Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с оптической коммутации )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оптический транзистор , также известный как оптический переключатель или световой клапан , это 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 ниже, чем у источника, оптический транзистор усиливает оптический сигнал. Устройство является оптическим аналогом электронного транзистора , составляющего основу современных электронных устройств. Оптические транзисторы позволяют управлять светом, используя только свет, и находят применение в оптических вычислениях иволоконно-оптические сети связи . Такая технология может превзойти скорость электроники [ цитата ] , сохраняя при этом больше энергии .

Поскольку фотоны по своей природе 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 их способность конкурировать с современной электроникой в ​​настоящее время ограничена.

Приложения [ править ]

Оптические транзисторы могут быть использованы для улучшения характеристик волоконно-оптических сетей связи . Хотя для передачи данных используются оптоволоконные кабели , такие задачи, как маршрутизация сигналов, выполняются в электронном виде. Это требует оптико-электронно-оптического преобразования, которое создает узкие места. В принципе, полностью оптическая цифровая обработка и маршрутизация сигналов достижимы с использованием оптических транзисторов, встроенных в фотонные интегральные схемы . [1] Те же устройства могут быть использованы для создания новых типов оптических усилителей 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 обработки квантовой информации, где их можно использовать для выборочной адресации отдельных единиц квантовой информации, известных как кубиты .

Теоретически оптические транзисторы могут быть невосприимчивыми к сильному излучению космоса и внеземных планет, в отличие от электронных транзисторов, которые страдают от одиночного сбоя .

Сравнение с электроникой [ править ]

Наиболее часто аргументированный довод в пользу оптической логики заключается в том, что время переключения оптических транзисторов может быть намного меньше, 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 могут быть напрямую связаны с оптоволоконными кабелями, тогда как электроника требует подключения через фотодетекторы и светодиоды или лазеры . Более естественная интеграция полностью оптических сигнальных процессоров с волоконной оптикой снизила бы 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 обработки квантовой 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 линию передачи необходимо заряжать до сигнального напряжения.. Емкость линии передачи пропорциональна ее длине и превышает емкость транзисторов в логическом элементе, 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 использовании волоконной оптики для связи на большие расстояния, но еще предстоит использовать на уровне микропроцессоров.

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. [4] Ни одна конструкция еще не удовлетворяла 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 длины волн на входе и выходе , 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, где соотношение или разница двух разных мощностей переносит логический сигнал, чтобы избежать ошибок.

Реализации [ править ]

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 непрямых экситонов (состоящая из связанных пар электронов и дырок в двойных квантовых ямах со статическим дипольным моментом ). Непрямые экситоны, которые создаются светом и распадаются на излучение, сильно взаимодействуют из-за их дипольного выравнивания. [9] [10]
  • система поляритонов микрорезонатора ( экситон-поляритоны внутри оптического микрорезонатора ), где, подобно оптическим транзисторам на основе экситонов, поляритоны способствуют эффективному взаимодействию между фотонами [11]
  • фотонно-кристаллические резонаторы с активной рамановской усиливающей средой [12]
  • Переключатель резонатора модулирует свойства резонатора во временной области для приложений квантовой информации. [13]
  • резонаторы на основе нанопроволок, использующие поляритонные взаимодействия 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 , содержащий около 20 000 атомов цезия, захваченных с помощью оптического пинцета и охлаждаемых лазером до нескольких микрокельвинов . 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 входили 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 извлечь фотон затвора из цезия. Одиночный фотон затвора мог перенаправить поле источника, содержащее до двух фотонов, до того как извлечение фотона затвора было затруднено, выше критического порога для положительного усиления. [16]

См. Также [ править ]

  • Оптическая сеть на кристалле
  • 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 [ править ]

