«Фотонный транзистор» изменит обработку оптического сигнала

Высокопроизводительный «фотонный транзистор», который переключает световые сигналы вместо электрических, может революционизировать оптическую обработку сигнала.

Электронные транзисторы, которые действуют как миниатюрные переключатели для управления электрическим током, лежат в основе микроэлектроники и компьютеров. Современные микропроцессорные чипы содержать несколько миллиардов транзисторов, которые переключают электрические сигналы, протекающие в проводах и межсоединениях. С увеличением скорости обработки данных и сокращением размеров чипов, однако, в проводах и межсоединениях значительная часть энергии превращается в тепло.

Одной из альтернатив является замена электрических межсоединений энергоэффективными оптическими, которые передают данные, используя световые сигналы. Тем не менее, практического аналога транзистора для оптических межсоединений еще не существует. Однако Вивек Кришнамурти (Vivek Krishnamurthy) из A*STAR Data Storage Institute с коллегами из Сингапура и США разрабатывает практический «фотонный транзистор» для оптических межсоединений, который может управлять световыми сигналами подобно электронным транзисторам.

Конструкция последнего фотонного транзистора исследователей основана на распространенных полупроводниковых технологиях и обладает привлекательными свойствами: высоким усилением переключения, низким энергопотреблением и высокой скоростью работы.

Важно отметить, что конструкция позволяет получить усиление переключения больше или равным 2. Это означает, что выходной сигнал более чем вдвое превышает силу входного сигнала. Таким образом, транзистор может быть каскадирован: выходной сигнал от одного фотонного транзистора является достаточно сильным, так что он может быть разветвлен и запитывать несколько других. Известная как «разветвление», эта функция означает, что дизайн может стать строительным блоком для построения более крупных схем со многими такими переключающими элементами, соединенными между собой для полностью оптической обработки на платформе оптических межсоединений для передачи данных и телекоммуникаций. Кроме того, по словам Кришнамурти, устройство потребляет в 10-20 раз меньше энергии, чем обычные полностью оптические коммутационные технологии, и может работать на очень высокой скорости.

Устройство состоит из цепи связанных кремниевых волноводов, которые направляют инфракрасный свет с длиной волны 1,5 мкм. Некоторые из волноводов имеют оптически активное вещество, такое как полупроводник из индия галлия арсенида, которое может усиливать или поглощать световой сигнал в зависимости от того, возбуждается ли оно оптически, или нет. Во время работы устройства использовалась интенсивность коротковолнового пучка маршрутизации для управления силой выходного пучка путем изменения поглощения и усиления в схеме.

В настоящее время исследователи работают над экспериментальной реализацией своего оптического транзистора. «Мы реализуем его на кремниевом чипе, так что он будет совместим с современными стандартами микроэлектронной промышленности, что позволит запустить транзистор в коммерческое производство, - объяснил Кришнамурти. - Как только мы экспериментально проверим прототип, мы можем в дальнейшем интегрировать его в крупномасштабные системы оптической коммутации для оптических межсоединений».