Optik transistör - Optical transistor
Bir optik transistör olarak da bilinen, optik anahtar ya da bir ışık valfı , anahtarlar ya da artıran bir cihazdır optik sinyalleri . Optik bir transistörün girişinde meydana gelen ışık, transistörün çıkışından yayılan ışığın yoğunluğunu değiştirirken, çıkış gücü ek bir optik kaynak tarafından sağlanır. Giriş sinyali yoğunluğu kaynağınkinden daha zayıf olabileceğinden, optik bir transistör optik sinyali güçlendirir. Cihaz, modern elektronik cihazların temelini oluşturan elektronik transistörün optik analogudur . Optik transistörler ışığı yalnızca ışık kullanarak kontrol etmek için bir yol sağlar ve optik hesaplamada ve fiber optik iletişim ağlarında uygulamalara sahiptir. Bu tür bir teknoloji, daha fazla güç tasarrufu sağlarken elektroniklerin hızını aşma potansiyeline sahiptir .
Yana fotonlar doğal birbirleriyle değil etkileşim yapmak, bir optik transistör aracılı etkileşimler için bir işletim ortamı istihdam etmek zorundadır. Bu, bir ara adım olarak optik sinyalleri elektronik sinyallere dönüştürmeden yapılır. Çeşitli işletim araçlarını kullanan uygulamalar önerilmiş ve deneysel olarak gösterilmiştir. Bununla birlikte, modern elektroniklerle rekabet etme yetenekleri şu anda sınırlıdır.
Başvurular
Optik transistörler, fiber optik iletişim ağlarının performansını iyileştirmek için kullanılabilir . Her ne kadar fiber optik kablolar veri aktarımı için kullanılan, sinyal yönlendirme gibi görevler elektronik yapılır. Bu, darboğazlar oluşturan optik-elektronik-optik dönüşüm gerektirir. Prensip olarak, tüm optik dijital sinyal işleme ve yönlendirme, fotonik entegre devreler halinde düzenlenmiş optik transistörler kullanılarak gerçekleştirilebilir . Aynı cihazlar, iletim hatları boyunca sinyal zayıflamasını telafi etmek için yeni tip optik amplifikatörler oluşturmak için kullanılabilir .
Optik transistörlerin daha ayrıntılı bir uygulaması, bileşenlerin elektronlardan ziyade fotonları işlediği bir optik dijital bilgisayarın geliştirilmesidir. Ayrıca, tek fotonlar kullanarak çalışan optik transistörler, kuantum bilgi işlemenin ayrılmaz bir parçasını oluşturabilir ve burada kübit olarak bilinen bireysel kuantum bilgi birimlerini seçici olarak ele almak için kullanılabilirler .
Optik transistörler teorik olarak, Tek olaylı üzüntüden muzdarip elektronik transistörlerin aksine, uzay ve dünya dışı gezegenlerin yüksek radyasyonuna karşı dayanıklı olabilir .
Elektronik ile karşılaştırma
Optik mantık için en yaygın olarak tartışılan durum, optik transistör anahtarlama sürelerinin geleneksel elektronik transistörlerden çok daha hızlı olabileceğidir. Bunun nedeni, bir optik ortamdaki ışık hızının tipik olarak yarı iletkenlerdeki elektronların sürüklenme hızından çok daha hızlı olmasıdır.
Optik transistörler doğrudan fiber optik kablolara bağlanabilirken , elektronikler fotodetektörler ve LED'ler veya lazerler aracılığıyla bağlantı gerektirir . Tam optik sinyal işlemcilerin fiber optiklerle daha doğal entegrasyonu, optik iletişim ağlarında sinyallerin yönlendirilmesi ve diğer işlenmesindeki karmaşıklığı ve gecikmeyi azaltacaktır.
Optik işlemenin, tek bir transistörü değiştirmek için gereken enerjiyi elektronik transistörlerden daha az olacak şekilde düşürüp azaltamayacağı şüpheli olmaya devam ediyor. Gerçekçi rekabet edebilmek için transistörler, işlem başına birkaç on foton gerektirir. Bununla birlikte, bunun kuantum bilgi işleme için önerilen tek foton transistörlerinde başarılabileceği açıktır.
Optik mantığın elektronik mantığa göre belki de en önemli avantajı düşük güç tüketimidir. Bu, bireysel mantık kapıları arasındaki bağlantılarda kapasite yokluğundan kaynaklanır . Elektronikte, iletim hattının sinyal voltajına şarj edilmesi gerekir . Bir iletim hattının kapasitansı, uzunluğu ile orantılıdır ve uzunluğu tek bir geçidin uzunluğuna eşit olduğunda bir mantık geçidindeki transistörlerin kapasitansını aşar. İletim hatlarının şarj edilmesi, elektronik mantıktaki ana enerji kayıplarından biridir. Bu kayıp, yalnızca alıcı uçtaki bir optik transistörü değiştirmek için yeterli enerjinin bir hattan aşağı iletilmesi gereken optik iletişimde önlenir. Bu gerçek, uzun mesafeli iletişim için fiber optiklerin alımında önemli bir rol oynamıştır, ancak mikroişlemci düzeyinde henüz yararlanılmamıştır.
