fbpx
维基百科

光学晶体管

五月 05, 2023

光学晶体管，又称为光学开关或光阀门，是切换或放大光学信号的装置。在光学晶体管输入端出现的光会改变晶体管输出端的光的强度，而且输出功率会由附加光源提供。由于输入信号的强度可能比附加光源的强度弱，因此光学晶体管把光学信号放大。电子晶体管构成了现代电子设备的基础，而光学晶体管就是为了模拟它。光学晶体管提供仅使用光来控制光的手段，并且在光学计算和光纤通信网络中具有应用。这种技术有望超越电子设备的速度，同时降低功耗。

由于光子本身不会互相作用，因此光学晶体管必须使用介质介导互相作用。这可以在不将光学信号转换为电子信号作为中间步骤的情况下实现。利用各种操作介质的实现方式已经被提出并通过了实验证明。然而，他们与现代电子产品竞争的能力目前是有限的。

应用

光学晶体管可用于改善光纤通信网络的性能。虽然光纤缆线用于传输数据，但现时信号路由等任务是通过电子的方式才能够完成。这需要先将光信号转换成电子信号，然后再转换成光信号，此举造成了瓶颈。原则上，使用布置在積體光學中的光学晶体管可以实现全光学数字信号处理以及路由功能[1]。相同的装置可以用来创建新的类型的光放大器，以弥补光子沿着传输线移动导致信号衰减的问题。

光学晶体管其中一个更为复杂的应用是开发光学数字计算机，当中光子取代了电子，成为信息的新载体。此外，使用单光子操作的光学晶体管可以形成量子信息处理的组成部分，其中它们可以用于选择性地寻址量子信息的各个单元，称为量子位元。

与电子产品比较

最常见的光学逻辑案例是光学晶体管的开关时间比传统的电子晶体管快得多。这是因为光学介质中的光速通常比半导体中电子的漂移速度快得多。

光学晶体管可以直接连接到光纤缆线，而电子器件需要通过光电探测器和发光二极管或激光器耦合。全光信号处理器与光纤的更自然的集成将降低光通信网络中信号的路由和其他处理的复杂性和延迟。

光学处理是否可以将单个晶体管切换所需的能量减少到小于电子晶体管的能量仍然值得怀疑。为了实际竞争，每次操作都需要几十个光子的晶体管。然而，很明显，这在用于量子信息处理的所提出的单光子晶体管[2] [3]是可实现的。

也许光学电子逻辑的最显着优势是降低功耗。这是因为各个逻辑门之间的连接中没有电容。在电子设备中，传输线需要充电到信号电压。传输线的电容与其长度成比例，并且当其长度等于单个栅极的长度时，它超过逻辑门中的晶体管的电容。传输线的充电是电子逻辑中的主要能量损失之一。在光通信中避免了这种损失，其中在接收端仅有足够的能量来切换光学晶体管必须沿着线路传输。这一事实在光纤用于长距离通信方面发挥了重要作用，但尚未在微处理器层面得到开发。

除了具有更高速度，更低功耗和与光通信系统的高兼容性的潜在优势之外，光学晶体管必须满足一组基准才能与电子产品竞争。[4] 暂时没有一种设计能够满足所有这些标准，同时优于最先进电子设备的速度和功耗。

标准包括：

  • 扇出 - 晶体管输出必须具有正确的形式并且具有足够的功率来操作至少两个晶体管的输入。 这意味着输入和输出波长 ，光束形状和脉冲形状必须兼容。
  • 逻辑电平恢复 - 信号需要由每个晶体管“清理”。必须消除信号质量的噪声和降级，使它们不会传播通过系统并累积产生错误。
  • 逻辑电平与损耗无关 - 在光通信中，由于光纤电缆中的光吸收，信号强度随距离减小。 因此，简单的强度阈值不能区分任意长度互连的开关信号。系统必须编码不同频率的零和1，使用差分信令，其中两个不同功率的比率或差异携带逻辑信号以避免错误。

