Un transistor óptico , también conocido como interruptor óptico o válvula de luz , es un dispositivo que conmuta o amplifica señales ópticas . La luz que se produce en la entrada de un transistor óptico cambia la intensidad de la luz emitida por la salida del transistor, mientras que la potencia de salida es suministrada por una fuente óptica adicional. Dado que la intensidad de la señal de entrada puede ser más débil que la de la fuente, un transistor óptico amplifica la señal óptica. El dispositivo es el análogo óptico del transistor electrónico que forma la base de los dispositivos electrónicos modernos. Los transistores ópticos proporcionan un medio para controlar la luz utilizando solo luz y tienen aplicaciones en computación óptica yredes de comunicación de fibra óptica . Dicha tecnología tiene el potencial de exceder la velocidad de la electrónica [ cita requerida ] , mientras conserva más energía .
Dado que los fotones no interactúan entre sí de forma inherente, un transistor óptico debe emplear un medio operativo para mediar las interacciones. Esto se hace sin convertir señales ópticas en electrónicas como paso intermedio. Se han propuesto y demostrado experimentalmente implementaciones que utilizan una variedad de medios operativos. Sin embargo, su capacidad para competir con la electrónica moderna es actualmente limitada.
Aplicaciones
Los transistores ópticos podrían usarse para mejorar el rendimiento de las redes de comunicación de fibra óptica . Aunque se utilizan cables de fibra óptica para transferir datos, las tareas como el enrutamiento de señales se realizan de forma electrónica. Esto requiere una conversión óptico-electrónica-óptica, que forman cuellos de botella. En principio, el procesamiento y el enrutamiento de señales digitales totalmente ópticas se pueden lograr utilizando transistores ópticos dispuestos en circuitos integrados fotónicos . [1] Los mismos dispositivos podrían usarse para crear nuevos tipos de amplificadores ópticos para compensar la atenuación de la señal a lo largo de las líneas de transmisión.
Una aplicación más elaborada de los transistores ópticos es el desarrollo de una computadora digital óptica en la que los componentes procesan fotones en lugar de electrones. Además, los transistores ópticos que funcionan con fotones individuales podrían formar parte integral del procesamiento de información cuántica, donde se pueden usar para abordar de forma selectiva unidades individuales de información cuántica, conocidas como qubits .
En teoría, los transistores ópticos podrían ser impermeables a la alta radiación del espacio y los planetas extraterrestres, a diferencia de los transistores electrónicos que sufren alteraciones de un solo evento .
Comparación con la electrónica
El caso más comúnmente argumentado para la lógica óptica es que los tiempos de conmutación de los transistores ópticos pueden ser mucho más rápidos que en los transistores electrónicos convencionales. Esto se debe al hecho de que la velocidad de la luz en un medio óptico suele ser mucho más rápida que la velocidad de deriva de los electrones en los semiconductores.
Los transistores ópticos se pueden conectar directamente a cables de fibra óptica, mientras que la electrónica requiere un acoplamiento a través de fotodetectores y LED o láseres . La integración más natural de los procesadores de señales totalmente ópticos con la fibra óptica reduciría la complejidad y el retraso en el enrutamiento y otros procesos de señales en las redes de comunicación óptica.
Sigue siendo cuestionable si el procesamiento óptico puede reducir la energía requerida para cambiar un solo transistor para que sea menor que la de los transistores electrónicos. Para competir de manera realista, los transistores requieren algunas decenas de fotones por operación. Sin embargo, está claro que esto se puede lograr en los transistores de fotón único propuestos [2] [3] para el procesamiento de información cuántica.
Quizás la ventaja más significativa de la lógica óptica sobre la electrónica es el menor consumo de energía. Esto proviene de la ausencia de capacitancia en las conexiones entre puertas lógicas individuales . En electrónica, la línea de transmisión debe cargarse al voltaje de la señal . La capacitancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud y excede la capacitancia de los transistores en una puerta lógica cuando su longitud es igual a la de una sola puerta. La carga de las líneas de transmisión es una de las principales pérdidas de energía en la lógica electrónica. Esta pérdida se evita en la comunicación óptica, donde solo se debe transmitir por una línea la energía suficiente para conmutar un transistor óptico en el extremo receptor. Este hecho ha jugado un papel importante en la adopción de fibra óptica para comunicaciones de larga distancia, pero aún no se ha explotado a nivel de microprocesador.
Además de las ventajas potenciales de una mayor velocidad, un menor consumo de energía y una alta compatibilidad con los sistemas de comunicación óptica, los transistores ópticos deben satisfacer un conjunto de puntos de referencia antes de poder competir con la electrónica. [4] Ningún diseño por sí solo ha cumplido todos estos criterios al tiempo que supera la velocidad y el consumo de energía de la electrónica de última generación.
