الترانزستور الضوئي

الترانزستور الضوئي ، المعروف أيضًا باسم الترانزستور الفوتوني أو المفتاح الضوئي أو صمام الضوء ، هو جهاز يُستخدم لتبديل أو تضخيم الإشارات الضوئية . يؤدي الضوء الساقط على مدخل الترانزستور الضوئي إلى تغيير شدة الضوء المنبعث من مخرجه، بينما يتم توفير طاقة الخرج من مصدر ضوئي إضافي. ونظرًا لأن شدة إشارة المدخل قد تكون أضعف من شدة إشارة المصدر، يقوم الترانزستور الضوئي بتضخيم الإشارة الضوئية. يُعد هذا الجهاز النظير الضوئي للترانزستور الإلكتروني الذي يُشكل أساس الأجهزة الإلكترونية الحديثة. توفر الترانزستورات الضوئية وسيلة للتحكم في الضوء باستخدام الضوء فقط، ولها تطبيقات في الحوسبة الضوئية وشبكات الاتصالات عبر الألياف الضوئية . تتمتع هذه التقنية بإمكانية تجاوز سرعة الإلكترونيات ، مع توفير أكبر للطاقة .

أسرع إشارة تبديل ضوئية تم إثباتها هي 900 أتوثانية ، مما يمهد الطريق لتطوير ترانزستورات ضوئية فائقة السرعة. ^{[ 1 ]}

بما أن الفوتونات لا تتفاعل فيما بينها بطبيعتها، فإن الترانزستور الضوئي يحتاج إلى وسيط تشغيلي للتوسط في هذه التفاعلات. ويتم ذلك دون تحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات إلكترونية كخطوة وسيطة. وقد تم اقتراح تطبيقات تستخدم وسائط تشغيلية متنوعة، وتم إثباتها تجريبياً. ومع ذلك، فإن قدرتها على منافسة الإلكترونيات الحديثة محدودة حالياً.

يمكن استخدام الترانزستورات الضوئية لتحسين أداء شبكات الاتصالات بالألياف الضوئية . ورغم أن كابلات الألياف الضوئية تُستخدم لنقل البيانات، فإن مهامًا مثل توجيه الإشارات تُنفذ إلكترونيًا. وهذا يتطلب تحويلًا ضوئيًا-إلكترونيًا-ضوئيًا، مما يُشكل اختناقات. من حيث المبدأ، يُمكن تحقيق معالجة وتوجيه الإشارات الرقمية بالكامل باستخدام الترانزستورات الضوئية المُرتبة في دوائر متكاملة ضوئية . ^{[ 2 ]} ويمكن استخدام هذه الأجهزة نفسها لإنشاء أنواع جديدة من مُضخمات الإشارة الضوئية لتعويض توهين الإشارة على طول خطوط النقل.

من التطبيقات الأكثر تطوراً للترانزستورات الضوئية تطوير حاسوب رقمي ضوئي تكون فيه الإشارات ضوئية (أي عبر وسائط ناقلة للضوء) بدلاً من إلكترونية (أسلاك). علاوة على ذلك، يمكن أن تشكل الترانزستورات الضوئية التي تعمل باستخدام فوتونات مفردة جزءاً لا يتجزأ من معالجة المعلومات الكمومية، حيث يمكن استخدامها لمعالجة وحدات المعلومات الكمومية الفردية، المعروفة باسم الكيوبتات ، بشكل انتقائي .

من الناحية النظرية، يمكن أن تكون الترانزستورات الضوئية غير قابلة للتأثر بالإشعاع العالي للفضاء والكواكب الخارجية، على عكس الترانزستورات الإلكترونية التي تعاني من اضطراب الحدث الفردي .

إنّ الحجة الأكثر شيوعًا لصالح المنطق البصري هي أن أزمنة تبديل الترانزستورات الضوئية يمكن أن تكون أسرع بكثير من الترانزستورات الإلكترونية التقليدية. ويعود ذلك إلى أن سرعة الضوء في الوسط البصري عادةً ما تكون أسرع بكثير من سرعة انجراف الإلكترونات في أشباه الموصلات.

