Схема прибора фотон на транзисторе. Транзисторный фотонный переключатель: перспективы развития оптических вычислений

Как работает транзисторный фотонный переключатель. Какие преимущества дает использование фотонов вместо электронов в вычислительной технике. Каковы перспективы создания полностью оптических компьютеров. Какие технологические барьеры необходимо преодолеть для внедрения оптических вычислений.

Принцип работы транзисторного фотонного переключателя

Транзисторный фотонный переключатель представляет собой устройство, способное переключаться между двумя стабильными энергетическими состояниями — электронным и фотонным. Это позволяет объединить преимущества электронных и оптических технологий в одном компоненте.

Ключевые особенности работы такого переключателя:

• Использует явление туннелирования электронов между зонами полупроводникового материала
• Фотоны света помогают перемещать электроны, ускоряя процесс переключения
• Способен переключаться между электрическим и оптическим выходным сигналом
• Может управляться как электрическим током, так и световыми импульсами

Такая гибридная конструкция позволяет объединить скорость оптических технологий с возможностью интеграции в существующие электронные схемы.

Преимущества использования фотонов в вычислительной технике

Переход от электронов к фотонам в качестве носителей информации открывает ряд существенных преимуществ:

• Более высокая скорость передачи данных — свет движется значительно быстрее электронов
• Меньшее энергопотребление и тепловыделение
• Возможность параллельной передачи нескольких сигналов по одному каналу
• Отсутствие электромагнитных помех
• Потенциально более высокая плотность размещения компонентов

Все это в перспективе позволит создавать более производительные и энергоэффективные вычислительные системы.

Технологические барьеры на пути к оптическим компьютерам

Несмотря на очевидные преимущества, создание полностью оптических компьютеров сталкивается с рядом серьезных технологических проблем:

1. Сложность миниатюризации оптических компонентов до размеров современных транзисторов
2. Необходимость разработки эффективных методов преобразования электрических сигналов в оптические и обратно
3. Отсутствие технологий массового производства оптических интегральных схем
4. Сложность реализации оптической памяти
5. Высокая стоимость оптических компонентов по сравнению с электронными аналогами

Преодоление этих барьеров потребует значительных инвестиций и научных прорывов в области нанофотоники и оптоэлектроники.

Перспективные направления исследований в области оптических вычислений

Ученые активно работают над решением ключевых проблем, препятствующих широкому внедрению оптических технологий в вычислительную технику. Наиболее перспективные направления исследований включают:

• Разработка гибридных оптоэлектронных схем, сочетающих преимущества обеих технологий
• Создание эффективных нанофотонных компонентов на основе метаматериалов
• Исследование возможностей применения квантовых точек и фотонных кристаллов
• Разработка методов интеграции оптических компонентов в кремниевые микросхемы
• Создание новых оптических материалов с улучшенными характеристиками

Успехи в этих областях позволят постепенно увеличивать долю оптических технологий в вычислительных системах.

Области применения оптических вычислительных технологий

Хотя полностью оптические компьютеры пока остаются делом будущего, уже сейчас можно выделить ряд перспективных областей применения оптических вычислительных технологий:

• Высокоскоростные телекоммуникационные системы
• Системы криптографической защиты информации
• Обработка больших объемов данных в реальном времени
• Высокопроизводительные вычисления
• Квантовые вычисления и квантовые симуляторы
• Нейроморфные вычислительные системы

В этих областях преимущества оптических технологий могут быть реализованы уже в ближайшем будущем.

Перспективы создания гибридных оптоэлектронных систем

Наиболее вероятным сценарием развития вычислительных технологий в ближайшие десятилетия является постепенный переход к гибридным оптоэлектронным системам. Такой подход позволит:

• Сочетать преимущества электронных и оптических технологий
• Обеспечить совместимость с существующей инфраструктурой
• Снизить риски и затраты на внедрение новых технологий
• Постепенно наращивать долю оптических компонентов по мере их совершенствования

Ключевую роль в создании таких систем будут играть гибридные компоненты, подобные описанному транзисторному фотонному переключателю.

Заключение: перспективы развития оптических вычислений

Оптические вычислительные технологии обладают огромным потенциалом для преодоления ограничений современной электроники. Однако их широкое внедрение потребует решения ряда сложных научных и технологических проблем. Наиболее вероятным сценарием развития является постепенный переход к гибридным оптоэлектронным системам с увеличением доли оптических компонентов.

