Оптический транзистор - Optical transistor

An оптический транзистор, также известный как оптический переключатель или свет клапан, это устройство, которое переключает или усиливает оптические сигналы. Свет, попадающий на вход оптического транзистора, изменяет интенсивность света, излучаемого на выходе транзистора, в то время как выходная мощность обеспечивается дополнительным оптическим источником. Поскольку интенсивность входного сигнала может быть ниже, чем у источника, оптический транзистор усиливает оптический сигнал. Устройство является оптическим аналогом электронный транзистор что составляет основу современных электронных устройств. Оптические транзисторы позволяют управлять светом, используя только свет, и находят применение в оптические вычисления и волоконно-оптическая связь сети. Такая технология может превзойти скорость электроники.[нужна цитата ], экономя больше мощность.

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

Приложения

Оптические транзисторы могут использоваться для повышения производительности волоконно-оптическая связь сети. Несмотря на то что волоконно-оптические кабели используются для передачи данных, такие задачи, как маршрутизация сигналов, выполняются в электронном виде. Это требует оптико-электронно-оптического преобразования, которое создает узкие места. В принципе полностью оптический цифровая обработка сигналов и маршрутизация достигается с помощью оптических транзисторов, расположенных в фотонные интегральные схемы [1]. Эти же устройства можно использовать для создания новых типов оптические усилители для компенсации затухания сигнала на линиях передачи.

Более сложным применением оптических транзисторов является разработка оптического цифрового компьютера, в котором компоненты обрабатывают фотоны, а не электроны. Кроме того, оптические транзисторы, которые работают с использованием одиночных фотонов, могут составлять неотъемлемую часть квантовая обработка информации где они могут использоваться для выборочной адресации отдельных единиц квантовой информации, известной как кубиты.

Сравнение с электроникой

Наиболее часто аргументированный довод в пользу оптической логики заключается в том, что время переключения оптических транзисторов может быть намного быстрее, чем в обычных электронных транзисторах. Это связано с тем, что скорость света в оптической среде обычно намного выше, чем скорость дрейфа электронов в полупроводниках.

Оптические транзисторы можно напрямую подключить к волоконно-оптические кабели тогда как электроника требует соединения через фотоприемники и Светодиоды или же лазеры. Более естественная интеграция полностью оптических сигнальных процессоров с волоконной оптикой снизит сложность и задержку при маршрутизации и другой обработке сигналов в оптических сетях связи.

Остается сомнительным, может ли оптическая обработка уменьшить энергию, необходимую для переключения одиночного транзистора, до уровня, меньшего, чем для электронных транзисторов. Чтобы реально конкурировать, транзисторам требуется несколько десятков фотонов на операцию. Однако ясно, что это достижимо в предлагаемых однофотонных транзисторах.[2][3] для квантовой обработки информации.

Возможно, наиболее значительным преимуществом оптической логики над электронной является снижение энергопотребления. Это происходит из-за отсутствия емкость в отношениях между отдельными логические ворота. В электронике линию передачи необходимо заряжать до напряжение сигнала. Емкость линии передачи пропорциональна ее длине и превышает емкость транзисторов в логическом вентиле, когда его длина равна длине одного затвора. Зарядка линий электропередачи - одна из основных потерь энергии в электронной логике. Этой потери можно избежать в оптической связи, где по линии должно передаваться только количество энергии, достаточное для переключения оптического транзистора на приемном конце. Этот факт сыграл важную роль в распространении волоконной оптики для связи на большие расстояния, но еще предстоит использовать на уровне микропроцессоров.

Помимо потенциальных преимуществ более высокой скорости, низкого энергопотребления и высокой совместимости с системами оптической связи, оптические транзисторы должны соответствовать ряду критериев, прежде чем они смогут конкурировать с электроникой.[4] Ни один дизайн еще не удовлетворял всем этим критериям, превосходя по скорости и энергопотреблению современную электронику.