يمكن ربط الترانزستورات الضوئية مباشرةً بكابلات الألياف الضوئية، بينما تتطلب الإلكترونيات التوصيل عبر كاشفات ضوئية ومصابيح LED أو ليزرات . من شأن التكامل السلس لمعالجات الإشارات الضوئية بالكامل مع الألياف الضوئية أن يقلل من التعقيد والتأخير في توجيه الإشارات ومعالجتها في شبكات الاتصالات الضوئية.

يبقى من غير المؤكد ما إذا كانت المعالجة الضوئية قادرة على خفض الطاقة اللازمة لتشغيل ترانزستور واحد إلى أقل من تلك اللازمة لتشغيل الترانزستورات الإلكترونية. وللمنافسة بفعالية، تتطلب الترانزستورات بضع عشرات من الفوتونات لكل عملية. ومع ذلك، من الواضح أن هذا ممكن في الترانزستورات أحادية الفوتون المقترحة ^{[ 3 ] [ 4 ]} لمعالجة المعلومات الكمومية.

لعلّ أهم ميزة للمنطق الضوئي مقارنةً بالمنطق الإلكتروني هي انخفاض استهلاك الطاقة. ويعود ذلك إلى انعدام السعة الكهربائية في الوصلات بين البوابات المنطقية الفردية . في الإلكترونيات، يجب شحن خط النقل بجهد الإشارة . تتناسب سعة خط النقل طرديًا مع طوله، وتتجاوز سعة الترانزستورات في البوابة المنطقية عندما يكون طوله مساويًا لطول بوابة واحدة. يُعدّ شحن خطوط النقل أحد أهم مصادر فقد الطاقة في المنطق الإلكتروني. يُتجنب هذا الفقد في الاتصالات الضوئية، حيث يكفي نقل الطاقة اللازمة لتشغيل ترانزستور ضوئي في الطرف المستقبل عبر الخط. وقد لعب هذا العامل دورًا رئيسيًا في انتشار استخدام الألياف الضوئية للاتصالات بعيدة المدى، ولكنه لم يُستغل بعد على مستوى المعالجات الدقيقة.

إلى جانب المزايا المحتملة المتمثلة في السرعة العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة، والتوافق الكبير مع أنظمة الاتصالات الضوئية، يجب أن تستوفي الترانزستورات الضوئية مجموعة من المعايير قبل أن تتمكن من منافسة الإلكترونيات. ^{[ 5 ]} لم ينجح أي تصميم حتى الآن في استيفاء جميع هذه المعايير مع تفوقه في السرعة واستهلاك الطاقة على أحدث الإلكترونيات.

تشمل المعايير ما يلي:

• يجب أن يكون خرج الترانزستور بالشكل الصحيح وبقدرة كافية لتشغيل مدخلات ترانزستورين على الأقل. وهذا يعني أن أطوال موجات الإدخال والإخراج ، وأشكال الشعاع، وأشكال النبضات يجب أن تكون متوافقة.
• استعادة مستوى المنطق - يجب "تنقية" الإشارة بواسطة كل ترانزستور. يجب إزالة التشويش وتدهور جودة الإشارة حتى لا ينتشر عبر النظام ويتراكم ليُسبب أخطاءً.
• مستوى منطقي مستقل عن الفقد - في الاتصالات الضوئية، تتناقص شدة الإشارة مع المسافة نتيجة امتصاص الضوء في كابل الألياف الضوئية. لذا، لا يمكن لعتبة شدة بسيطة التمييز بين إشارات التشغيل والإيقاف في وصلات ذات أطوال مختلفة. يجب على النظام ترميز الأصفار والآحاد بترددات مختلفة، واستخدام الإشارات التفاضلية حيث تحمل النسبة أو الفرق بين قوتين مختلفتين الإشارة المنطقية لتجنب الأخطاء.