实现

已经提出了几种方案来实现全光学晶体管。在许多情况下，已经通过实验证明了概念证明。其中的设计基于：

  • 电磁感应透明度
    • 在光学腔或微谐振器中，透射由较弱的栅极光子通量控制[5] [6]
    • 在自由空间中，即没有谐振器，通过解决强相互作用的里德堡态 [7] [8]
  • 间接激子系统（由具有静态偶极矩的双量子阱中的束缚电子和空穴组成）。 间接激子由光和衰变产生的光发射，由于它们的偶极子排列而强烈相互作用。 [9] [10]
  • 微腔极化子系统（ 光学微腔内的激子 - 极化子 ），类似于基于激子的光学晶体管， 极化子促进光子之间的有效相互作用[11]
  • 具有有源拉曼增益介质的光子晶体腔[12]
  • 腔开关调制时域中的腔特性，用于量子信息应用[13] 。
  • 基于纳米线的空腔采用极化相互作用进行光学转换[14]
  • 硅微环放置在光信号的路径上。 栅极光子加热硅微环，引起光学谐振频率的偏移，导致光学供应的给定频率下的透明度变化。 [15]
  • 一个双镜光学腔，通过光学镊子捕获大约20,000个铯原子并激光冷却到几微克尔 。 铯合体不与光相互作用，因此是透明的。 腔镜之间的往返行程的长度等于入射光源的波长的整数倍，允许腔传输源光。 来自栅极光场的光子从侧面进入腔体，每个光子与另外的“控制”光场相互作用，改变单个原子的状态以与腔体光场共振，从而改变场的共振波长并阻挡透射源字段，从而“切换”“设备”。 虽然改变的原子仍未被识别，但量子干涉允许从铯中回收门光子。 单门光子可以重定向包含多达两个光子的源场，然后阻止门光子的检索，高于正增益的临界阈值。 [16]

参看

参考资料

  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  . 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  . 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. （原始内容 (PDF)于2020-01-03）. 
  5. ^ Chen, W.; Beck, K. M.; Bucker, R.; Gullans, M.; Lukin, M. D.; Tanji-Suzuki, H.; Vuletic, V. All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon. Science. 2013, 341 (6147): 768–70. Bibcode:2013Sci...341..768C. PMID 23828886. arXiv:1401.3194  . doi:10.1126/science.1238169. 
  6. ^ Clader, B. D.; Hendrickson, S. M. Microresonator-based all-optical transistor. Journal of the Optical Society of America B. 2013, 30 (5): 1329. Bibcode:2013JOSAB..30.1329C. arXiv:1210.0814  . doi:10.1364/JOSAB.30.001329. 
  7. ^ Gorniaczyk, H.; Tresp, C.; Schmidt, J.; Fedder, H.; Hofferberth, S. Single-Photon Transistor Mediated by Interstate Rydberg Interactions. Physical Review Letters. 2014, 113 (5): 053601. Bibcode:2014PhRvL.113e3601G. PMID 25126918. arXiv:1404.2876  . doi:10.1103/PhysRevLett.113.053601. 
  8. ^ Tiarks, D.; Baur, S.; Schneider, K.; Dürr, S.; Rempe, G. Single-Photon Transistor Using a Förster Resonance. Physical Review Letters. 2014, 113 (5). Bibcode:2014PhRvL.113e3602T. arXiv:1404.3061  . doi:10.1103/PhysRevLett.113.053602. 
  9. ^ Andreakou, P.; Poltavtsev, S. V.; Leonard, J. R.; Calman, E. V.; Remeika, M.; Kuznetsova, Y. Y.; Butov, L. V.; Wilkes, J.; Hanson, M. Optically controlled excitonic transistor. Applied Physics Letters. 2014, 104 (9): 091101. Bibcode:2014ApPhL.104i1101A. arXiv:1310.7842  . doi:10.1063/1.4866855. 
  10. ^ Kuznetsova, Y. Y.; Remeika, M.; High, A. A.; Hammack, A. T.; Butov, L. V.; Hanson, M.; Gossard, A. C. All-optical excitonic transistor. Optics Letters. 2010, 35 (10): 1587–9. Bibcode:2010OptL...35.1587K. PMID 20479817. doi:10.1364/OL.35.001587. 
  11. ^ Ballarini, D.; De Giorgi, M.; Cancellieri, E.; Houdré, R.; Giacobino, E.; Cingolani, R.; Bramati, A.; Gigli, G.; Sanvitto, D. All-optical polariton transistor. Nature Communications. 2013, 4: 1778. Bibcode:2013NatCo...4E1778B. PMID 23653190. arXiv:1201.4071  . doi:10.1038/ncomms2734. 
  12. ^ Arkhipkin, V. G.; Myslivets, S. A. All-optical transistor using a photonic-crystal cavity with an active Raman gain medium. Physical Review A. 2013, 88 (3). Bibcode:2013PhRvA..88c3847A. doi:10.1103/PhysRevA.88.033847. 
  13. ^ Jin, C.-Y.; Johne, R.; Swinkels, M.; Hoang, T.; Midolo, L.; van Veldhoven, P.J.; Fiore, A. Ultrafast non-local control of spontaneous emission. Nature Nanotechnology. Nov 2014, 9: 886–890. Bibcode:2014NatNa...9..886J. arXiv:1311.2233  . doi:10.1038/nnano.2014.190. 
  14. ^ Piccione, B.; Cho, C. H.; Van Vugt, L. K.; Agarwal, R. All-optical active switching in individual semiconductor nanowires. Nature Nanotechnology. 2012, 7 (10): 640–5. Bibcode:2012NatNa...7..640P. PMID 22941404. doi:10.1038/nnano.2012.144. 
  15. ^ Varghese, L. T.; Fan, L.; Wang, J.; Gan, F.; Wang, X.; Wirth, J.; Niu, B.; Tansarawiput, C.; Xuan, Y. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII. 2012: FW6C.FW66. ISBN 978-1-55752-956-5. doi:10.1364/FIO.2012.FW6C.6. 
  16. ^ Volz, J.; Rauschenbeutel, A. Triggering an Optical Transistor with One Photon. Science. 2013, 341 (6147): 725–6. Bibcode:2013Sci...341..725V. PMID 23950521. doi:10.1126/science.1242905. 