Критерии включают:

  • Разветвление - транзисторный выход должен быть правильной формы и иметь достаточную мощность для работы входов как минимум двух транзисторов. Это означает, что вход и выход длины волн, формы луча и формы импульсов должны быть совместимы.
  • Восстановление логического уровня - сигнал должен быть «очищен» каждым транзистором. Шум и ухудшение качества сигнала должны быть устранены, чтобы они не распространялись по системе и не накапливались, вызывая ошибки.
  • Уровень логики не зависит от потерь - в оптической связи интенсивность сигнала уменьшается с увеличением расстояния 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, когда соотношение или разница двух разных мощностей переносит логический сигнал, чтобы избежать ошибок.

Реализации

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

  • электромагнитно-индуцированная прозрачность
  • система косвенных экситоны (состоит из связанных пар электроны и дыры в двойном квантовые ямы со статическим дипольный момент ). Непрямые экситоны, которые создаются светом и распадаются на излучение, сильно взаимодействуют из-за их дипольного выравнивания.[9][10]
  • система поляритонов микрорезонатора (экситон-поляритоны внутри оптический микрополость ) где, как и в оптических транзисторах на основе экситонов, поляритоны облегчить эффективное взаимодействие между фотонами[11]
  • фотонный кристалл резонаторы с активной рамановской усиливающей средой[12]
  • переключатель полости модулирует свойства полости во временной области для приложений квантовой информации [13].
  • нанопроволока резонаторы на основе поляритонных взаимодействий для оптического переключения[14]
  • кремниевые микрокольца, помещенные на пути оптического сигнала. Фотоны затвора нагревают кремниевое микрокольцо, вызывая сдвиг оптической резонансной частоты, что приводит к изменению прозрачности при заданной частоте оптического источника питания.[15]
  • оптический резонатор с двумя зеркалами, который вмещает около 20000 цезий атомы улавливаются с помощью оптического пинцета и охлаждаются лазером до нескольких микрокельвин. Ансамбль цезия не взаимодействовал со светом и поэтому был прозрачным. Длина кругового обхода между зеркалами резонатора равнялась целому кратному длине волны падающего источника света, что позволяло резонатору пропускать свет источника. Фотоны из светового поля затвора попадали в полость сбоку, где каждый фотон взаимодействовал с дополнительным «контрольным» световым полем, изменяя состояние отдельного атома, чтобы оно было резонансным с оптическим полем полости, что изменяет длину волны резонанса поля и блокирует передачу поле источника, тем самым «переключая» «устройство». Пока измененный атом остается неидентифицированным, квантовая интерференция позволяет извлекать фотон затвора из цезия. Одиночный фотон затвора может перенаправить поле источника, содержащее до двух фотонов, до того, как извлечение фотона затвора будет затруднено, выше критического порога для положительного усиления.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Jin, C.-Y .; Вада, О. (март 2014 г.). «Фотонные коммутационные устройства на основе полупроводниковых наноструктур». Журнал физики D. 47: 133001. arXiv:1308.2389. Bibcode:2014JPhD ... 47m3001J. Дои:10.1088/0022-3727/47/13/133001.
  2. ^ Neumeier, L .; Leib, M .; Хартманн, М. Дж. (2013). «Однофотонный транзистор в квантовой электродинамике схем». Письма с физическими проверками. 111 (6): 063601. arXiv:1211.7215. Bibcode:2013ПхРвЛ.111ф3601Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.063601. PMID  23971573.
