광 트랜지스터

Optical transistor

광학트랜지스터는 광학스위치 또는 광밸브라고도 하며 광학신호를 전환하거나 증폭시키는 장치다. 광학 트랜지스터의 입력에서 발생하는 빛은 트랜지스터 출력에서 방출되는 빛의 세기를 변화시키고 출력 전력은 추가 광원에 의해 공급된다. 입력 신호 강도가 소스의 그것보다 약할 수 있기 때문에, 광학 트랜지스터는 광학 신호를 증폭시킨다. 이 소자는 현대 전자 소자의 기초를 이루는 전자 트랜지스터의 광학 아날로그다. 광 트랜지스터는 빛만을 사용하여 빛을 제어하는 수단을 제공하며 광학 컴퓨팅과 광섬유 통신 네트워크에 응용이 가능하다. 그러한 기술은 더 많은 전력을 절약하면서 전자제품의[citation needed] 속도를 능가할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

광자는 본질적으로 서로 상호작용을 하지 않기 때문에 광학 트랜지스터는 상호작용을 조정하기 위해 작동 매체를 사용해야 한다. 이것은 중간 단계로서 광학 신호를 전자 신호로 변환하지 않고 수행된다. 다양한 운용 매체를 사용한 구현이 제안되고 실험적으로 입증되었다. 하지만 현대 전자제품과 경쟁하는 능력은 현재 제한적이다.

적용들

광학 트랜지스터는 광섬유 통신망의 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 광섬유 케이블을 사용하여 데이터를 전송하지만, 신호 라우팅과 같은 작업은 전자적으로 이루어진다. 이를 위해서는 병목현상을 형성하는 광전자광 변환이 필요하다. 광학 집적회로(Photonic Integrated Circuit)에 배열된 광학 트랜지스터를 이용하여 원칙적으로 모든 광학 디지털 신호 처리 및 라우팅이 가능하다.[1] 동일한 장치를 사용하여 전송선을 따라 신호 감쇠를 보상하는 새로운 유형의 광학 증폭기를 만들 수 있다.

광학 트랜지스터의 보다 정교한 적용은 부품이 전자보다 광자를 처리하는 광학 디지털 컴퓨터의 개발이다. 또한 단일 광자를 사용하여 작동하는 광학 트랜지스터는 양자 정보 처리의 필수적인 부분을 형성할 수 있으며, 여기서 쿼비트라고 알려진 양자 정보의 개별 단위를 선택적으로 다루는데 사용할 수 있다.

광학 트랜지스터는 이론적으로 단일 사건 이상에 시달리는 전자 트랜지스터와 달리 우주와 외계 행성의 높은 방사선에 영향을 주지 않을 수 있다.

전자제품과 비교

광학 논리의 가장 일반적인 경우는 광학 트랜지스터 스위칭 시간이 기존의 전자 트랜지스터보다 훨씬 빠를 수 있다는 것이다. 이는 광학 매체의 빛의 속도가 일반적으로 반도체에서 전자의 표류 속도보다 훨씬 빠르기 때문이다.

광학 트랜지스터는 광섬유 케이블과 직접 연결될 수 있는 반면 전자제품은 광전자 검출기와 LED 또는 레이저를 통한 커플링이 필요하다. 광섬유와 광학 신호 프로세서를 보다 자연스럽게 통합하면 광통신 네트워크에서 신호의 라우팅 및 기타 처리의 복잡성과 지연을 줄일 수 있을 것이다.

광학 처리가 단일 트랜지스터 전환에 필요한 에너지를 전자 트랜지스터보다 적게 줄일 수 있을지는 의문이다. 현실적으로 경쟁하기 위해 트랜지스터는 작동당 수십 개의 광자를 필요로 한다. 그러나 양자 정보 처리를 위해 제안된 단일 광자 트랜지스터에서[2] 이를 달성할 수 있다는 것은 분명하다.

아마도 전자 논리보다 광학 논리학의 가장 큰 장점은 전력 소비량 감소일 것이다. 이는 개별 논리 게이트 사이의 연결에 캐패시턴스가 없기 때문에 발생한다. 전자공학에서는 송신선을 신호 전압까지 충전해야 한다. 전송 라인의 캐패시턴스는 그 길이에 비례하며 길이가 단일 게이트의 캐패시턴스와 같을 때 로직 게이트에서 트랜지스터의 캐패시턴스를 초과한다. 송전선 충전은 전자논리의 주요 에너지 손실 중 하나이다. 이러한 손실은 수신 끝에서 광학 트랜지스터를 전환하기에 충분한 에너지만 회선으로 전송되어야 하는 광통신에서 방지된다. 이 사실은 장거리 통신을 위한 광섬유의 획득에 큰 역할을 했지만, 마이크로프로세서 수준에서 아직 활용되지 않고 있다.