五月 05, 2023
光学晶体管, 此條目需要补充更多来源, 2021年4月25日, 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目, 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除, 致使用者, 请搜索一下条目的标题, 来源搜索, 网页, 新闻, 书籍, 学术, 图像, 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源, 判定指引, 又称为光学开关或光阀门, 是切换或放大光学信号的装置, 在输入端出现的光会改变晶体管输出端的光的强度, 而且输出功率会由附加光源提供, 由于输入信号的强度可能比附加光源的强度弱, 因此把光学信号放大, 电子晶体管构成了现代电子. 此條目需要补充更多来源 2021年4月25日 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除 致使用者 请搜索一下条目的标题 来源搜索 光学晶体管 网页 新闻 书籍 学术 图像 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源 判定指引 光学晶体管 又称为光学开关或光阀门 是切换或放大光学信号的装置 在光学晶体管输入端出现的光会改变晶体管输出端的光的强度 而且输出功率会由附加光源提供 由于输入信号的强度可能比附加光源的强度弱 因此光学晶体管把光学信号放大 电子晶体管构成了现代电子设备的基础 而光学晶体管就是为了模拟它 光学晶体管提供仅使用光来控制光的手段 并且在光学计算和光纤通信网络中具有应用 这种技术有望超越电子设备的速度 同时降低功耗 由于光子本身不会互相作用 因此光学晶体管必须使用介质介导互相作用 这可以在不将光学信号转换为电子信号作为中间步骤的情况下实现 利用各种操作介质的实现方式已经被提出并通过了实验证明 然而 他们与现代电子产品竞争的能力目前是有限的 目录 1 应用 2 与电子产品比较 3 实现 4 参看 5 参考资料应用 编辑光学晶体管可用于改善光纤通信网络的性能 虽然光纤缆线用于传输数据 但现时信号路由等任务是通过电子的方式才能够完成 这需要先将光信号转换成电子信号 然后再转换成光信号 此举造成了瓶颈 原则上 使用布置在積體光學中的光学晶体管可以实现全光学数字信号处理以及路由功能 1 相同的装置可以用来创建新的类型的光放大器 以弥补光子沿着传输线移动导致信号衰减的问题 光学晶体管其中一个更为复杂的应用是开发光学数字计算机 当中光子取代了电子 成为信息的新载体 此外 使用单光子操作的光学晶体管可以形成量子信息处理的组成部分 其中它们可以用于选择性地寻址量子信息的各个单元 称为量子位元 与电子产品比较 编辑最常见的光学逻辑案例是光学晶体管的开关时间比传统的电子晶体管快得多 这是因为光学介质中的光速通常比半导体中电子的漂移速度快得多 光学晶体管可以直接连接到光纤缆线 而电子器件需要通过光电探测器和发光二极管或激光器耦合 全光信号处理器与光纤的更自然的集成将降低光通信网络中信号的路由和其他处理的复杂性和延迟 光学处理是否可以将单个晶体管切换所需的能量减少到小于电子晶体管的能量仍然值得怀疑 为了实际竞争 每次操作都需要几十个光子的晶体管 然而 很明显 这在用于量子信息处理的所提出的单光子晶体管 2 3 是可实现的 也许光学电子逻辑的最显着优势是降低功耗 这是因为各个逻辑门之间的连接中没有电容 在电子设备中 传输线需要充电到信号电压 传输线的电容与其长度成比例 并且当其长度等于单个栅极的长度时 它超过逻辑门中的晶体管的电容 传输线的充电是电子逻辑中的主要能量损失之一 在光通信中避免了这种损失 其中在接收端仅有足够的能量来切换光学晶体管必须沿着线路传输 这一事实在光纤用于长距离通信方面发挥了重要作用 但尚未在微处理器层面得到开发 除了具有更高速度 更低功耗和与光通信系统的高兼容性的潜在优势之外 光学晶体管必须满足一组基准才能与电子产品竞争 4 暂时没有一种设计能够满足所有这些标准 同时优于最先进电子设备的速度和功耗 标准包括 扇出 晶体管输出必须具有正确的形式并且具有足够的功率来操作至少两个晶体管的输入 这意味着输入和输出波长 光束形状和脉冲形状必须兼容 逻辑电平恢复 信号需要由每个晶体管 清理 必须消除信号质量的噪声和降级 使它们不会传播通过系统并累积产生错误 逻辑电平与损耗无关 在光通信中 由于光纤电缆中的光吸收 信号强度随距离减小 因此 简单的强度阈值不能区分任意长度互连的开关信号 