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 manera 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:

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 del haz y las formas del pulso deben ser compatibles.
Restauración del nivel lógico: cada transistor debe "limpiar" la señal. Se deben eliminar el ruido y las degradaciones en la calidad de la señal para que no se propaguen por el sistema y se acumulen y produzcan errores.
Nivel lógico independiente de la pérdida: en las comunicaciones ópticas, 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 en diferentes frecuencias, utilizar señalización diferencial donde la relación o diferencia de dos potencias diferentes transporta 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 compuerta ^[6]^[7]
- en el espacio libre, es decir, sin resonador, abordando estados de Rydberg que interactúan fuertemente ^[8]^[9]
un sistema de excitones indirectos (compuestos por pares de electrones y huecos unidos 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. ^[10]^[11]
un sistema de polaritones de microcavidad ( excitón-polaritones dentro de una microcavidad óptica ) donde, de manera similar a los transistores ópticos basados en excitones, los polaritones facilitan interacciones efectivas entre fotones ^[12]
Cavidades de cristales fotónicos con un medio de ganancia Raman activo ^[13]
El interruptor de cavidad modula las propiedades de la cavidad en el dominio del tiempo para aplicaciones de información cuántica. ^[14]
Cavidades basadas en nanocables que emplean interacciones polaritónicas para conmutación óptica ^[15]
Microrings de silicio colocados en el camino de una señal óptica. Los fotones de la compuerta calientan el microring de silicio, lo que provoca un cambio en la frecuencia de resonancia óptica, lo que genera un cambio en la transparencia a una frecuencia dada de la fuente óptica. ^[16]
una cavidad óptica de doble espejo que contiene alrededor de 20.000 átomos de cesio atrapados por medio de pinzas ópticas y enfriados por 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 era igual a un múltiplo entero de la longitud de onda de la fuente de luz incidente, lo que permitía que la cavidad transmitiera la luz de la fuente. Los fotones del campo de luz de la compuerta ingresaban a la cavidad desde el costado, donde cada fotón interactuaba 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 cambiaba la longitud de onda de resonancia del campo y bloqueaba la transmisión del campo de la fuente, "conmutando" así el "dispositivo". Mientras que el átomo modificado permanece sin identificar, la interferencia cuántica permite recuperar el fotón de la compuerta del cesio. Un solo fotón de la compuerta podría redirigir un campo de fuente que contuviera hasta dos fotones antes de que se impidiera la recuperación del fotón de la compuerta, por encima del umbral crítico para una ganancia positiva. ^[17]
en una solución de agua concentrada que contiene aniones yoduro ^[18]

Véase también

Referencias

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