Daha yüksek hız, daha düşük güç tüketimi ve optik iletişim sistemleriyle yüksek uyumluluğun potansiyel avantajlarının yanı sıra, optik transistörlerin elektroniklerle rekabet etmeden önce bir dizi kriteri karşılaması gerekir. Tek bir tasarım henüz tüm bu kriterleri yerine getirirken, son teknoloji ürünü elektroniklerin hız ve güç tüketiminden daha iyi performans sergilememiştir.
Kriterler şunları içerir:
- Fan-out - Transistör çıkışı, en az iki transistörün girişlerini çalıştırmak için doğru biçimde ve yeterli güce sahip olmalıdır. Bu, giriş ve çıkış dalga boylarının , ışın şekillerinin ve darbe şekillerinin uyumlu olması gerektiği anlamına gelir .
- Mantık seviyesi restorasyonu - Sinyalin her bir transistör tarafından 'temizlenmesi' gerekir. Sinyal kalitesindeki gürültü ve bozulmalar, sistemde yayılmamaları ve hata üretmek için birikmemeleri için kaldırılmalıdır.
- Kayıptan bağımsız mantık seviyesi - Optik iletişimde, fiber optik kablodaki ışığın emilmesi nedeniyle sinyal yoğunluğu mesafe boyunca azalır. Bu nedenle, basit bir yoğunluk eşiği, keyfi uzunluktaki ara bağlantılar için açma ve kapama sinyalleri arasında ayrım yapamaz. Sistem, sıfırları ve farklı frekanslarda olanları kodlamalı, hataları önlemek için iki farklı güçteki oran veya farkın mantık sinyalini taşıdığı diferansiyel sinyallemeyi kullanmalıdır.
Uygulamalar
Tam optik transistörleri uygulamak için birkaç şema önerilmiştir. Çoğu durumda, deneysel olarak bir kavram kanıtı gösterilmiştir. Tasarımlar arasında şunlar yer alır:
-
elektromanyetik olarak indüklenen şeffaflık
- iletimin daha zayıf bir kapı foton akışı tarafından kontrol edildiği bir optik boşluk veya mikro rezonatörde
- boş alanda, yani bir rezonatör olmadan, güçlü bir şekilde etkileşen Rydberg durumlarına hitap ederek
- bir dolaylı eksiton sistemi ( statik dipol momentli çift kuantum kuyularındaki bağlı elektron çiftleri ve deliklerden oluşur ). Işık tarafından oluşturulan ve ışığı yaymak için bozulan dolaylı eksitonlar, dipol hizalanmaları nedeniyle güçlü bir şekilde etkileşirler.
- eksiton tabanlı optik transistörlere benzer şekilde, polaritonların fotonlar arasındaki etkili etkileşimleri kolaylaştırdığı bir mikro boşluk polaritonları sistemi ( bir optik mikro boşluk içindeki eksiton -polaritonlar )
- aktif bir Raman kazanç ortamına sahip fotonik kristal boşluklar
- kavite anahtarı , kuantum bilgi uygulamaları için zaman alanındaki boşluk özelliklerini modüle eder.
- optik anahtarlama için polaritonik etkileşimler kullanan nanotel tabanlı oyuklar
- bir optik sinyal yoluna yerleştirilmiş silikon mikro halkalar. Kapı fotonları, silikon mikro aynayı ısıtır ve optik rezonans frekansında bir kaymaya neden olarak, optik kaynağın belirli bir frekansında şeffaflıkta bir değişikliğe yol açar.
- Optik cımbızla yakalanan ve birkaç mikrokelvin'e kadar lazerle soğutulan yaklaşık 20.000 sezyum atomunu tutan çift aynalı bir optik boşluk . Sezyum topluluğu ışıkla etkileşime girmedi ve bu nedenle şeffaftı. Boşluk aynaları arasındaki bir gidiş-dönüş yolculuğunun uzunluğu, gelen ışık kaynağının dalga boyunun bir tam sayı katına eşitti ve boşluğun kaynak ışığı iletmesine izin verdi. Kapı ışık alanından gelen fotonlar, her bir fotonun ek bir "kontrol" ışık alanıyla etkileşime girdiği yandan boşluğa girerek, tek bir atomun durumunu boşluk optik alanıyla rezonans olacak şekilde değiştirerek alanın rezonans dalga boyunu değiştirir ve transmisyonu engeller. kaynak alanı, dolayısıyla "cihazı" "değiştirir". Değiştirilen atom tanımlanmadan kalırken, kuantum girişimi , kapı fotonunun sezyumdan alınmasına izin verir. Tek bir kapı fotonu, pozitif bir kazanç için kritik eşiğin üzerinde, kapı fotonun geri alınması engellenmeden önce iki taneye kadar foton içeren bir kaynak alanını yeniden yönlendirebilir.