系统必须编码不同频率的零和1 使用差分信令 其中两个不同功率的比率或差异携带逻辑信号以避免错误 实现 编辑已经提出了几种方案来实现全光学晶体管 在许多情况下 已经通过实验证明了概念证明 其中的设计基于 电磁感应透明度 在光学腔或微谐振器中 透射由较弱的栅极光子通量控制 5 6 在自由空间中 即没有谐振器 通过解决强相互作用的里德堡态 7 8 间接激子系统 由具有静态偶极矩的双量子阱中的束缚电子和空穴组成 间接激子由光和衰变产生的光发射 由于它们的偶极子排列而强烈相互作用 9 10 微腔极化子系统 光学微腔内的激子 极化子 类似于基于激子的光学晶体管 极化子促进光子之间的有效相互作用 11 具有有源拉曼增益介质的光子晶体腔 12 腔开关调制时域中的腔特性 用于量子信息应用 13 基于纳米线的空腔采用极化相互作用进行光学转换 14 硅微环放置在光信号的路径上 栅极光子加热硅微环 引起光学谐振频率的偏移 导致光学供应的给定频率下的透明度变化 15 一个双镜光学腔 通过光学镊子捕获大约20 000个铯原子并激光冷却到几微克尔 铯合体不与光相互作用 因此是透明的 腔镜之间的往返行程的长度等于入射光源的波长的整数倍 允许腔传输源光 来自栅极光场的光子从侧面进入腔体 每个光子与另外的 控制 光场相互作用 改变单个原子的状态以与腔体光场共振 从而改变场的共振波长并阻挡透射源字段 从而 切换 设备 虽然改变的原子仍未被识别 但量子干涉允许从铯中回收门光子 单门光子可以重定向包含多达两个光子的源场 然后阻止门光子的检索 高于正增益的临界阈值 16 参看 编辑芯片上的光网络 光学互连 光学开关 并行光学接口 光通信 光纤电缆 光子学 光电子 电子产品 晶体管 光学物理 光 光子 光学 激光 二极管 半导体 电气元素 电子元件参考资料 编辑 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 doi 10 1088 0022 3727 47 13 133001 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 doi 10 1103 PhysRevLett 111 063601 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 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 原始内容存档 PDF 于2020 01 03 Chen W Beck K M Bucker R Gullans M Lukin M D Tanji Suzuki H Vuletic V All Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon Science 2013 341 6147 768 70 Bibcode 2013Sci 341 768C PMID 23828886 arXiv 1401 3194 doi 10 1126 science 1238169 Clader B D Hendrickson S M Microresonator based all optical transistor Journal of the Optical Society of America B 2013 30 5 1329 Bibcode 2013JOSAB 30 1329C arXiv 1210 0814 doi 10 1364 JOSAB 30 001329 Gorniaczyk H Tresp C Schmidt J Fedder H Hofferberth S Single Photon Transistor Mediated by Interstate Rydberg Interactions Physical Review Letters 2014 113 5 053601 Bibcode 2014PhRvL 113e3601G PMID 25126918 arXiv 1404 2876 doi 10 1103 PhysRevLett 113 053601 Tiarks D Baur S Schneider K Durr S Rempe G Single Photon Transistor Using a Forster Resonance Physical Review Letters 2014 113 5 Bibcode 2014PhRvL 113e3602T arXiv 