Ключевые факторы, которые будут определять темпы развития оптических вычислений:

• Успехи в области нанофотоники и создания новых оптических материалов
• Разработка эффективных методов интеграции оптических компонентов в микросхемы
• Снижение стоимости производства оптических компонентов
• Развитие технологий оптической памяти
• Создание программного обеспечения, оптимизированного для оптических вычислений

При благоприятном развитии этих направлений оптические технологии могут произвести революцию в вычислительной технике уже в ближайшие десятилетия.

П3

П3.1.16. Бактерицидный ультрафиолетовый облучатель

 

Ультрафиолетовые (УФ) облучатели используются для стерилизации (обеззараживания) воды, воздуха и различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека. В наиболее распространённых кварцевых лампах низкого давления (генераторах УФ) 86 % излучения приходится на длину волны 254 нм, оказывающей наибольшее влияние на ДНК вредоносных микроорганизмов, что приводит к замедлению темпов их размножения и полному уничтожению при соответствующей дозе УФ-облучения.

В данном разделе речь идет о портативном УФ-облучателе ФОТОН (http://www.pro-radio.ru/repair/2789) московского электролампового завода (МЭЛЗ). Схема прибора (рис. П3.1.53) является достаточно оригинальной. В качестве УФ-излучателя в диапазоне 230…290 нм в ней используется бесконтактная шаровидная кварцевая ртутная лампа 3 (собственная разработка МЭЛЗ), возбуждаемая индуктором L6 (см. рис. П3.1.54) с помощью генератора 40,68 МГц на пальчиковой радиолампе 1П24Б (сейчас заменяется на транзистор КТ606).  Питание прибора осуществляется по бестрансформаторной схеме: анодно-сеточные цепи — от однополупериодного выпрямителя на V19 (емкость конденсатора С13 в заводском

паспорте не 1 мкФ, а 10), накальная цепь (ток около 70 мА) — переменным током через делитель на конденсаторах С11, С12 и резистор R18. Заметим, что в схеме, прилагаемой по доброй старой традиции к заводскому паспорту, нумерация элементов несколько иная.

 

Рис. П3.1.53. Схема ФОТОНа

 

Для уменьшения помех корпус ФОТОНа изнутри покрыт электролитическим путем достаточно толстым (около 0,1 мм) слоем меди, элементы сетевого фильтра СФ (рис. П3.1.55) закрыты металлической крышкой, а индуктор с кварцевой лампой — отражателем.

 

Рис.

П3.1.54. Фото «раздетого» ФОТОНа 

(http://www.radioscanner.ru/forum/topic23151.html)

 

Прибор имеет преимущественно косметическое назначение: кратковременное облучение (до 1 мин) лица после бритья с гигиенической целью, уменьшение жирности кожи, получение легкого загара и т. п. Известны и другие применения прибора, например, он использован в индикаторе белка в молоке (ж. «Радио», 1983 г., №12, стр. 22-23). Целевое же назначение прибора накладывает определенные ограничения на время его включенного состояния (не более 5 мин) с последующей паузой 10 мин для охлаждения, что ограничивает его применение в качестве бактерицидного облучателя, время работы которого должно быть на порядок выше. Для обеспечения такого режима в ФОТОН были внесены следующие изменения (рис. П3.1.53 и П3.1.55):

1. Резисторы R17, R18 были освобождены от изоляционных полихлорвиниловых трубок, существенно ухудшающих условия их теплообмена (ср. рис. П3.1.54 и П3.1.55), и в наиболее опасных местах соприкосновения с другими токонесущими элементами были разделены приклеенными прокладками П из  полихлорвиниловой пленки.

2. В верхней крышке прибора в месте, соответствующем расположению резисторов R17 и R18, было просверлено 24 (сверху) и 9 (сбоку) вентиляционных отверстий диаметром 2 мм с шагом 5 мм.

 

 

Рис. П3.1.55. Фото усовершенствованного ФОТОНа

 

3. Со стороны излучателя дополнительно установлен вентилятор В от старой материнской платы IBM PC, который через диодный мост ДМ (рис. П3.1.53) включен последовательно в накальную цепь радиолампы. Крепление вентилятора осуществляется с помощью двух стоек из тонкой баночно-консервной жести, жесткость которых обеспечивается за счет изогнутых под 90° верхней (под крепление вентилятора) и нижней (под канавку для защитной крышки) грани. Поскольку канавка шире материала стойки, то для предотвращения ее продольного перемещения по канавке она закреплена скотчем.

Использование более мощного вентилятора, например с током потребления 0,16 А потребует увеличения емкости конденсаторов С11 и С12 (или их замены на мощные резисторы) и дополнительного шунтирования накала лампы. Однако даже использование такого маломощного вентилятора (на 0,08 А) позволило уменьшить нагрев излучающей головки и повысить скорость оттока ионизированного воздуха от ее поверхности, что повышает бактерицидную эффективность прибора при одновременном увеличении длительности его работы до 1 часа. Заметим, что присутствие человека в обрабатываемом помещении нежелательно.

