El láser de transistor es un dispositivo semiconductor que funciona como un transistor con una salida eléctrica y una salida óptica, a diferencia de las dos salidas eléctricas típicas. Esta salida óptica lo distingue de los transistores típicos y, debido a que las señales ópticas viajan más rápido que las señales eléctricas, tiene el potencial de acelerar enormemente la computación. Los investigadores que descubrieron el láser de transistor desarrollaron un nuevo modelo de la ley de corriente de Kirchhoff para modelar mejor el comportamiento de la salida óptica y eléctrica simultáneas.
El equipo al que se atribuye el descubrimiento del láser transistor estaba encabezado por Milton Feng y Nick Holonyak, Jr. , y tenía su base en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . La investigación sobre el láser transistor surgió después de que Feng y Holonyak crearan el primer transistor emisor de luz [1] en 2004. [2] Feng y su equipo modificaron entonces el transistor emisor de luz para enfocar la luz que emitía en un rayo láser. Su investigación fue financiada por DARPA . [3] El artículo escrito sobre el descubrimiento del láser transistor fue clasificado como uno de los cinco mejores artículos de toda la historia de Applied Physics Letters , y el láser transistor fue calificado como uno de los 100 principales descubrimientos por Discover . [1]
El láser de transistor funciona como un transistor típico, pero emite luz infrarroja a través de una de sus salidas en lugar de electricidad. Una cavidad reflectante dentro del dispositivo enfoca la luz emitida en un haz láser. El láser de transistor es un transistor bipolar de heterojunción (que utiliza diferentes materiales entre las regiones de la base y el emisor) que emplea un pozo cuántico en su región de base que causa emisiones de luz infrarroja . Si bien todos los transistores emiten una pequeña cantidad de luz durante el funcionamiento, el uso de un pozo cuántico aumenta la intensidad de la salida de luz hasta 40 veces. [4]
La salida láser del dispositivo funciona cuando el pozo cuántico en la región de la base captura electrones que normalmente se enviarían a través de la salida eléctrica. Estos electrones luego pasan por un proceso de recombinación radiativa , durante el cual los electrones y los "agujeros" cargados positivamente se recombinan en la base. [5] Si bien este proceso ocurre en todos los transistores, tiene una vida útil extremadamente corta de solo 30 picosegundos en el láser del transistor, lo que permite un funcionamiento más rápido. [3] Luego, los fotones se liberan a través de la emisión estimulada . La luz rebota de un lado a otro entre las paredes reflectantes dentro del emisor de 2,2 micrómetros de ancho, [6] que actúa como una cavidad resonante . Finalmente, la luz se emite como un láser . [7]
El dispositivo se construyó inicialmente a partir de capas de fosfuro de indio y galio, arseniuro de galio y arseniuro de indio y galio, lo que impedía que el dispositivo funcionara sin ser enfriado con nitrógeno líquido. [3] Los materiales actuales permiten el funcionamiento a 25 °C [8] y el funcionamiento de onda continua (emisión continua de luz) [9] a 3 GHz. [7] El láser de transistor puede producir una salida láser sin ningún pico de resonancia en la respuesta de frecuencia. Tampoco sufre de autorresonancia no deseada que da lugar a errores en la información transmitida que requerirían circuitos externos complicados para rectificarlos. [8]
Aunque el láser transistorizado todavía es sólo objeto de investigación, ha habido una cantidad significativa de especulaciones sobre para qué podría usarse, especialmente en informática. Por ejemplo, sus capacidades ópticas podrían usarse para transferir datos entre chips de memoria , tarjetas gráficas u otros elementos internos de la computadora a velocidades más rápidas. [8] Actualmente, la comunicación por fibra óptica requiere transmisores que conviertan señales eléctricas en pulsos de luz, y luego un convertidor en el otro extremo para convertir estos pulsos nuevamente en señales eléctricas. [6] Esto hace que la comunicación óptica dentro de las computadoras sea poco práctica. Sin embargo, la comunicación óptica dentro de las computadoras pronto podría ser práctica, porque la conversión de electricidad en señales ópticas y viceversa ocurre dentro del láser transistorizado sin la necesidad de circuitos externos. El dispositivo también podría acelerar la comunicación óptica actual en otras aplicaciones, como en la comunicación de grandes cantidades de datos a largas distancias. [3]
El equipo de investigación que descubrió el láser transistorizado afirmó que una de las leyes de Kirchhoff tendría que ser reconstruida para incluir la conservación de energía, en lugar de solo la corriente y la carga . Debido a que el láser transistorizado proporciona dos tipos diferentes de salida, el equipo de investigadores responsable del láser transistorizado tuvo que modificar la ley de corriente de Kirchhoff para aplicarla al equilibrio de energía, así como al equilibrio de carga. [10] Esta fue la primera vez que las leyes de Kirchhoff se extendieron para aplicarse no solo a los electrones, sino también a los fotones . [11]