Оптический транзистор

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

Поскольку фотоны по своей природе не взаимодействуют друг с другом, оптический транзистор должен использовать рабочую среду для обеспечения взаимодействия. Это делается без преобразования оптических сигналов в электронные в качестве промежуточного этапа. Были предложены и экспериментально продемонстрированы реализации с использованием различных операционных сред. Однако их возможности конкурировать с современной электроникой в настоящее время ограничены.

Приложения

Оптические транзисторы могут быть использованы для улучшения производительности волоконно-оптических сетей связи. Хотя оптоволоконные кабели для передачи данных используются , такие задачи, как маршрутизация сигнала, выполняются электронным способом. Для этого требуется оптико-электронно-оптическое преобразование, которое образует узкие места. В принципе, полностью оптическая цифровая обработка и маршрутизация сигналов достижимы с использованием оптических транзисторов, объединенных в фотонные интегральные схемы . ^[2] Эти же устройства могут быть использованы для создания новых типов оптических усилителей для компенсации затухания сигнала в линиях передачи.

Более сложным применением оптических транзисторов является разработка оптического цифрового компьютера, в котором сигналы являются фотонными (т. е. средствами передачи света), а не электронными (провода). Кроме того, оптические транзисторы, работающие с использованием одиночных фотонов, могут стать неотъемлемой частью обработки квантовой информации , где их можно будет использовать для выборочной адресации отдельных единиц квантовой информации, известных как кубиты .

Оптические транзисторы теоретически могут быть невосприимчивы к сильному излучению космоса и внеземных планет, в отличие от электронных транзисторов, которые страдают от однократного сбоя .

Сравнение с электроникой

Наиболее распространенный аргумент в пользу оптической логики заключается в том, что время переключения оптических транзисторов может быть намного быстрее, чем у обычных электронных транзисторов. Это связано с тем, что скорость света в оптической среде обычно намного превышает скорость дрейфа электронов в полупроводниках.

Оптические транзисторы могут быть напрямую подключены к оптоволоконным кабелям, тогда как электроника требует подключения через фотодетекторы и светодиоды или лазеры . Более естественная интеграция полностью оптических процессоров сигналов с волоконной оптикой уменьшит сложность и задержки при маршрутизации и другой обработке сигналов в сетях оптической связи.

Остается сомнительным, может ли оптическая обработка уменьшить энергию, необходимую для переключения одного транзистора, до уровня, меньшего, чем для электронных транзисторов. Чтобы реально конкурировать, транзисторам требуется несколько десятков фотонов за операцию. Однако ясно, что это достижимо в предлагаемых однофотонных транзисторах. ^[3] ^[4] для квантовой обработки информации.

Пожалуй, наиболее значительным преимуществом оптической логики перед электронной является снижение энергопотребления. Это происходит из-за отсутствия емкости в соединениях между отдельными логическими элементами . В электронике линия передачи должна быть заряжена до сигнального напряжения . Емкость линии передачи пропорциональна ее длине и превышает емкость транзисторов в логическом затворе, когда ее длина равна длине одного затвора. Зарядка линий передачи является одной из основных потерь энергии в электронной логике. Этих потерь можно избежать в оптической связи, где по линии должно передаваться только достаточно энергии для переключения оптического транзистора на приемной стороне. Этот факт сыграл важную роль в распространении оптоволокна для связи на большие расстояния, но его еще предстоит использовать на уровне микропроцессора.

Помимо потенциальных преимуществ более высокой скорости, более низкого энергопотребления и высокой совместимости с системами оптической 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 по скорости и энергопотреблению современную электронику.

Критерии включают в себя:

Разветвление - Транзисторный выход должен быть правильной формы и иметь достаточную мощность для работы входов как минимум двух транзисторов. Это означает, что входные и выходные длины волн , формы луча и формы импульсов должны быть совместимыми.
Восстановление логического уровня. Сигнал необходимо «очистить» каждым транзистором. Шум и ухудшение качества сигнала должны быть удалены, чтобы они не распространялись по системе и не накапливались, вызывая ошибки.
Логический уровень не зависит от потерь. При оптической связи интенсивность сигнала уменьшается с расстоянием из-за поглощения света в оптоволоконном кабеле. Следовательно, простой порог интенсивности не может различать сигналы включения и выключения для межсоединений произвольной длины. Система должна кодировать нули и единицы на разных частотах, использовать дифференциальную сигнализацию, где соотношение или разница двух разных степеней несет логический сигнал, чтобы избежать ошибок.