  3. ^ Hong, F. Y .; Сюн, С. Дж. (2008). «Однофотонный транзистор на микротороидальных резонаторах». Физический обзор A. 78. Bibcode:2008PhRvA..78a3812H. Дои:10.1103 / PhysRevA.78.013812.
  4. ^ Миллер, Д. А. Б. (2010). «Являются ли оптические транзисторы следующим логическим шагом?» (PDF). Природа Фотоника. 4: 3–5. Bibcode:2010НаФо ... 4 .... 3M. Дои:10.1038 / nphoton.2009.240.
  5. ^ Chen, W .; Бек, К. М .; Bucker, R .; Gullans, M .; Лукин, М.Д .; Tanji-Suzuki, H .; Вулетик, В. (2013). «Полностью оптический переключатель и транзистор, управляемый одним сохраненным фотоном». Наука. 341 (6147): 768–70. arXiv:1401.3194. Bibcode:2013Наука ... 341..768C. Дои:10.1126 / science.1238169. PMID  23828886.
  6. ^ Clader, B.D .; 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. Дои:10.1364 / JOSAB.30.001329.
  7. ^ Gorniaczyk, H .; Tresp, C .; Schmidt, J .; Fedder, H .; Хофферберт, С. (2014). «Однофотонный транзистор, опосредованный межгосударственными ридберговскими взаимодействиями». Письма с физическими проверками. 113 (5): 053601. arXiv:1404.2876. Bibcode:2014PhRvL.113e3601G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.053601. PMID  25126918.
  8. ^ Tiarks, D .; Baur, S .; Schneider, K .; Dürr, S .; Ремпе, Г. (2014). "Однофотонный транзистор с использованием резонанса Фёрстера". Письма с физическими проверками. 113 (5). arXiv:1404.3061. Bibcode:2014ПхРвЛ.113э3602Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.053602.
  9. ^ Andreakou, P .; Полтавцев, С. В .; Леонард, Дж. Р .; Calman, E. V .; Ремейка, М .; Кузнецова Ю.Ю .; Бутов, Л. В .; Wilkes, J .; Hanson, M .; Госсард, А. С. (2014). «Оптически управляемый экситонный транзистор». Письма по прикладной физике. 104 (9): 091101. arXiv:1310.7842. Bibcode:2014АпФЛ.104и1101А. Дои:10.1063/1.4866855.
  10. ^ Кузнецова Ю.Ю .; Ремейка, М .; High, A. A .; Hammack, A.T .; Бутов, Л. В .; Hanson, M .; Госсард, А. С. (2010). «Полностью оптический экситонный транзистор». Письма об оптике. 35 (10): 1587–9. Bibcode:2010OptL ... 35,1587K. Дои:10.1364 / OL.35.001587. PMID  20479817.
  11. ^ Ballarini, D .; Де Джорджи, М .; Cancellieri, E .; Houdré, R .; Giacobino, E .; Cingolani, R .; Bramati, A .; Gigli, G .; Санвитто, Д. (2013). «Полностью оптический поляритонный транзистор». Nature Communications. 4: 1778. arXiv:1201.4071. Bibcode:2013 НатКо ... 4E1778B. Дои:10.1038 / ncomms2734. PMID  23653190.
  12. ^ Архипкин, В.Г .; Мысливец, С. А. (2013). «Полностью оптический транзистор, использующий фотонно-кристаллический резонатор с активной рамановской усиливающей средой». Физический обзор A. 88 (3). Bibcode:2013PhRvA..88c3847A. Дои:10.1103 / PhysRevA.88.033847.
  13. ^ Jin, C.-Y .; Johne, R .; Swinkels, M .; Hoang, T .; Midolo, L .; van Veldhoven, P.J .; Фиоре, А. (ноябрь 2014 г.). «Сверхбыстрый нелокальный контроль спонтанного излучения». Природа Нанотехнологии. 9: 886–890. arXiv:1311.2233. Bibcode:2014НатНа ... 9..886J. Дои:10.1038 / nnano.2014.190.
  14. ^ Piccione, B .; Cho, C.H .; Van Vugt, L.K .; Агарвал Р. (2012). «Полностью оптическое активное переключение в отдельных полупроводниковых нанопроводах». Природа Нанотехнологии. 7 (10): 640–5. Bibcode:2012НатНа ... 7..640П. Дои:10.1038 / nnano.2012.144. PMID  22941404.
  15. ^ Varghese, L.T .; Fan, L .; Wang, J .; Gan, F .; Ван, X .; Wirth, J .; Niu, B .; Tansarawiput, C .; Xuan, Y .; Weiner, A. M .; Ци, М. (2012). «Кремниевый оптический транзистор». Границы оптики 2012 / Лазерная наука XXVIII. стр. FW6C.FW66. Дои:10.1364 / FIO.2012.FW6C.6. ISBN  978-1-55752-956-5.
  16. ^ Volz, J .; Раушенбойтель, А. (2013). «Запуск оптического транзистора одним фотоном». Наука. 341 (6147): 725–6. Bibcode:2013Наука ... 341..725В. Дои:10.1126 / science.1242905. PMID  23950521.