 

Новый оптический «транзистор» ускоряет вычисления в 1000 раз / Хабр

Диаграмма скорости атомов до и после формирования из них конденсата Бозе — Эйнштейна, что кодирует логические состояния 0 и 1 в этих атомах, источник

Международная исследовательская группа под руководством профессора Павлоса Лагудакиса из лаборатории гибридной фотоники Сколтеха создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который не требует охлаждения и демонстрирует скорость около 1 триллиона операций в секунду, что примерно в 100-1000 раз быстрее современных высококачественных коммерческих транзисторов. И самое главное, переключатель предположительно срабатывает от энергии одного-единственного фотона при комнатной температуре (статья «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре» с описанием открытия опубликована 21 сентября 2021 года в журнале Nature).

Устройство показывает столь высокую эффективность, потому что для переключения его состояния требуется всего несколько фотонов или даже один фотон при комнатной температуре, объясняет ведущий автор научной работы Антон Заседателев. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем такая демонстрация будет использована в полностью оптическом сопроцессоре.

Хотя путь предстоит долгий, но перспективы фотоники выглядит многообещающе. По сути, фотоника представляет собой аналог электроники, только вместо электронов используются кванты электромагнитного поля — фотоны. У фотона нулевая масса, а у электрона 9,1093837015(28)⋅10⁻³¹ кг. Это существенная разница.

Следовательно, фотоника связана с существенно меньшими энергопотерями, а значит бо́льшей возможностью миниатюризации.

Новый фотонный переключатель может выступать в роли транзистора или устройства передачи данных на оптических каналах связи (на порядок увеличивая пропускную способность канала). Он также может служить в качестве усилителя, повышая интенсивность входящего лазерного луча в 23 000 раз, сказано в научной работе.

Для установки состояния 0 или 1 и переключения между ними устройство использует два лазера: очень слабый затравочный лазер (seed) и основной лазер накачки (pump).

Переключение состояния происходит внутри микрополости — 35-нанометрового тонкого органического полупроводникового полимера полипарафенилена (MeLPPP) между высокоотражающими неорганическими структурами. Микрополость построена таким образом, чтобы входящий свет задерживался внутри как можно дольше, что способствует его «сцеплению» с плёнкой.

На иллюстрации представлена картина электронных возбуждений в полупроводниковом полимере. Красным цветом обозначены экситоны, синим — поляритоны.

Экситон — это квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, а именно — связанное состояние электрона и дырки.

Поляритон — квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды — оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т. д.

Соответственно, когда фотоны взаимодействуют с экситонами в материале полости, это приводит к появлению короткоживущих образований, называемых экситон-поляритонами, которые являются своего рода квазичастицами, лежащими в основе работы переключателя.

Лазер накачки создаёт в одном месте тысячи идентичных квазичастиц, образуя так называемый конденсат Бозе — Эйнштейна, который кодирует логические состояния 0 и 1 устройства.

Для переключения между двумя состояниями управляющий импульс «засевает» конденсат незадолго до включения лазера накачки (на иллюстрации внизу). Затравочный импульс стимулирует преобразование энергии от лазера накачки, увеличивая количество квазичастиц в конденсате. Большое количество частиц соответствует состоянию 1 устройства, что отражается на излучении, выходящем из системы.

Открытие состоит в том, что учёные построили зависимость количества затравочных поляритонов от энергии затравочного импульса — и экстраполировали эту зависимость до энергии импульса, соответствующей энергии одного фотона. Это и стало «чётким подтверждением однофотонной нелинейности при комнатной температуре».

Чтобы снизить энергопотребление устройства, исследователи использовали несколько приёмов. Во-первых, энергетический зазор между состояниями накачки и конденсата соответствовал энергии одной конкретной молекулярной вибрации в полимере. Во-вторых, удалось найти оптимальную длину волны для настройки лазера и реализовать новую схему для быстрого обнаружения бозе-эйнштейновского конденсата. В-третьих, затравочный лазер и схема обнаружения конденсата были подобраны таким образом, чтобы подавить шум от фонового излучения устройства. Эти меры позволили максимизировать соотношение сигнал/шум и предотвратить поглощение избыточной энергии микрополостью, что привело бы только к её нагреву за счет молекулярных колебаний.