1404 3061 doi 10 1103 PhysRevLett 113 053602 Andreakou P Poltavtsev S V Leonard J R Calman E V Remeika M Kuznetsova Y Y Butov L V Wilkes J Hanson M Optically controlled excitonic transistor Applied Physics Letters 2014 104 9 091101 Bibcode 2014ApPhL 104i1101A arXiv 1310 7842 doi 10 1063 1 4866855 Kuznetsova Y Y Remeika M High A A Hammack A T Butov L V Hanson M Gossard A C All optical excitonic transistor Optics Letters 2010 35 10 1587 9 Bibcode 2010OptL 35 1587K PMID 20479817 doi 10 1364 OL 35 001587 Ballarini D De Giorgi M Cancellieri E Houdre R Giacobino E Cingolani R Bramati A Gigli G Sanvitto D All optical polariton transistor Nature Communications 2013 4 1778 Bibcode 2013NatCo 4E1778B PMID 23653190 arXiv 1201 4071 doi 10 1038 ncomms2734 Arkhipkin V G Myslivets S A All optical transistor using a photonic crystal cavity with an active Raman gain medium Physical Review A 2013 88 3 Bibcode 2013PhRvA 88c3847A doi 10 1103 PhysRevA 88 033847 Jin C Y Johne R Swinkels M Hoang T Midolo L van Veldhoven P J Fiore A Ultrafast non local control of spontaneous emission Nature Nanotechnology Nov 2014 9 886 890 Bibcode 2014NatNa 9 886J arXiv 1311 2233 doi 10 1038 nnano 2014 190 Piccione B Cho C H Van Vugt L K Agarwal R All optical active switching in individual semiconductor nanowires Nature Nanotechnology 2012 7 10 640 5 Bibcode 2012NatNa 7 640P PMID 22941404 doi 10 1038 nnano 2012 144 Varghese L T Fan L Wang J Gan F Wang X Wirth J Niu B Tansarawiput C Xuan Y Frontiers in Optics 2012 Laser Science XXVIII 2012 FW6C FW66 ISBN 978 1 55752 956 5 doi 10 1364 FIO 2012 FW6C 6 Volz J Rauschenbeutel A Triggering an Optical Transistor with One Photon Science 2013 341 6147 725 6 Bibcode 2013Sci 341 725V PMID 23950521 doi 10 1126 science 1242905 取自 https zh wikipedia org w index php title 光学晶体管 amp oldid 65355065, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

文章

，阅读，下载，免费，免费下载，mp3，视频，mp4，3gp， jpg，jpeg，gif，png，图片，音乐，歌曲，电影，书籍，游戏，游戏。