Transistor óptico

Un transistor óptico , también conocido como transistor fotónico , interruptor óptico o válvula de luz , es un dispositivo que conmuta o amplifica señales ópticas . La luz que incide en la entrada de un transistor óptico modifica la intensidad de la luz emitida por su salida, mientras que la potencia de salida es suministrada por una fuente óptica adicional. Dado que la intensidad de la señal de entrada puede ser menor que la de la fuente, el transistor óptico amplifica la señal óptica. Este dispositivo es el análogo óptico del transistor electrónico que constituye la base de los dispositivos electrónicos modernos. Los transistores ópticos permiten controlar la luz utilizando únicamente luz y tienen aplicaciones en computación óptica y redes de comunicación por fibra óptica . Esta tecnología tiene el potencial de superar la velocidad de la electrónica , a la vez que ahorra más energía .

La señal de conmutación totalmente óptica más rápida demostrada es de 900 attosegundos , lo que abre el camino para el desarrollo de transistores ópticos ultrarrápidos. ^{[ 1 ]}

Dado que los fotones no interactúan entre sí, un transistor óptico debe emplear un medio operativo para mediar dichas interacciones. Esto se logra sin convertir señales ópticas en electrónicas como paso intermedio. Se han propuesto y demostrado experimentalmente implementaciones que utilizan diversos medios operativos. Sin embargo, su capacidad para competir con la electrónica moderna es actualmente limitada.

Los transistores ópticos podrían utilizarse para mejorar el rendimiento de las redes de comunicación por fibra óptica . Si bien los cables de fibra óptica se utilizan para la transferencia de datos, tareas como el enrutamiento de señales se realizan electrónicamente. Esto requiere una conversión óptico-electrónica-óptica, que genera cuellos de botella. En principio, el procesamiento y enrutamiento de señales digitales totalmente ópticos es posible mediante transistores ópticos dispuestos en circuitos integrados fotónicos . ^{[ 2 ]} Estos mismos dispositivos podrían utilizarse para crear nuevos tipos de amplificadores ópticos que compensen 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 transmisores de luz) en lugar de electrónicas (cables). Además, los transistores ópticos que funcionan con fotones individuales podrían formar parte integral del procesamiento de información cuántica, donde se pueden usar para acceder selectivamente a unidades individuales de información cuántica, conocidas como cúbits .

En teoría, los transistores ópticos podrían ser inmunes a la alta radiación del espacio y de los planetas extraterrestres, a diferencia de los transistores electrónicos, que sufren perturbaciones por eventos únicos .

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 en los transistores electrónicos convencionales. Esto se debe a que la velocidad de la luz en un medio óptico suele ser mucho mayor que la velocidad de deriva de los electrones en los semiconductores.

Los transistores ópticos pueden conectarse directamente a cables de fibra óptica, mientras que la electrónica requiere acoplamiento mediante fotodetectores , LED o láseres . La integración más natural de procesadores de señal totalmente ópticos con fibra óptica reduciría la complejidad y la latencia en el enrutamiento y otros procesos de señales en redes de comunicación óptica.

Sigue siendo cuestionable si el procesamiento óptico puede reducir la energía necesaria para conmutar un solo transistor a un nivel inferior al de los transistores electrónicos. Para competir de forma realista, los transistores requieren unas pocas decenas de fotones por operación. Sin embargo, es evidente que esto es posible en los transistores de un solo fotón propuestos ^{[ 3 ] [ 4 ]} para el procesamiento de información cuántica.

Quizás la ventaja más significativa de la lógica óptica sobre la electrónica sea la reducción del consumo de energía. Esto se debe a la ausencia de capacitancia en las conexiones entre las compuertas lógicas individuales . En electrónica, la línea de transmisión necesita cargarse al voltaje de la señal . La capacitancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud y supera la capacitancia de los transistores en una compuerta lógica cuando su longitud es igual a la de una sola compuerta. 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 a través de la línea la energía suficiente para conmutar un transistor óptico en el extremo receptor. Este hecho ha sido fundamental para la adopción de la fibra óptica en 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 sistemas de comunicación óptica, los transistores ópticos deben cumplir una serie de requisitos antes de poder competir con la electrónica. ^{[ 5 ]} Ningún diseño ha cumplido aún todos estos criterios superando la velocidad y el consumo de energía de la electrónica de última generación.

Los criterios incluyen:

• Distribución de potencia: La salida del transistor debe tener la forma correcta y la potencia suficiente para alimentar 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 de pulso deben ser compatibles.
• Restauración del nivel lógico: La señal debe ser "limpiada" por cada transistor. El ruido y las degradaciones en la calidad de la señal deben eliminarse para que no se propaguen por el sistema y se acumulen, produciendo errores.
• Nivel lógico independiente de la pérdida: En la comunicación óptica, la intensidad de la señal disminuye con la distancia debido a la absorción de la luz en el cable de fibra óptica. Por lo tanto, un simple umbral de intensidad no permite distinguir entre señales activadas y desactivadas en interconexiones de longitud arbitraria. El sistema debe codificar ceros y unos a diferentes frecuencias, utilizando señalización diferencial donde la relación o diferencia entre dos potencias distintas transmite la señal lógica para evitar errores.

Se han propuesto varios esquemas para implementar transistores totalmente ópticos. En muchos casos, se ha demostrado experimentalmente la viabilidad del concepto . Entre los diseños se encuentran los basados ​​en:

• transparencia inducida electromagnéticamente
  • en una cavidad óptica o microresonador, donde la transmisión está controlada por un flujo más débil de fotones de puerta ^{[ 6 ] [ 7 ]}
  • en el espacio libre, es decir, sin un resonador, abordando estados de Rydberg que interactúan fuertemente ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• un sistema de excitones indirectos (compuestos por pares ligados de electrones y huecos en pozos cuánticos dobles con un momento dipolar estático ). Los excitones indirectos, que se crean por la luz y decaen emitiendo luz, interactúan fuertemente debido a la alineación de sus dipolos. ^{[ 10 ] [ 11 ]}
• un sistema de polaritones de microcavidad ( polaritones de excitón 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 cristal fotónico 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 la conmutación óptica ^{[ 15 ]}
• Microanillos de silicio colocados en la trayectoria de una señal óptica. Los fotones de puerta calientan el microanillo de silicio, provocando un desplazamiento en la frecuencia de resonancia óptica, lo que conlleva un cambio en la transparencia a una frecuencia determinada de la fuente óptica. ^{[ 16 ]}
• Una cavidad óptica de doble espejo contiene alrededor de 20 000 átomos de cesio atrapados mediante 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 a la cavidad transmitir la luz de la fuente. Los fotones del campo de luz de puerta entraban en la cavidad lateralmente, 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". Si bien el átomo modificado permanece sin identificar, la interferencia cuántica permite recuperar el fotón de puerta del cesio. Un solo fotón de puerta podía redirigir un campo de fuente que contenía hasta dos fotones antes de que la recuperación del fotón de puerta se viera impedida, por encima del umbral crítico para una ganancia positiva. ^{[ 17 ]}
• en una solución acuosa concentrada que contiene aniones yoduro ^{[ 18 ]}
• Modificación de la reflectividad del material dieléctrico para demostrar la conmutación óptica de "petahertz" en el rango de los attosegundos. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}
• Demostración del transistor óptico de petahercios (POT) mediante la generación de corriente cuántica inducida por luz en un transistor de grafeno ^{[ 22 ]}