Больше всего энергии в системе потребляет лазер накачки, который поддерживает устройство в рабочем состоянии. Это главный параметр, который намерены оптимизировать исследователи. Антон Заседателев говорит, что есть идея использовать суперкристаллы с кристаллической решёткой как у первоскита из почти правильных октаэдров, которые немного развёрнуты и наклонены относительно идеальных положений. Такие материалы известны своими редкими физическими характеристиками, в том числе сильной связью между светом и веществом, которая «приводит к мощному коллективному квантовому отклику в виде сверхфлуоресценции», пояснил Антон.

Научная статья «Однофотонная нелинейность при комнатной температуре» (Антон Заседателев, Антон Бараников, Денис Санников, Дарюс Урбонас и другие, научный руководитель Павлос Лагудакис) опубликована 21 сентября 2021 года в журнале Nature (DOI: 10.1038/s41586-021-03866-9).

В последнее время проводится всё больше экспериментов по взаимодействию света с веществом. Например, недавно на ускорителе Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США впервые удалось получить материальное вещество/антивещество напрямую из фотонов, то есть из чистой энергии.

ученых теперь могут переключаться между электронами и фотонами в одном транзисторе: ScienceAlert

Джорик/Shutterstock.com

Исследователи разработали новый тип транзисторного лазера, который может переключаться между двумя стабильными энергетическими состояниями — электронным и фотонным — что однажды позволит передавать данные в 100 раз быстрее, чем обычные цифровые устройства.

Прототип транзистора обладает так называемой бистабильностью — способностью одного переключателя переключаться между оптическим и электрическим выходным сигналом — и может помочь в разработке компьютерных систем на основе света, в которых данные перемещаются между полупроводниками фотонами, а не просто электроны.

«Встраивание транзистора с электрической и оптической бистабильностью в компьютерный чип значительно повысит скорость обработки, — говорит инженер-микроэлектронщик Милтон Фенг из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, — потому что устройства могут обмениваться данными без помех, возникающих при ограничении к электронным транзисторам».

В обычных электронных устройствах микрочипы состоят из миллиардов крошечных переключателей, называемых транзисторами, которые действуют как шлюзы для направления потока электронов через интегральную схему.

Проблема с этой моделью, которая до сих пор неплохо работала для электронных устройств в течение нескольких десятилетий, заключается в том, что по мере того, как современные компьютерные процессоры становятся все более быстрыми и мощными, количество транзисторов в них неизбежно увеличивается.

Эта тенденция называется законом Мура — известным предсказанием соучредителя Intel Гордона Мура о том, что количество транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться каждые два года.

Закон Мура на самом деле хорошо себя зарекомендовал с тех пор, как его впервые предсказали еще в 19 веке.60-х годов, но ряд технических проблем в настоящее время угрожает сорвать его продолжение, что может остановить ускорение процессоров, если мы не придумаем новые способы их создания.

В основном, транзисторы стали настолько невероятно маленькими, что их становится все труднее физически уменьшить, и есть также опасения по поводу того, насколько энергоэффективными будут транзисторы на основе электронов, если закон Мура продолжит действовать в будущем.

Помимо этих моментов, поскольку свет может двигаться значительно быстрее, чем электроны внутри интегральной схемы, переход к процессорам на основе фотоники вместо исключительно электронных устройств имеет большой смысл, поэтому ученые заняты изучением того, как мы можем разработать свето- на базе компьютеров.

С этой целью Фэн и его коллега-исследователь Ник Холоньяк-младший еще в 2004 году впервые разработали концепцию транзисторного лазера — полупроводникового устройства, которое включает в себя как электрические, так и оптические выходы.

«Самый быстрый способ переключения тока в полупроводниковом материале — это когда электроны перескакивают между зонами материала в процессе, называемом туннелированием», — объяснил Фенг в 2016 году.

«Фотоны света помогают перемещать электроны, процесс называется внутрирезонаторным туннелированием с помощью фотонов, что делает устройство намного быстрее».

В своем последнем исследовании та же команда описала, как транзисторный лазер может переключаться между двумя сигналами — важное отличие для оптических вычислений, поскольку, несмотря на привлекательность фотоники, исследователи говорят, что в будущем нам все равно придется приспосабливаться к электронам. конструкции чипов.

«Вы не можете полностью удалить электронику, потому что вам нужно подключиться к току и преобразовать его в свет», — говорит Фэн.

«Это проблема концепции полностью оптического компьютера, о которой некоторые говорят. Это просто невозможно, потому что полностью оптической системы не существует.»

В новом исследовании исследователи подробно описывают, как их бистабильный переключатель работает при температуре -50 градусов Цельсия (-58 градусов по Фаренгейту).