더 빠른 속도, 낮은 전력 소비, 광통신 시스템과의 높은 호환성의 잠재적 장점 외에도, 광 트랜지스터는 전자제품과 경쟁하기 전에 일련의 벤치마크들을 충족시켜야 한다.[4] 어떤 단일 설계도 예술 전자 제품의 속도와 전력 소비량을 능가하면서 이 모든 기준을 충족시키지 못했다.

이 기준에는 다음이 포함된다.

  • 팬아웃 - 트랜지스터 출력은 올바른 형태여야 하며 최소 2개의 트랜지스터의 입력을 작동하기에 충분한 전력을 가져야 한다. 이는 입력 및 출력 파장, 빔 모양 및 펄스 모양이 호환되어야 함을 의미한다.
  • 로직 레벨 복원 - 각 트랜지스터에 의해 신호를 '청소'해야 함 신호 품질의 노이즈와 감퇴는 시스템을 통해 전파되지 않고 누적되어 오류가 발생하지 않도록 제거해야 한다.
  • 손실과 무관한 로직 레벨 - 광통신의 경우 광케이블의 광 흡수 때문에 신호 강도가 거리에 따라 감소한다. 따라서 단순 강도 임계값은 임의 길이 인터커넥트에 대한 켜짐 신호와 끄기를 구별할 수 없다. 시스템은 서로 다른 주파수에서 0과 1을 인코딩하고, 오류를 방지하기 위해 서로 다른 두 파워의 비율이나 차이가 논리 신호를 전달하는 차등 신호를 사용해야 한다.

구현

모든 광학 트랜지스터를 구현하기 위한 몇 가지 계획이 제안되었다. 많은 경우에 개념 증명서가 실험적으로 입증되었다. 설계는 다음을 기반으로 한다.

  • 전자석 유도 투명성
    • 관문 광자의[5][6] 약한 유량에 의해 전송이 제어되는 광학 캐비티 또는 마이크로레소네이터에서
    • 자유 공간, 즉 공진기가 없는 곳에서 강하게 상호작용하는 라이드버그 상태를[7][8] 연설함으로써
  • 간접 exictons 시스템(정적 쌍극자 모멘트를 가진 이중 양자 웰에 결합된 전자 쌍과 구멍의 위치). 빛과 부패로 빛을 발산하는 간접 엑시톤은 쌍극자 정렬로 인해 강하게 상호작용한다.[9][10]
  • 광학 마이크로캐비티 폴라잇톤 시스템(광학 마이크로캐비티 내부의 엑시톤-액시톤)으로, 엑시톤 기반 광 트랜지스터와 유사하게 폴라리톤은 광자[11] 사이의 효과적인 상호작용을 촉진한다.
  • 광자 결정체가 활성 라만과 중간[12] 사이즈의 결합
  • 캐비티 스위치는 양자 정보 응용을 위한 시간 영역의 캐비티 특성을 변조한다.[13]
  • 광학 스위칭을[14] 위해 극지방 상호작용을 사용하는 나노와이어 기반 캐비티
  • 광학 신호의 경로에 배치된 실리콘 마이크로링 게이트 광자는 실리콘 마이크로링을 가열하여 광학적 공진 주파수의 변화를 유발하여 주어진 광학 공급 주파수에서 투명성의 변화를 유도한다.[15]
  • 광학 핀셋으로 2만여 개의 세슘 원자가 갇히고 레이저를 몇 개의 마이크로켈빈으로 가두는 이중 미러 광학 공동 세슘 앙상블은 빛과 상호작용하지 않아 투명했다. 캐비티 미러 사이의 원형 트립 길이는 입사 광원의 파장의 정수 배수와 동일하여 캐비티가 소스 빛을 전송할 수 있게 했다. 관문등장의 광자는 측면에서 캐비티로 들어가 각 광자가 추가적인 "제어" 광장과 상호작용을 하여 하나의 원자 상태가 캐비티 광학장과 공명하도록 변화시키고, 이것은 필드의 공명 파장을 변화시키고, 소스 영역의 전송을 차단하여 "장치"를 "전환"한다. 변경된 원자가 확인되지 않은 채로 있는 동안, 양자 간섭은 세슘으로부터 게이트 광자를 회수할 수 있게 한다. 단일 게이트 광자는 게이트 광자의 검색이 방해되기 전에 최대 2개의 광자를 포함하는 소스 필드를 양 이득에 대한 임계 임계 임계값을 초과하여 리디렉션할 수 있다.[16]

