчивы к высокому уровню радиации космоса и внеземных планет, в отличие от электронных транзисторов, которые подвержены сбоям в результате единичного события .

Сравнение с электроникой

Наиболее часто приводимый аргумент в пользу оптической логики заключается в том, что время переключения оптического транзистора может быть намного быстрее, чем у обычных электронных транзисторов. Это связано с тем, что скорость света в оптической среде обычно намного выше скорости дрейфа электронов в полупроводниках.

Оптические транзисторы могут быть напрямую связаны с оптоволоконными кабелями , тогда как электроника требует соединения через фотодетекторы и светодиоды или лазеры . Более естественная интеграция полностью оптических сигнальных процессоров с оптоволокном уменьшит сложность и задержку в маршрутизации и другой обработке сигналов в оптических сетях связи.

Остается под вопросом, может ли оптическая обработка уменьшить энергию, необходимую для переключения одного транзистора, чтобы она была меньше, чем у электронных транзисторов. Чтобы реально конкурировать, транзисторам требуется несколько десятков фотонов на операцию. Однако ясно, что это достижимо в предлагаемых однофотонных транзисторах ^{[3] [4]} для квантовой обработки информации.

Возможно, наиболее значительным преимуществом оптической логики перед электронной является снижение энергопотребления. Это происходит из-за отсутствия емкости в соединениях между отдельными логическими вентилями . В электронике линия передачи должна быть заряжена до напряжения сигнала. Емкость линии передачи пропорциональна ее длине и превышает емкость транзисторов в логическом вентиле, когда ее длина равна длине одного вентиля. Зарядка линий передачи является одной из основных потерь энергии в электронной логике. Этих потерь избегают в оптической связи, где по линии необходимо передавать только достаточно энергии для переключения оптического транзистора на приемном конце. Этот факт сыграл важную роль в освоении волоконной оптики для дальней связи, но еще не использовался на уровне микропроцессора.

Помимо потенциальных преимуществ более высокой скорости, более низкого энергопотребления и высокой совместимости с оптическими системами связи, оптические транзисторы должны соответствовать ряду критериев, прежде чем они смогут конкурировать с электроникой. ^[5] Ни одна конструкция еще не удовлетворяла всем этим критериям, превосходя при этом по скорости и энергопотреблению современную электронику.

Критерии включают в себя:

• Разветвление - Выход транзистора должен быть в правильной форме и иметь достаточную мощность для работы входов как минимум двух транзисторов. Это подразумевает, что входные и выходные длины волн , формы луча и формы импульса должны быть совместимы.
• Восстановление логического уровня - Сигнал должен быть «очищен» каждым транзистором. Шум и ухудшение качества сигнала должны быть удалены, чтобы они не распространялись по системе и не накапливались, вызывая ошибки.
• Логический уровень, не зависящий от потерь - В оптической связи интенсивность сигнала уменьшается с расстоянием из-за поглощения света в оптоволоконном кабеле. Поэтому простой порог интенсивности не может различать сигналы включения и выключения для соединений произвольной длины. Система должна кодировать нули и единицы на разных частотах, использовать дифференциальную сигнализацию, где отношение или разность двух разных мощностей переносит логический сигнал, чтобы избежать ошибок.

Реализации

Было предложено несколько схем для реализации полностью оптических транзисторов. Во многих случаях экспериментально было продемонстрировано доказательство концепции. Среди конструкций есть те, которые основаны на:

• электромагнитно-индуцированная прозрачность
  • в оптической полости или микрорезонаторе, где передача контролируется более слабым потоком затворных фотонов ^{[6] [7]}
  • в свободном пространстве, т.е. без резонатора, путем рассмотрения сильно взаимодействующих состояний Ридберга ^{[8] [9]}
• система непрямых экситонов (состоящих из связанных пар электронов и дырок в двойных квантовых ямах со статическим дипольным моментом ). Непрямые экситоны, которые создаются светом и распадаются, испуская свет, сильно взаимодействуют из-за их дипольного выравнивания. ^{[10] [11]}
• система микрорезонаторных поляритонов ( экситон-поляритоны внутри оптической микрорезонатора ), где, подобно оптическим транзисторам на основе экситонов, поляритоны способствуют эффективному взаимодействию между фотонами ^[12]
• фотонные кристаллические полости с активной рамановской усиливающей средой ^[13]
• Переключатель полости модулирует свойства полости во временной области для приложений квантовой информации. ^[14]
• Резонаторы на основе нанопроволок, использующие поляритонные взаимодействия для оптического переключения ^[15]
• кремниевые микрокольца, помещенные на пути оптического сигнала. Затворные фотоны нагревают кремниевое микрокольцо, вызывая сдвиг оптической резонансной частоты, что приводит к изменению прозрачности на заданной частоте оптического питания. ^[16]
• оптическая полость с двумя зеркалами, которая удерживает около 20 000 атомов цезия , захваченных с помощью оптического пинцета и охлажденных лазером до нескольких микрокельвинов . Ансамбль цезия не взаимодействовал со светом и, таким образом, был прозрачным. Длина кругового пути между зеркалами полости равнялась целому кратному длины волны источника падающего света, что позволяло полости пропускать исходный свет. Фотоны из светового поля затвора входили в полость сбоку, где каждый фотон взаимодействовал с дополнительным «контрольным» световым полем, изменяя состояние одного атома, чтобы оно было резонансным с оптическим полем полости, что изменяло резонансную длину волны поля и блокировало передачу исходного поля, тем самым «переключая» «устройство». В то время как измененный атом остается неопознанным, квантовая интерференция позволяет извлечь затворный фотон из цезия. Один затворный фотон мог перенаправить исходное поле, содержащее до двух фотонов, прежде чем извлечение затворного фотона было бы затруднено, выше критического порога для положительного усиления. ^[17]
• в концентрированном водном растворе, содержащем анионы иодида ^[18]

Смотрите также

• Оптическая сеть на чипе
• Оптическое соединение
• Оптический переключатель
• Параллельный оптический интерфейс
• Оптическая связь
• Оптоволоконный кабель
• Фотоника
• Оптоэлектроника
• Электроника
• Транзистор
• Оптическая физика
• Свет
• Фотоны
• Оптика
• Лазеры
• Диоды
• Полупроводники
• Электрические элементы
• Электронные компоненты