  1. ^ Jin, C.-Y .; Вада, О. (март 2014 г.). «Фотонные коммутационные устройства на основе полупроводниковых наноструктур». Журнал Physics D . 47 : 133001. arXiv : 1308.2389 . Bibcode : 2014JPhD ... 47m3001J . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 47/13/133001 .
  2. ^ Neumeier, L .; Leib, M .; Хартманн, MJ (2013). «Однофотонный транзистор в квантовой электродинамике схем». Письма с физическим обзором . 111 (6): 063601. arXiv : 1211.7215 . Bibcode : 2013PhRvL.111f3601N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.063601 . PMID 23971573 . 
  3. ^ Hong, FY; Xiong, SJ (2008). «Однофотонный транзистор на микротороидальных резонаторах». Physical Review . 78 . Bibcode : 2008PhRvA..78a3812H . DOI : 10.1103 / PhysRevA.78.013812 .
  4. Перейти ↑ Miller, DAB (2010). "Являются ли оптические транзисторы следующим логическим шагом?" (PDF) . Природа Фотоника . 4 : 3–5. Bibcode : 2010NaPho ... 4 .... 3M . DOI : 10.1038 / nphoton.2009.240 .
  5. ^ Chen, W .; Бек, км; Bucker, R .; Gullans, M .; Лукин, д.м.н .; Tanji-Suzuki, H .; Вулетик, В. (2013). "Полностью оптический переключатель и транзистор, управляемый одним сохраненным фотоном". Наука . 341 (6147): 768–70. arXiv : 1401.3194 . Bibcode : 2013Sci ... 341..768C . DOI : 10.1126 / science.1238169 . PMID 23828886 . 
  6. ^ Clader, BD; 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 .
  7. ^ Gorniaczyk, H .; Tresp, C .; Schmidt, J .; Fedder, H .; Хофферберт, С. (2014). «Однофотонный транзистор, опосредованный межгосударственными ридбергскими взаимодействиями». Письма с физическим обзором . 113 (5): 053601. arXiv : 1404.2876 . Bibcode : 2014PhRvL.113e3601G . DOI : 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 физическим обзором . 113 (5). arXiv : 1404.3061 . Bibcode : 2014PhRvL.113e3602T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.053602 .
  9. ^ Andreakou, P .; Полтавцев С.В.; Леонард-младший; Calman, EV; Ремейка, М .; Кузнецова Ю.Ю .; Бутов, Л.В.; Wilkes, J .; Hanson, M .; Госсард, AC (2014). «Оптически управляемый экситонный транзистор». Письма по прикладной физике . 104 (9): 091101. arXiv : 1310.7842 . Bibcode : 2014ApPhL.104i1101A . DOI : 10.1063 / 1.4866855 .
  10. ^ Кузнецова Ю.Ю .; Ремейка, М .; Высокий, AA; Hammack, AT; Бутов, Л.В.; Hanson, M .; Госсард, AC (2010). «Полностью оптический экситонный транзистор». Письма об оптике . 35 (10): 1587–9. Bibcode : 2010OptL ... 35,1587K . DOI : 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 : 2013NatCo ... 4E1778B . DOI : 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». Physical Review . 88 (3). Bibcode : 2013PhRvA..88c3847A . DOI : 10.1103 / PhysRevA.88.033847 .
  13. ^ Jin, C.-Y .; Johne, R .; Swinkels, M .; Hoang, T .; Midolo, L .; van Veldhoven, PJ; Фиоре, А. (ноябрь 2014 г.). «Сверхбыстрый нелокальный контроль спонтанного излучения». Природа Нанотехнологии . 9 : 886–890. arXiv : 1311.2233 . Bibcode : 2014NatNa ... 9..886J . DOI : 10.1038 / nnano.2014.190 .
  14. ^ Piccione, B .; Cho, CH; Van Vugt, LK; Агарвал Р. (2012). «Полностью оптическое активное переключение в отдельных полупроводниковых нанопроводах». Природа Нанотехнологии . 7 (10): 640–5. Bibcode : 2012NatNa ... 7..640P . DOI : 10.1038 / nnano.2012.144 . PMID 22941404 . 
  15. ^ Varghese, LT; Fan, L .; Wang, J .; Gan, F .; Ван, X .; Wirth, J .; Niu, B .; Tansarawiput, C .; Xuan, Y .; Weiner, AM; Ци, М. (2012). «Кремниевый оптический транзистор». Границы оптики 2012 / Лазерная наука XXVIII . стр. FW6C.FW66. DOI : 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 : 2013Sci ... 341..725V . DOI : 10.1126 / science.1242905 . PMID 23950521 .