참고 항목

참조

  1. ^ Jin, C.-Y.; Wada, O. (March 2014). "Photonic switching devices based on semiconductor nano-structures". Journal of Physics D. 47: 133001. arXiv:1308.2389. Bibcode:2014JPhD...47m3001J. doi:10.1088/0022-3727/47/13/133001.
  2. ^ Neumeier, L.; Leib, M.; Hartmann, M. J. (2013). "Single-Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics". Physical Review Letters. 111 (6): 063601. arXiv:1211.7215. Bibcode:2013PhRvL.111f3601N. doi:10.1103/PhysRevLett.111.063601. PMID 23971573.
  3. ^ Hong, F. Y.; Xiong, S. J. (2008). "Single-photon transistor using microtoroidal resonators". Physical Review A. 78. Bibcode:2008PhRvA..78a3812H. doi:10.1103/PhysRevA.78.013812.
  4. ^ Miller, D. A. B. (2010). "Are optical transistors the logical next step?" (PDF). Nature Photonics. 4: 3–5. Bibcode:2010NaPho...4....3M. doi:10.1038/nphoton.2009.240.
  5. ^ Chen, W.; Beck, K. M.; Bucker, R.; Gullans, M.; Lukin, M. D.; Tanji-Suzuki, H.; Vuletic, V. (2013). "All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon". Science. 341 (6147): 768–70. arXiv:1401.3194. Bibcode:2013Sci...341..768C. doi:10.1126/science.1238169. PMID 23828886.
  6. ^ Clader, B. D.; Hendrickson, S. M. (2013). "Microresonator-based all-optical transistor". Journal of the Optical Society of America 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.; Hofferberth, S. (2014). "Single-Photon Transistor Mediated by Interstate Rydberg Interactions". Physical Review Letters. 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.; Rempe, G. (2014). "Single-Photon Transistor Using a Förster Resonance". Physical Review Letters. 113 (5). arXiv:1404.3061. Bibcode:2014PhRvL.113e3602T. doi:10.1103/PhysRevLett.113.053602.
  9. ^ Andreakou, P.; Poltavtsev, S. V.; Leonard, J. R.; Calman, E. V.; Remeika, M.; Kuznetsova, Y. Y.; Butov, L. V.; Wilkes, J.; Hanson, M.; Gossard, A. C. (2014). "Optically controlled excitonic transistor". Applied Physics Letters. 104 (9): 091101. arXiv:1310.7842. Bibcode:2014ApPhL.104i1101A. doi:10.1063/1.4866855.
  10. ^ Kuznetsova, Y. Y.; Remeika, M.; High, A. A.; Hammack, A. T.; Butov, L. V.; Hanson, M.; Gossard, A. C. (2010). "All-optical excitonic transistor". Optics Letters. 35 (10): 1587–9. Bibcode:2010OptL...35.1587K. doi:10.1364/OL.35.001587. PMID 20479817.
  11. ^ Ballarini, D.; De Giorgi, M.; Cancellieri, E.; Houdré, R.; Giacobino, E.; Cingolani, R.; Bramati, A.; Gigli, G.; Sanvitto, D. (2013). "All-optical polariton transistor". Nature Communications. 4: 1778. arXiv:1201.4071. Bibcode:2013NatCo...4E1778B. doi:10.1038/ncomms2734. PMID 23653190.
  12. ^ Arkhipkin, V. G.; Myslivets, S. A. (2013). "All-optical transistor using a photonic-crystal cavity with an active Raman gain medium". Physical Review A. 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, P.J.; Fiore, A. (Nov 2014). "Ultrafast non-local control of spontaneous emission". Nature Nanotechnology. 9: 886–890. arXiv:1311.2233. Bibcode:2014NatNa...9..886J. doi:10.1038/nnano.2014.190.
  14. ^ Piccione, B.; Cho, C. H.; Van Vugt, L. K.; Agarwal, R. (2012). "All-optical active switching in individual semiconductor nanowires". Nature Nanotechnology. 7 (10): 640–5. Bibcode:2012NatNa...7..640P. doi:10.1038/nnano.2012.144. PMID 22941404.
  15. ^ Varghese, L. T.; Fan, L.; Wang, J.; Gan, F.; Wang, X.; Wirth, J.; Niu, B.; Tansarawiput, C.; Xuan, Y.; Weiner, A. M.; Qi, M. (2012). "A Silicon Optical Transistor". Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII. pp. FW6C.FW66. doi:10.1364/FIO.2012.FW6C.6. ISBN 978-1-55752-956-5.
  16. ^ Volz, J.; Rauschenbeutel, A. (2013). "Triggering an Optical Transistor with One Photon". Science. 341 (6147): 725–6. Bibcode:2013Sci...341..725V. doi:10.1126/science.1242905. PMID 23950521.