Ссылки

1. Хуэй, Дандан; Алькаттан, Хусейн; Чжан, Симин; Первак, Владимир; Чоудхури, Энам; Хассан, Мохаммед Т. (24.02.2023). «Сверхбыстрое оптическое переключение и кодирование данных в синтезированных световых полях». Science Advances . 9 (8): eadf1015. doi :10.1126/sciadv.adf1015. ISSN  2375-2548. PMC 9946343.  PMID 36812316  .
2. Jin, C.-Y.; Wada, O. (март 2014 г.). "Фотонные переключающие устройства на основе полупроводниковых наноструктур". Journal of Physics D . 47 (13): 133001. arXiv : 1308.2389 . Bibcode :2014JPhD...47m3001J. doi :10.1088/0022-3727/47/13/133001. S2CID  118513312.
3. Ноймайер, Л.; Лейб, М.; Хартманн, М.Дж. (2013). «Однофотонный транзистор в квантовой электродинамике цепей». Physical Review Letters . 111 (6): 063601. arXiv : 1211.7215 . Bibcode : 2013PhRvL.111f3601N. doi : 10.1103/PhysRevLett.111.063601. PMID  23971573. S2CID  29256835.
4. Хонг, ФЙ; Сюн, СДж (2008). «Однофотонный транзистор с использованием микротороидальных резонаторов». Physical Review A. 78 ( 1): 013812. Bibcode : 2008PhRvA..78a3812H. doi : 10.1103/PhysRevA.78.013812.
5. Миллер, Д.А.Б. (2010). «Являются ли оптические транзисторы следующим логическим шагом?» (PDF) . Nature Photonics . 4 (1): 3–5. Bibcode :2010NaPho...4....3M. doi : 10.1038/nphoton.2009.240 .
6. Чен, В.; Бек, К. М.; Бакер, Р.; Гулланс, М.; Лукин, М. Д.; Танджи-Сузуки, Х.; Вулетик, В. (2013). «Полностью оптический переключатель и транзистор, управляемый одним сохраненным фотоном». Science . 341 (6147): 768–70. arXiv : 1401.3194 . Bibcode :2013Sci...341..768C. doi :10.1126/science.1238169. PMID  23828886. S2CID  6641361.
7. Клэйдер, Б. Д.; Хендриксон, С. М. (2013). «Полностью оптический транзистор на основе микрорезонатора». Журнал оптического общества Америки B. 30 ( 5): 1329. arXiv : 1210.0814 . Bibcode : 2013JOSAB..30.1329C. doi : 10.1364/JOSAB.30.001329. S2CID  119220800.
8. Gorniaczyk, H.; Tresp, C.; Schmidt, J.; Fedder, H.; Hofferberth, S. (2014). "Однофотонный транзистор, опосредованный межгосударственными ридберговскими взаимодействиями". Physical Review Letters . 113 (5): 053601. arXiv : 1404.2876 . Bibcode : 2014PhRvL.113e3601G. doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053601. PMID  25126918. S2CID  20939989.
9. Tiarks, D.; Baur, S.; Schneider, K.; Dürr, S.; Rempe, G. (2014). «Однофотонный транзистор с использованием резонанса Фёрстера». Physical Review Letters . 113 (5): 053602. arXiv : 1404.3061 . Bibcode : 2014PhRvL.113e3602T. doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053602. PMID  25126919. S2CID  14870149.
10. Андреаку, П.; Полтавцев, СВ; Леонард, ДЖР; Калман, ЕВ; Ремейка, М.; Кузнецова, ЙЮ; Бутов, ЛВ; Уилкс, ДЖ.; Хансон, М.; Госсард, АЦ (2014). "Оптически управляемый экситонный транзистор". Applied Physics Letters . 104 (9): 091101. arXiv : 1310.7842 . Bibcode :2014ApPhL.104i1101A. doi :10.1063/1.4866855. S2CID  5556763.
11. Кузнецова, YY; Ремейка, M.; Хай, AA; Хаммак, AT; Бутов, LV; Хансон, M.; Госсард, AC (2010). "Полностью оптический экситонный транзистор". Optics Letters . 35 (10): 1587–9. Bibcode :2010OptL...35.1587K. doi :10.1364/OL.35.001587. PMID  20479817.
12. Балларини, Д.; Де Джорджи, М.; Канчельери, Э.; Удре, Р.; Джакобино, Э.; Чинголани, Р.; Брамати, А.; Джильи, Г.; Санвитто, Д. (2013). «Полностьюоптический поляритонный транзистор». Природные коммуникации . 4 : 1778. arXiv : 1201.4071 . Бибкод : 2013NatCo...4.1778B. doi : 10.1038/ncomms2734. PMID  23653190. S2CID  11160378.
13. Архипкин, В.Г.; Мысливец, СА (2013). «Полностью оптический транзистор с использованием фотонно-кристаллического резонатора с активной рамановской усиливающей средой». Physical Review A. 88 ( 3): 033847. Bibcode : 2013PhRvA..88c3847A. doi : 10.1103/PhysRevA.88.033847.
14. Джин, К.-Ю.; Джон, Р.; Свинкелс, М.; Хоанг, Т.; Мидоло, Л.; ван Вельдховен, П.Дж.; Фиоре, А. (ноябрь 2014 г.). «Сверхбыстрый нелокальный контроль спонтанного излучения». Природные нанотехнологии . 9 (11): 886–890. arXiv : 1311.2233 . Бибкод : 2014NatNa...9..886J. дои : 10.1038/nnano.2014.190. PMID  25218324. S2CID  28467862.
15. Piccione, B.; Cho, CH; Van Vugt, LK; Agarwal, R. (2012). «Полностью оптическое активное переключение в отдельных полупроводниковых нанопроводах». Nature Nanotechnology . 7 (10): 640–5. Bibcode : 2012NatNa...7..640P. doi : 10.1038/nnano.2012.144. PMID  22941404.
16. Варгезе, LT; Фан, Л.; Ван, Дж.; Ган, Ф.; Ван, X.; Вирт, Дж.; Ню, Б.; Тансаравипут, К.; Сюань, Ю.; Вайнер, AM; Ци, М. (2012). «Кремниевый оптический транзистор». Границы оптики 2012/Laser Science XXVIII . Том. 2012. стр. FW6C.FW66. doi :10.1364/FIO.2012.FW6C.6. ISBN 978-1-55752-956-5. PMC  5269724 . PMID  28133636. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
17. Volz, J.; Rauschenbeutel, A. (2013). «Запуск оптического транзистора одним фотоном». Science . 341 (6147): 725–6. Bibcode :2013Sci...341..725V. doi :10.1126/science.1242905. PMID  23950521. S2CID  35684657.
18. Бухманн, А.; Хоберг, К.; Новелли, Ф. (2022). «Сверхбыстрый жидкостный переключатель для терагерцового излучения». APL Photonics . 7 (121302): 121302. Bibcode :2022APLP....7l1302B. doi : 10.1063/5.0130236 .