Tranzystor optyczny 10 GHz zbudowany z krzemu

Elektrony są całkiem dobre w przetwarzaniu informacji, ale nie tak dobre w przenoszeniu ich na duże odległości. Z drugiej strony fotony wykonują świetną robotę, przesyłając dane po całej planecie, ale nie są tak przydatne, jeśli chodzi o ich przetwarzanie.

W rezultacie tranzystory są elektroniczne, a kable komunikacyjne są optyczne. A świat jest obciążony znaczną ilością energochłonnej infrastruktury do przekształcania informacji elektronicznych w odmianę optyczną i odwrotnie.

Nic więc dziwnego, że istnieje duże zainteresowanie opracowaniem tranzystora optycznego, który mógłby sprawić, że odmiana elektroniczna stanie się przestarzała.

Jest jednak poważny problem. Chociaż różne grupy zbudowały przełączniki optyczne, tranzystory optyczne muszą mieć również szereg innych właściwości, aby można je było połączyć w sposób umożliwiający przetwarzanie informacji.

Na przykład ich wyjście musi być w stanie działać jako wejście dla innego tranzystora – nie jest to łatwe, na przykład, jeśli wyjście ma inną częstotliwość niż wejście. Co więcej, wyjście musi być w stanie sterować wejściem dla co najmniej dwóch innych tranzystorów, aby sygnały logiczne mogły się rozprzestrzeniać, co jest właściwością znaną jako fanout. Wymaga to znacznego zysku. Ponadto każdy tranzystor musi zachowywać jakość sygnału logicznego, aby błędy się nie rozprzestrzeniały. I tak dalej.

Kłopot polega na tym, że nikomu nie udało się wyprodukować tranzystorów optycznych, które potrafią wszystko i mogą być również wykonane z krzemu.

Dziś Leo Varghese z Purdue University w Indianie i kilku kumpli mówi, że zbudowali urządzenie, które robi znaczący krok w tym kierunku.

Ich tranzystor optyczny składa się z rezonatora mikropierścieniowego umieszczonego obok linii optycznej. W normalnych warunkach źródło światła wchodzi do linii optycznej, przechodzi wzdłuż niej, a następnie wychodzi. Ale przy określonej częstotliwości rezonansowej światło oddziałuje z rezonatorem mikropierścieniowym, znacznie zmniejszając moc wyjściową. W tym stanie wyjście jest zasadniczo wyłączone, mimo że zasilanie jest włączone.

Sztuczka, którą ci faceci udoskonalili, polega na użyciu innej linii optycznej, zwanej bramką, do podgrzewania mikropierścienia, zmieniając w ten sposób jego rozmiar, częstotliwość rezonansową i jego zdolność do interakcji z wyjściem.

To pozwala bramce włączać i wyłączać wyjście.

Jest dodatkowy sprytny zwrot. Oddziaływanie mikroringu z bramą jest silniejsze niż z linią zasilająco-wyjściową. To ważne, ponieważ oznacza to, że mały sygnał bramki może sterować znacznie większym sygnałem wyjściowym.

Varghese i wsp. mówią, że stosunek sygnału bramki do zasilania wynosi prawie 6 dB. To wystarczy, aby zasilić co najmniej dwa inne tranzystory, co jest dokładnie taką właściwością, jakiej wymagają tranzystory optyczne.

Ci faceci zbudowali nawet urządzenie z krzemu o przepustowości do 10 GHz.

To imponujący wynik, szczególnie kompatybilność z krzemem.

Niemniej jednak istnieją znaczne przeszkody, zanim komputer całkowicie optyczny wykonany z tych urządzeń będzie mógł liczyć na konkurowanie z jego elektronicznymi kuzynami.

Największym problemem jest zużycie energii. Znaczna część zużycia energii w tranzystorach elektronicznych wynika z konieczności ładowania linii łączących je z napięciem roboczym.

Teoretycznie tranzystory optyczne mogą być jeszcze bardziej wydajne – ich linie w ogóle nie wymagają ładowania. Ale w praktyce lasery spalają energię tak, jakby były to banknoty dwudziestodolarowe. Z tego powodu nie jest wcale jasne, czy tranzystory optyczne mogą dorównać wydajnością chipom elektronicznym.

A skoro przemysł komputerowy odpowiada obecnie za prawie 2 procent globalnej emisji dwutlenku węgla, prawie tyle samo co lotnictwo, zużycie energii może okazać się nadrzędnym czynnikiem przyszłego kierunku przetwarzania informacji.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1204.5515 : krzemowy tranzystor optyczny

ukryć