Реализации

Было предложено несколько схем реализации полностью оптических транзисторов. Во многих случаях подтверждение концепции было продемонстрировано экспериментально. Среди конструкций есть конструкции, основанные на:

электромагнитно-индуцированная прозрачность
- в оптическом резонаторе или микрорезонаторе, где пропускание контролируется более слабым потоком затворных фотонов ^[6]^[7]
- в свободном пространстве, т. е. без резонатора, путем обращения к сильно взаимодействующим ридберговским состояниям ^[8]^[9]
система непрямых экситонов (состоящая из связанных пар электронов и дырок в двойных квантовых ямах со статическим дипольным моментом ). Косвенные экситоны, которые создаются светом и распадаются с выделением света, сильно взаимодействуют из-за своего дипольного выравнивания. ^[10]^[11]
система поляритонов микрорезонаторов ( экситон-поляритонов внутри оптического микрорезонатора ), в которой, подобно оптическим транзисторам на основе экситонов, поляритоны способствуют эффективному взаимодействию между фотонами ^[12]
фотонно-кристаллические резонаторы 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, расположенные на пути оптического сигнала. Фотоны затвора нагревают кремниевое микрокольцо, вызывая сдвиг оптической резонансной частоты, что приводит к изменению прозрачности на заданной частоте оптического источника питания. ^[16]
оптический резонатор с двумя зеркалами, который удерживает около 20 000 атомов цезия , захваченных с помощью оптических пинцетов и охлажденных лазером до нескольких микрокельвинов . Ансамбль цезия не взаимодействовал со светом и поэтому был прозрачным. Длина пути туда и обратно между зеркалами резонатора равнялась целому кратному длине волны источника падающего света, что позволяло резонатору передавать свет источника. Фотоны из светового поля затвора попадали в резонатор сбоку, где каждый фотон взаимодействовал с дополнительным «управляющим» световым полем, изменяя состояние одного атома на резонансное с оптическим полем резонатора, что изменяло резонансную длину волны поля и блокировало передачу поле источника, тем самым «переключая» «устройство». Хотя измененный атом остается неопознанным, квантовая интерференция позволяет извлечь фотон затвора из цезия. Один затворный фотон мог перенаправить исходное поле, содержащее до двух фотонов, прежде чем извлечение затворного фотона было затруднено, что превышает критический порог для положительного усиления. ^[17]
в концентрированном водном растворе, содержащем йодид-анионы ^[18]

