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Transistor óptico

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 desde 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 tiene aplicaciones en la computación óptica y las redes de comunicación por fibra óptica . Dicha tecnología tiene el potencial de superar la velocidad de la electrónica [ cita requerida ] , al tiempo que conserva más energía . La señal de conmutación totalmente óptica demostrada más rápida es de 900 attosegundos (attosegundo = 10^-18 segundos), lo que allana el camino para desarrollar transistores ópticos ultrarrápidos. [1]

Como los fotones no interactúan entre sí, un transistor óptico debe emplear un medio operativo para mediar las interacciones. Esto se hace sin convertir señales ópticas en señales 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 utilizarse para mejorar el rendimiento de las redes de comunicación por fibra óptica . Aunque se utilizan cables de fibra óptica para transferir datos, tareas como el enrutamiento de señales se realizan electrónicamente. Esto requiere una conversión óptica-electrónica-óptica, que forma cuellos de botella. En principio, el procesamiento y enrutamiento de señales digitales totalmente ópticos se puede lograr utilizando transistores ópticos dispuestos en circuitos integrados fotónicos . [2] Los mismos dispositivos podrían utilizarse 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 las señales son fotónicas (es decir, medios de transmisión de luz) en lugar de electrónicas (cables). Además, los transistores ópticos que funcionan utilizando fotones individuales podrían formar parte integral del procesamiento de información cuántica , donde pueden usarse para abordar de forma selectiva unidades individuales de información cuántica, conocidas como qubits .

Los transistores ópticos podrían, en teoría, ser inmunes a la alta radiación del espacio y de los planetas extraterrestres, a diferencia de los transistores electrónicos que sufren perturbaciones de evento único .

Comparación con la electrónica

El argumento más común a favor de la lógica óptica es que los tiempos de conmutación de los transistores ópticos pueden ser mucho más rápidos que los de los transistores electrónicos convencionales. Esto se debe a que la velocidad de la luz en un medio óptico suele ser mucho más rápida que la velocidad de desplazamiento de los electrones en los semiconductores.

Los transistores ópticos se pueden conectar directamente a los cables de fibra óptica , mientras que la electrónica requiere un acoplamiento a través de fotodetectores y LED o láseres . La integración más natural de procesadores de señales totalmente ópticos con fibra óptica reduciría la complejidad y el retraso en el enrutamiento y otros procesamientos de señales en redes de comunicación óptica.

Sigue siendo cuestionable si el procesamiento óptico puede reducir la energía necesaria para activar un solo transistor a un valor inferior al de los transistores electrónicos. Para competir de manera realista, los transistores requieren unas pocas decenas de fotones por operación. Sin embargo, está claro que esto se puede lograr en los transistores monofotónicos propuestos [3] [4] 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 se debe a la ausencia de capacitancia en las conexiones entre las 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 desempeñado un papel importante en la adopción de la fibra óptica para la comunicación a larga distancia, pero aún no se ha explotado a nivel de microprocesador.

Además de las ventajas potenciales de mayor velocidad, menor consumo de energía y alta compatibilidad con los sistemas de comunicación óptica, los transistores ópticos deben satisfacer una serie de parámetros de referencia antes de poder competir con la electrónica. [5] Ningún diseño ha satisfecho aún todos estos criterios y al mismo tiempo ha superado en velocidad y consumo de energía a la electrónica de última generación.

Los criterios incluyen:

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:

Véase también

Referencias

  1. ^ Hui, Dandan; Alqattan, Husain; Zhang, Simin; Pervak, Vladimir; Chowdhury, Enam; Hassan, Mohammed Th. (24 de febrero de 2023). "Conmutación óptica ultrarrápida y codificación de datos en campos de luz sintetizados". Science Advances . 9 (8): eadf1015. doi :10.1126/sciadv.adf1015. ISSN  2375-2548. PMC  9946343 . PMID  36812316.
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