تم اقتراح العديد من المخططات لتنفيذ الترانزستورات الضوئية بالكامل. وفي كثير من الحالات، تم إثبات صحة المفهوم تجريبياً. ومن بين هذه التصاميم تلك القائمة على:

• الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا
  • في تجويف بصري أو رنان دقيق، حيث يتم التحكم في النقل بواسطة تدفق أضعف من فوتونات البوابة ^{[ 6 ] [ 7 ]}
  • في الفضاء الحر، أي بدون رنان، من خلال معالجة حالات ريدبيرج المتفاعلة بقوة ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• نظام من الإكسيتونات غير المباشرة (يتكون من أزواج مترابطة من الإلكترونات والفجوات في آبار كمومية مزدوجة ذات عزم ثنائي قطب ثابت ). تتفاعل الإكسيتونات غير المباشرة، التي تتولد بفعل الضوء وتتحلل لتُصدر ضوءًا، بقوة بسبب اصطفاف ثنائيات أقطابها. ^{[ 10 ] [ 11 ]}
• نظام من البولاريتونات ذات التجويف الدقيق ( بولاريتونات الإكسيتون داخل تجويف بصري دقيق ) حيث، على غرار الترانزستورات البصرية القائمة على الإكسيتون، تسهل البولاريتونات التفاعلات الفعالة بين الفوتونات ^{[ 12 ].}
• تجاويف البلورات الضوئية مع وسط كسب رامان نشط ^{[ 13 ]}
• يقوم مفتاح التجويف بتعديل خصائص التجويف في المجال الزمني لتطبيقات المعلومات الكمومية. ^{[ 14 ]}
• تجاويف قائمة على الأسلاك النانوية تستخدم التفاعلات البولاريتونية للتبديل البصري ^{[ 15 ]}
• حلقات سيليكونية دقيقة موضوعة في مسار الإشارة الضوئية. تعمل فوتونات البوابة على تسخين الحلقة السيليكونية الدقيقة مما يتسبب في انزياح تردد الرنين الضوئي، مما يؤدي إلى تغيير في الشفافية عند تردد معين للمصدر الضوئي. ^{[ 16 ]}
• تجويف بصري مزدوج المرايا يحتوي على حوالي 20,000 ذرة سيزيوم محصورة بواسطة ملاقط ضوئية ومبردة بالليزر إلى بضع ميكروكلفن . لم تتفاعل مجموعة السيزيوم مع الضوء، وبالتالي كانت شفافة. كان طول المسار ذهابًا وإيابًا بين مرآتي التجويف مضاعفًا صحيحًا لطول موجة مصدر الضوء الساقط، مما سمح للتجويف بنقل ضوء المصدر. دخلت الفوتونات من مجال ضوء البوابة إلى التجويف من الجانب، حيث تفاعل كل فوتون مع مجال ضوء "تحكم" إضافي، مما غيّر حالة ذرة واحدة لتصبح رنانة مع المجال البصري للتجويف، الأمر الذي غيّر طول موجة رنين المجال وحجب انتقال مجال المصدر، وبالتالي "تشغيل" "الجهاز". بينما تبقى الذرة المتغيرة غير محددة، يسمح التداخل الكمي باستعادة فوتون البوابة من السيزيوم. يمكن لفوتون بوابة واحد أن يعيد توجيه مجال مصدر يحتوي على ما يصل إلى فوتونين قبل أن يتم إعاقة استرجاع فوتون البوابة، فوق العتبة الحرجة لتحقيق كسب موجب. ^{[ 17 ]}
• في محلول مائي مركز يحتوي على أنيونات اليوديد ^{[ 18 ]}
• تعديل انعكاسية المادة العازلة لإظهار التبديل البصري في نطاق الأتوثانية "بيتاهرتز". ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}
• عرض توضيحي لترانزستور بيتاهرتز البصري (POT) عن طريق توليد التيار الكمي المستحث بالضوء في ترانزستور الجرافين ^{[ 22 ]}