Транзисторный лазер
Транзисторный лазер — это полупроводниковое устройство, которое функционирует как транзистор с электрическим выходом и оптическим выходом, в отличие от типичных двух электрических выходов. Этот оптический выход отличает его от типичных транзисторов, и, поскольку оптические сигналы распространяются быстрее, чем электрические сигналы, он потенциально может значительно ускорить вычисления. Исследователи, открывшие транзисторный лазер, разработали новую модель действующего закона Кирхгофа, чтобы лучше моделировать поведение одновременного оптического и электрического выходного сигнала.
Открытие [ править ]
Группу, которой приписывают открытие транзисторного лазера, возглавляли Милтон Фенг и Ник Холоньяк-младший , и она базировалась в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн . Исследования транзисторного лазера начались после того, как Фэн и Холоньяк создали первый светоизлучающий транзистор. [1] в 2004 году. [2] Затем Фэн и его команда модифицировали светоизлучающий транзистор, чтобы фокусировать выходной свет в лазерный луч. Их исследование финансировалось DARPA . [3] Статья, написанная об открытии транзисторного лазера, вошла в пятерку лучших статей за всю историю журнала Applied Physics Letters , а транзисторный лазер был назван журналом Discover одним из 100 лучших открытий . [1]
Конструкция транзистора [ править ]
Транзисторный лазер функционирует как обычный транзистор, но излучает через один из своих выходов инфракрасный свет, а не электричество. Отражающая полость внутри устройства фокусирует излучаемый свет в лазерный луч. Транзисторный лазер представляет собой биполярный транзистор с гетеропереходом (с использованием различных материалов между базой и эмиттерной областью), в котором используется квантовая яма в базовой области , вызывающая излучение инфракрасного света . Хотя все транзисторы во время работы излучают небольшое количество света, использование квантовой ямы увеличивает интенсивность светового потока почти в 40 раз. [4]
Лазерный выход устройства работает, когда квантовая яма в базовой области захватывает электроны, которые обычно отправляются через электрический выход. Эти электроны затем подвергаются процессу излучательной рекомбинации , во время которого электроны и положительно заряженные «дырки» рекомбинируют в базе. [5] Хотя этот процесс происходит во всех транзисторах, в транзисторном лазере он имеет чрезвычайно короткий срок службы — всего 30 пикосекунд, что позволяет работать быстрее. [3] Фотоны затем высвобождаются посредством вынужденного излучения . Свет отражается вперед и назад между отражающими стенками внутри излучателя шириной 2,2 микрометра. [6] который действует как резонансная полость . Наконец, свет излучается в виде лазера . [7]
Первоначально устройство было построено из слоев фосфида индия-галлия, арсенида галлия и арсенида индия-галлия, что не позволяло устройству работать без охлаждения жидким азотом. [3] Современные материалы допускают работу при температуре 25 °C. [8] и работа в непрерывном режиме (непрерывное излучение света) [9] на частоте 3 ГГц. [7] Транзисторный лазер может производить лазерный выход без какого-либо резонансного пика в частотной характеристике. Он также не страдает от нежелательного собственного резонанса, который приводит к ошибкам в передаваемой информации, для исправления которых потребуется сложная внешняя схема. [8]
Потенциал для ускорения работы компьютеров [ править ]
Несмотря на то, что транзисторный лазер до сих пор является лишь предметом исследований, существует немало предположений относительно того, для чего его можно использовать, особенно в вычислительной технике. Например, его оптические возможности можно использовать для передачи данных между чипами памяти , видеокартами или другими внутренними элементами компьютера. более быстрой [8] В настоящее время для оптоволоконной связи требуются передатчики, которые преобразуют электрические сигналы в импульсы света, а затем преобразователь на другом конце, чтобы преобразовывать эти импульсы обратно в электрические сигналы. [6] Это делает оптическую связь внутри компьютеров непрактичной. Однако оптическая связь внутри компьютеров вскоре может стать практичной, поскольку преобразование электричества в оптические сигналы и наоборот происходит внутри транзисторного лазера без необходимости использования внешних схем. Устройство также может ускорить текущую оптическую связь в других приложениях, например, при передаче больших объемов данных на большие расстояния. [3]
Кирхгофа Изменение законов
Исследовательская группа, открывшая транзисторный лазер, заявила, что один из законов Кирхгофа придется реконструировать, чтобы включить сохранение энергии, а не только ток и заряд . Поскольку транзисторный лазер обеспечивает два разных типа выходной мощности, группе исследователей, ответственных за транзисторный лазер, пришлось изменить нынешний закон Кирхгофа, чтобы он применим как к балансу энергии, так и к балансу заряда. [10] Это был первый случай, когда законы Кирхгофа были распространены не только на электроны, но и на фотоны . [11]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «|Физический факультет Университета I» . Physics.illinois.edu . Архивировано из оригинала 25 января 2013 г.
- ^ Клоппель, Джеймс Э. «Бюро новостей | Университет Иллинойса». Новый светоизлучающий транзистор может произвести революцию в электронной промышленности. Бюро новостей, 5 января 2004 г. Интернет. 12 ноября 2012 г. < http://news.illinois.edu/news/04/0105LET.html >.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д «Новый транзисторный лазер может привести к более быстрой обработке сигналов». ScienceDaily. ScienceDaily, 29 ноября 2004 г. Интернет. 18 октября 2012 г. < https://www.sciencedaily.com/releases/2004/11/041123210820.htm >.
- ^ Роу, Мартин. «Транзисторный лазер может изменить коммуникации». ТММир. Мир испытаний и измерений, 10 июля 2010 г. Интернет. 11 ноября 2012 г. < http://tmworld.com/design/manufacturing/4388168/Transistor-laser-could-change-communication >.
- ^ Трой, Чарльз Т. «Транзисторный лазер нарушает закон». Фотонные спектры. Laurin Publishing, август 2010 г. Интернет. 10 ноября 2012 г. < http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=43340 >.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Холоньяк, Ник-младший и Милтон Фэн. «Транзисторный лазер». IEEE-спектр. IEEE, февраль 2006 г. Интернет. 10 ноября 2012 г. < https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/the-transistor-laser/0 >.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Фэн М., Н. Холоньяк, Г. Уолтер и Р. Чан. «Работа лазера на биполярном транзисторе с гетеропереходом в непрерывном режиме при комнатной температуре». Письма по прикладной физике 87.13 (2005): 131103-31103-3. Распечатать.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Транзисторный лазер: радикальное, революционное устройство». Сложные полупроводники Галлий Арсенид индия Нитрид Светодиод InP SiC GaN. 01 февраля 2011 г. Интернет. 18 октября 2012 г. < http://www.compoundsemiconductor.net/csc/features-details.php?cat=features&id=19733050 >.
- ^ Пашотта, Рюдигер. «Операция непрерывной волны». Статья о работе в непрерывном режиме, Cw. RP Photonics и ND Web. 17 ноября 2012 г. < http://www.rp-photonics.com/continous_wave_operation.html >.
- ↑ Затем Х.В., Н. Холоньяк-младший и М. Фэн. «Модель микроволновой цепи трехпортового транзисторного лазера». ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ 108 (2010): н. стр. Веб.
- ^ «Переосмысление закона электрического тока с помощью транзисторного лазера». ScienceDaily. ScienceDaily, 17 мая. 2010. Интернет. 18 октября 2012 г. < https://www.sciencedaily.com/releases/2010/05/100512164335.htm >.