Los criterios incluyen:
- Fan-out: la salida del transistor debe tener la forma correcta y la potencia suficiente para operar las entradas de al menos dos transistores. Esto implica que las longitudes de onda de entrada y salida , las formas de haz y las formas de pulso deben ser compatibles.
- Restauración del nivel lógico: la señal debe ser "limpiada" por cada transistor. El ruido y las degradaciones en la calidad de la señal deben eliminarse para que no se propaguen por el sistema y se acumulen para producir errores.
- Nivel lógico independiente de la pérdida: en la comunicación óptica, la intensidad de la señal disminuye con la distancia debido a la absorción de luz en el cable de fibra óptica. Por lo tanto, un umbral de intensidad simple no puede distinguir entre señales de encendido y apagado para interconexiones de longitud arbitraria. El sistema debe codificar ceros y unos a diferentes frecuencias, utilizar señalización diferencial donde la relación o diferencia en dos potencias diferentes lleva la señal lógica para evitar errores.
Implementaciones
Se han propuesto varios esquemas para implementar transistores totalmente ópticos. En muchos casos, se ha demostrado experimentalmente una prueba de concepto. Entre los diseños se encuentran los basados en:
- transparencia inducida electromagnéticamente
- en una cavidad óptica o microrresonador, donde la transmisión está controlada por un flujo más débil de fotones de puerta [5] [6]
- en el espacio libre, es decir, sin resonador, al abordar estados de Rydberg que interactúan fuertemente [7] [8]
- un sistema de excitones indirectos (compuesto por pares de electrones ligados y huecos en pozos cuánticos dobles con un momento dipolar estático ). Los excitones indirectos, que son creados por la luz y se desintegran para emitir luz, interactúan fuertemente debido a su alineación dipolar. [9] [10]
- un sistema de polaritones de microcavidad ( excitones-polaritones dentro de una microcavidad óptica ) donde, al igual que los transistores ópticos basados en excitones, los polaritones facilitan interacciones efectivas entre fotones [11]
- cavidades de cristal fotónico con un medio de ganancia Raman activo [12]
- El interruptor de cavidad modula las propiedades de la cavidad en el dominio del tiempo para aplicaciones de información cuántica. [13]
- cavidades basadas en nanocables que emplean interacciones polaritónicas para conmutación óptica [14]
- Microrings de silicio colocados en el camino de una señal óptica. Los fotones de puerta calientan el microrretrato de silicio provocando un cambio en la frecuencia de resonancia óptica, lo que lleva a un cambio en la transparencia a una frecuencia determinada del suministro óptico. [15]
- una cavidad óptica de doble espejo que contiene alrededor de 20.000 átomos de cesio atrapados por medio de pinzas ópticas y enfriados con láser a unos pocos microkelvin . El conjunto de cesio no interactuaba con la luz y, por lo tanto, era transparente. La longitud de un viaje de ida y vuelta entre los espejos de la cavidad equivalía a un múltiplo entero de la longitud de onda de la fuente de luz incidente, lo que permite que la cavidad transmita la luz de la fuente. Los fotones del campo de luz de la puerta entraron en la cavidad desde el lado, donde cada fotón interactuó con un campo de luz de "control" adicional, cambiando el estado de un solo átomo para que resonara con el campo óptico de la cavidad, lo que cambia la longitud de onda de resonancia del campo y bloquea la transmisión de el campo de origen, "conmutando" así el "dispositivo". Mientras que el átomo cambiado permanece sin identificar, la interferencia cuántica permite recuperar el fotón de la puerta del cesio. Un fotón de puerta única podría redirigir un campo fuente que contenga hasta dos fotones antes de que se impida la recuperación del fotón de puerta, por encima del umbral crítico para una ganancia positiva. [dieciséis]
Ver también
- Red óptica en chip
- Interconexión óptica
- Interruptor óptico
- Interfaz óptica paralela
- Comunicación óptica
- Cable de fibra óptica
- Fotónica
- Optoelectrónica
- Electrónica
- Transistor
- Física óptica
- Luz
- Fotones
- Óptica
- Láseres
- Diodos
- Semiconductores
- Elementos electricos
- Componentes electrónicos
Referencias
- ^ Jin, C.-Y .; Wada, O. (marzo de 2014). "Dispositivos de conmutación fotónicos basados en nanoestructuras semiconductoras". Journal of Physics D . 47 : 133001. arXiv : 1308.2389 . Código bibliográfico : 2014JPhD ... 47m3001J . doi : 10.1088 / 0022-3727 / 47/13/133001 .
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