См. также

Ссылки

^ Хуэй, Дандан; Алькаттан, Хусейн; Чжан, Симин; Первак, Владимир; Чоудхури, Энам; Хасан, Мохаммед Т. (24 февраля 2023 г.). «Сверхбыстрое оптическое переключение и кодирование данных на синтезированных световых полях» . Достижения науки . 9 (8): eadf1015. дои : 10.1126/sciadv.adf1015 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 9946343 . ПМИД 36812316 .
^ Джин, К.-Ю.; Вада, О. (март 2014 г.). «Фотонные переключающие устройства на основе полупроводниковых наноструктур». Физический журнал Д. 47 (13): 133001. arXiv : 1308.2389 . Бибкод : 2014JPhD...47m3001J . дои : 10.1088/0022-3727/47/13/133001 . S2CID 118513312 .
^ Ноймайер, Л.; Лейб, М.; Хартманн, MJ (2013). «Однофотонный транзистор в схемной квантовой электродинамике». Письма о физических отзывах . 111 (6): 063601. arXiv : 1211.7215 . Бибкод : 2013PhRvL.111f3601N . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.063601 . ПМИД 23971573 . S2CID 29256835 .
^ Хонг, ФЮ; Сюн, SJ (2008). «Однофотонный транзистор с использованием микротороидальных резонаторов». Физический обзор А. 78 (1): 013812. Бибкод : 2008PhRvA..78a3812H . дои : 10.1103/PhysRevA.78.013812 .
^ Миллер, DAB (2010). «Являются ли оптические транзисторы следующим логичным шагом?» (PDF) . Природная фотоника . 4 (1): 3–5. Бибкод : 2010NaPho...4....3M . дои : 10.1038/nphoton.2009.240 .
^ Чен, В.; Бек, К.М.; Бакер, Р.; Галланс, М.; Лукин, доктор медицинских наук; Танджи-Сузуки, Х.; Вулетич, В. (2013). «Полностью оптический переключатель и транзистор, управляемый одним сохраненным фотоном». Наука . 341 (6147): 768–70. arXiv : 1401.3194 . Бибкод : 2013Sci...341..768C . дои : 10.1126/science.1238169 . ПМИД 23828886 . S2CID 6641361 .
^ Кладер, Б.Д.; Хендриксон, С.М. (2013). «Цельнооптический транзистор на основе микрорезонатора». Журнал Оптического общества Америки Б. 30 (5): 1329. arXiv : 1210.0814 . Бибкод : 2013JOSAB..30.1329C . дои : 10.1364/JOSAB.30.001329 . S2CID 119220800 .
^ Горнячик, Х.; Тресп, К.; Шмидт, Дж.; Феддер, Х.; Хофферберт, С. (2014). «Однофотонный транзистор, опосредованный межгосударственными ридберговскими взаимодействиями». Письма о физических отзывах . 113 (5): 053601. arXiv : 1404.2876 . Бибкод : 2014PhRvL.113e3601G . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053601 . ПМИД 25126918 . S2CID 20939989 .
^ Тиаркс, Д.; Баур, С.; Шнайдер, К.; Дюрр, С.; Ремпе, Г. (2014). «Однофотонный транзистор, использующий резонанс Фёрстера». Письма о физических отзывах . 113 (5): 053602. arXiv : 1404.3061 . Бибкод : 2014PhRvL.113e3602T . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053602 . ПМИД 25126919 . S2CID 14870149 .
^ Андреаку, П.; Полтавцев С.В.; Леонард-младший; Кальман, Э.В.; Ремейка, М.; Кузнецова Ю.Ю.; Бутов Л.В.; Уилкс, Дж.; Хэнсон, М.; Госсард, AC (2014). «Оптически управляемый экситонный транзистор». Письма по прикладной физике . 104 (9): 091101. arXiv : 1310.7842 . Бибкод : 2014ApPhL.104i1101A . дои : 10.1063/1.4866855 . S2CID 5556763 .
^ Кузнецова Ю.Ю.; Ремейка, М.; Высокий, АА; Хаммак, AT; Бутов Л.В.; Хэнсон, М.; Госсард, AC (2010). «Полностью оптический экситонный транзистор». Оптические письма . 35 (10): 1587–9. Бибкод : 2010OptL...35.1587K . дои : 10.1364/OL.35.001587 . ПМИД 20479817 .
^ 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 . дои : 10.1038/ncomms2734 . ПМИД 23653190 . S2CID 11160378 .
^ Архипкин В.Г.; Мысливец, С.А. (2013). «Полностью оптический транзистор с фотонно-кристаллическим резонатором с активной рамановской усиливающей средой». Физический обзор А. 88 (3): 033847. Бибкод : 2013PhRvA..88c3847A . дои : 10.1103/PhysRevA.88.033847 .
^ 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 . ПМИД 25218324 . S2CID 28467862 .
^ Пиччоне, Б.; Чо, Швейцария; Ван Вугт, ЛК; Агарвал, Р. (2012). «Полностью оптическое активное переключение в отдельных полупроводниковых нанопроволоках». Природные нанотехнологии . 7 (10): 640–5. Бибкод : 2012НатНа...7..640П . дои : 10.1038/nnano.2012.144 . ПМИД 22941404 .
^ 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. дои : 10.1364/FIO.2012.FW6C.6 . ISBN 978-1-55752-956-5 . ПМК 5269724 . ПМИД 28133636 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ Волц, Дж.; Раушенбойтель, А. (2013). «Запуск оптического транзистора одним фотоном». Наука . 341 (6147): 725–6. Бибкод : 2013Sci...341..725V . дои : 10.1126/science.1242905 . ПМИД 23950521 . S2CID 35684657 .
^ Бухманн, А.; Хоберг, К.; Новелли, Ф. (2022). «Сверхбыстрый жидкостный переключатель для терагерцового излучения» . АПЛ Фотоника . 7 (121302): 121302. Бибкод : 2022APLP....7l1302B . дои : 10.1063/5.0130236 .

[1] Хуэй, Дандан; Алькаттан, Хусейн; Чжан, Симин; Первак, Владимир; Чоудхури, Энам; Хасан, Мохаммед Т. (24 февраля 2023 г.). «Сверхбыстрое оптическое переключение и кодирование данных на синтезированных световых полях» . Достижения науки . 9 (8): eadf1015. дои : 10.1126/sciadv.adf1015 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 9946343 . ПМИД 36812316 .

[2] Джин, К.-Ю.; Вада, О. (март 2014 г.). «Фотонные переключающие устройства на основе полупроводниковых наноструктур». Физический журнал Д. 47 (13): 133001. arXiv : 1308.2389 . Бибкод : 2014JPhD...47m3001J . дои : 10.1088/0022-3727/47/13/133001 . S2CID 118513312 .

[3] Ноймайер, Л.; Лейб, М.; Хартманн, MJ (2013). «Однофотонный транзистор в схемной квантовой электродинамике». Письма о физических отзывах . 111 (6): 063601. arXiv : 1211.7215 . Бибкод : 2013PhRvL.111f3601N . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.063601 . ПМИД 23971573 . S2CID 29256835 .

