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光學電晶體

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光學電晶體，又稱為光學開關或光閥門，是切換或放大光學信號的裝置。在光學電晶體輸入端出現的光會改變電晶體輸出端的光的強度，而且輸出功率會由附加光源提供。由於輸入信號的強度可能比附加光源的強度弱，因此光學電晶體把光學信號放大。電子電晶體構成了現代電子設備的基礎，而光學電晶體就是為了模擬它。光學電晶體提供僅使用光來控制光的手段，並且在光學計算和光纖通信網絡中具有應用。這種技術有望超越電子設備的速度，同時降低功耗。

由於光子本身不會互相作用，因此光學電晶體必須使用介質介導互相作用。這可以在不將光學信號轉換為電子信號作為中間步驟的情況下實現。利用各種操作介質的實現方式已經被提出並通過了實驗證明。然而，他們與現代電子產品競爭的能力目前是有限的。

應用

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光學電晶體可用於改善光纖通信網絡的性能。雖然光纖纜線用於傳輸數據，但現時信號路由等任務是通過電子的方式才能夠完成。這需要先將光信號轉換成電子信號，然後再轉換成光信號，此舉造成了瓶頸。原則上，使用佈置在積體光學中的光學電晶體可以實現全光學數碼訊號處理以及路由功能[1]。相同的裝置可以用來創建新的類型的光放大器，以彌補光子沿着傳輸線移動導致信號衰減的問題。

光學電晶體其中一個更為複雜的應用是開發光學數字計算機，當中光子取代了電子，成為信息的新載體。此外，使用單光子操作的光學電晶體可以形成量子信息處理的組成部分，其中它們可以用於選擇性地尋址量子信息的各個單元，稱為量子位元。

與電子產品比較

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最常見的光學邏輯案例是光學電晶體的開關時間比傳統的電子電晶體快得多。這是因為光學介質中的光速通常比半導體中電子的漂移速度快得多。

光學電晶體可以直接連接到光纖纜線，而電子器件需要通過光電探測器和發光二極管或激光器耦合。全光信號處理器與光纖的更自然的集成將降低光通信網絡中信號的路由和其他處理的複雜性和延遲。

光學處理是否可以將單個電晶體切換所需的能量減少到小於電子電晶體的能量仍然值得懷疑。為了實際競爭，每次操作都需要幾十個光子的電晶體。然而，很明顯，這在用於量子信息處理的所提出的單光子電晶體[2] [3]是可實現的。

也許光學電子邏輯的最顯着優勢是降低功耗。這是因為各個邏輯門之間的連接中沒有電容。在電子設備中，傳輸線需要充電到信號電壓。傳輸線的電容與其長度成比例，並且當其長度等於單個柵極的長度時，它超過邏輯門中的電晶體的電容。傳輸線的充電是電子邏輯中的主要能量損失之一。在光通信中避免了這種損失，其中在接收端僅有足夠的能量來切換光學電晶體必須沿着線路傳輸。這一事實在光纖用於長距離通信方面發揮了重要作用，但尚未在微處理器層面得到開發。

除了具有更高速度，更低功耗和與光通信系統的高兼容性的潛在優勢之外，光學電晶體必須滿足一組基準才能與電子產品競爭。[4] 暫時沒有一種設計能夠滿足所有這些標準，同時優於最先進電子設備的速度和功耗。

標準包括：

  • 扇出 - 電晶體輸出必須具有正確的形式並且具有足夠的功率來操作至少兩個電晶體的輸入。 這意味着輸入和輸出波長 ，光束形狀和脈衝形狀必須兼容。
  • 邏輯電平恢復 - 信號需要由每個電晶體「清理」。必須消除信號質量的噪聲和降級，使它們不會傳播通過系統並累積產生錯誤。
  • 邏輯電平與損耗無關 - 在光通信中，由於光纖電纜中的光吸收，信號強度隨距離減小。 因此，簡單的強度閾值不能區分任意長度互連的開關信號。系統必須編碼不同頻率的零和1，使用差分信令，其中兩個不同功率的比率或差異攜帶邏輯信號以避免錯誤。

實現

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已經提出了幾種方案來實現全光學電晶體。在許多情況下，已經通過實驗證明了概念證明。其中的設計基於：

  • 電磁感應透明度
  • 間接激子系統（由具有靜態偶極矩的雙量子阱中的束縛電子和空穴組成）。 間接激子由光和衰變產生的光發射，由於它們的偶極子排列而強烈相互作用。 [9] [10]
  • 微腔極化子系統（ 光學微腔內的激子 - 極化子 ），類似於基於激子的光學電晶體， 極化子促進光子之間的有效相互作用[11]
  • 具有有源拉曼增益介質的光子晶體腔[12]
  • 腔開關調製時域中的腔特性，用於量子信息應用[13] 。
  • 基於納米線的空腔採用極化相互作用進行光學轉換[14]
  • 矽微環放置在光信號的路徑上。 柵極光子加熱矽微環，引起光學諧振頻率的偏移，導致光學供應的給定頻率下的透明度變化。 [15]
  • 一個雙鏡光學腔，通過光學鑷子捕獲大約20,000個銫原子並激光冷卻到幾微克爾 。 銫合體不與光相互作用，因此是透明的。 腔鏡之間的往返行程的長度等於入射光源的波長的整數倍，允許腔傳輸源光。 來自柵極光場的光子從側面進入腔體，每個光子與另外的「控制」光場相互作用，改變單個原子的狀態以與腔體光場共振，從而改變場的共振波長並阻擋透射源字段，從而「切換」「設備」。 雖然改變的原子仍未被識別，但量子干涉允許從銫中回收門光子。 單門光子可以重定向包含多達兩個光子的源場，然後阻止門光子的檢索，高於正增益的臨界閾值。 [16]

參看

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參考資料

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  1. ^ Jin, C.-Y.; Wada, O. Photonic switching devices based on semiconductor nano-structures. Journal of Physics D. March 2014, 47: 133001. Bibcode:2014JPhD...47m3001J. arXiv:1308.2389 可免費查閱. doi:10.1088/0022-3727/47/13/133001. 
  2. ^ Neumeier, L.; Leib, M.; Hartmann, M. J. Single-Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics. Physical Review Letters. 2013, 111 (6): 063601. Bibcode:2013PhRvL.111f3601N. PMID 23971573. arXiv:1211.7215 可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevLett.111.063601. 
  3. ^ Hong, F. Y.; Xiong, S. J. Single-photon transistor using microtoroidal resonators. Physical Review A. 2008, 78. Bibcode:2008PhRvA..78a3812H. doi:10.1103/PhysRevA.78.013812. 
  4. ^ Miller, D. A. B. Are optical transistors the logical next step? (PDF). Nature Photonics. 2010, 4: 3–5 [2019-01-30]. Bibcode:2010NaPho...4....3M. doi:10.1038/nphoton.2009.240. （原始內容存檔 (PDF)於2020-01-03）. 
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