[4] Хонг, ФЮ; Сюн, SJ (2008). «Однофотонный транзистор с использованием микротороидальных резонаторов». Физический обзор А. 78 (1): 013812. Бибкод : 2008PhRvA..78a3812H . дои : 10.1103/PhysRevA.78.013812 .

[5] Миллер, DAB (2010). «Являются ли оптические транзисторы следующим логичным шагом?» (PDF) . Природная фотоника . 4 (1): 3–5. Бибкод : 2010NaPho...4....3M . дои : 10.1038/nphoton.2009.240 .

[6] Чен, В.; Бек, К.М.; Бакер, Р.; Галланс, М.; Лукин, доктор медицинских наук; Танджи-Сузуки, Х.; Вулетич, В. (2013). «Полностью оптический переключатель и транзистор, управляемый одним сохраненным фотоном». Наука . 341 (6147): 768–70. arXiv : 1401.3194 . Бибкод : 2013Sci...341..768C . дои : 10.1126/science.1238169 . ПМИД 23828886 . S2CID 6641361 .

[7] Кладер, Б.Д.; Хендриксон, С.М. (2013). «Цельнооптический транзистор на основе микрорезонатора». Журнал Оптического общества Америки Б. 30 (5): 1329. arXiv : 1210.0814 . Бибкод : 2013JOSAB..30.1329C . дои : 10.1364/JOSAB.30.001329 . S2CID 119220800 .

[8] Горнячик, Х.; Тресп, К.; Шмидт, Дж.; Феддер, Х.; Хофферберт, С. (2014). «Однофотонный транзистор, опосредованный межгосударственными ридберговскими взаимодействиями». Письма о физических отзывах . 113 (5): 053601. arXiv : 1404.2876 . Бибкод : 2014PhRvL.113e3601G . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053601 . ПМИД 25126918 . S2CID 20939989 .

[9] Тиаркс, Д.; Баур, С.; Шнайдер, К.; Дюрр, С.; Ремпе, Г. (2014). «Однофотонный транзистор, использующий резонанс Фёрстера». Письма о физических отзывах . 113 (5): 053602. arXiv : 1404.3061 . Бибкод : 2014PhRvL.113e3602T . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.053602 . ПМИД 25126919 . S2CID 14870149 .

[10] Андреаку, П.; Полтавцев С.В.; Леонард-младший; Кальман, Э.В.; Ремейка, М.; Кузнецова Ю.Ю.; Бутов Л.В.; Уилкс, Дж.; Хэнсон, М.; Госсард, AC (2014). «Оптически управляемый экситонный транзистор». Письма по прикладной физике . 104 (9): 091101. arXiv : 1310.7842 . Бибкод : 2014ApPhL.104i1101A . дои : 10.1063/1.4866855 . S2CID 5556763 .

[11] Кузнецова Ю.Ю.; Ремейка, М.; Высокий, АА; Хаммак, AT; Бутов Л.В.; Хэнсон, М.; Госсард, AC (2010). «Полностью оптический экситонный транзистор». Оптические письма . 35 (10): 1587–9. Бибкод : 2010OptL...35.1587K . дои : 10.1364/OL.35.001587 . ПМИД 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 . дои : 10.1038/ncomms2734 . ПМИД 23653190 . S2CID 11160378 .

[13] Архипкин В.Г.; Мысливец, С.А. (2013). «Полностью оптический транзистор с фотонно-кристаллическим резонатором с активной рамановской усиливающей средой». Физический обзор А. 88 (3): 033847. Бибкод : 2013PhRvA..88c3847A . дои : 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 . ПМИД 25218324 . S2CID 28467862 .

[15] Пиччоне, Б.; Чо, Швейцария; Ван Вугт, ЛК; Агарвал, Р. (2012). «Полностью оптическое активное переключение в отдельных полупроводниковых нанопроволоках». Природные нанотехнологии . 7 (10): 640–5. Бибкод : 2012НатНа...7..640П . дои : 10.1038/nnano.2012.144 . ПМИД 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. дои : 10.1364/FIO.2012.FW6C.6 . ISBN 978-1-55752-956-5 . ПМК 5269724 . ПМИД 28133636 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[17] Волц, Дж.; Раушенбойтель, А. (2013). «Запуск оптического транзистора одним фотоном». Наука . 341 (6147): 725–6. Бибкод : 2013Sci...341..725V . дои : 10.1126/science.1242905 . ПМИД 23950521 . S2CID 35684657 .

[18] Бухманн, А.; Хоберг, К.; Новелли, Ф. (2022). «Сверхбыстрый жидкостный переключатель для терагерцового излучения» . АПЛ Фотоника . 7 (121302): 121302. Бибкод : 2022APLP....7l1302B . дои : 10.1063/5.0130236 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]