Исследователи также заявляют, что фактически заставили устройство работать при комнатной температуре, что очень важно, если мы когда-либо собираемся использовать эти транзисторы в реальных устройствах, и поделятся подробностями о том, как им это удалось, в следующей статье.

Что касается того, когда мы увидим такую ​​технологию в наших смартфонах и ноутбуках, то пока не совсем ясно.

Но можно с уверенностью сказать, что когда наши микрочипы будут включать в себя миллиарды крошечных лазеров, станет возможным совершенно новый вид вычислений.

«Это единое устройство, которое обеспечивает бистабильность электрических и оптических функций с помощью одного переключателя», — говорит Фэн.

«Это совершенно новое устройство, и мы прилагаем все усилия, чтобы найти больше новых приложений для этого устройства.»

О результатах сообщается в Journal of Applied Physics .

Оптические схемы: однофотонный транзисторный переключатель

Транзисторы, крошечные переключатели, которые включаются и выключаются внутри компьютерных микросхем, долгое время были областью электричества. Но ученые начинают разрабатывать компоненты чипов, работающие на свету. На прошлой неделе группа ученых под руководством исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже сообщила о создании транзистора, который переключается одним фотоном.

Обычно фотоны используются только для доставки информации, мчащейся по оптоволоконным кабелям с беспрецедентной скоростью. Первый коммерческий кремниевый чип с оптическими элементами, о котором было объявлено в декабре прошлого года, мало изменил статус-кво. Бортовые лучи света в устройстве, разработанном в исследовательском центре IBM в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк, просто передают данные между компьютерными чипами.

Теперь Венлан Чен из Массачусетского технологического института и ее коллеги научили свет некоторым новым трюкам, используя облако охлажденных атомов цезия, подвешенное между двумя зеркалами. Их транзистор по умолчанию включен, что позволяет лучу света беспрепятственно проходить сквозь прозрачное цезиевое облако. Но отправка одного фотона «затвора» выключает переключатель благодаря эффекту, называемому электромагнитно-индуцированной прозрачностью. Инжектированный фотон возбуждает атомы цезия, заставляя их отражать свет, пытающийся пересечь облако (см. «Выключите свет»). Таким образом, один фотон может блокировать прохождение примерно 400 других фотонов, говорит Чен, который представил результат 7 июня на собрании Отдела атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического общества в Квебеке, Канада.

Изображение: предоставлено журналом Nature

Возможность включения и выключения сильного сигнала с помощью слабого соответствует ключевому требованию оптического транзистора. «Раньше ничего даже близко не было», — говорит физик Атач Мамолу из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, который назвал эксперимент «настоящим прорывом». Теоретически сотни фотонов, управляемых запускающим фотоном, могут разветвляться и отключать сотни других транзисторов в оптической схеме.

С его экзотическими облаками атомов и громоздким оборудованием транзистор с доказательством принципа действия вряд ли станет компонентом повседневных компьютеров. Но это может быть полезным инструментом для изучения того, как фотоны взаимодействуют на квантовом уровне, что может привести к квантовому транзистору, который переворачивает не единицу или ноль, как в классических вычислениях, а нечеткий бит квантовой информации.

Более практичный оптический транзистор дебютировал в апреле 2012 года в Университете Пердью в Западном Лафайете, штат Индиана, где инженер-электрик Минхао Ци создал транзистор, совместимый с существующими технологиями производства полупроводниковой промышленности. «Преимущество нашего устройства в том, что оно у нас на кремниевом чипе, — говорит Ци.

В этом случае луч света, который нужно включать и выключать, входит и выходит по каналу, вытравленному в кремнии, который находится рядом с параллельным каналом. Между двумя рельсами находится вытравленное кольцо. При прохождении более слабого светового луча по второй оптической линии кольцо нагревается и раздувается, мешая основному лучу и отключая транзистор. Этот переключатель может включаться и выключаться до 10 миллиардов раз в секунду.

А выходной луч может разветвляться и управлять двумя другими транзисторами, что соответствует одному из установленных требований для оптического транзистора, изложенных в 2010 году Дэвидом Миллером, физиком из Стэнфордского университета в Калифорнии. Другие критерии включают в себя согласование частоты выходного сигнала с частотой входного сигнала и поддержание чистоты выходного сигнала без ухудшения качества, которое может вызвать ошибки. «Создать оптический транзистор, действительно удовлетворяющий необходимым критериям, очень сложно», — говорит Миллер.

Тем не менее Ци не рассчитывает бросить вызов электронному транзистору своим оптическим аналогом, который потребляет гораздо больше энергии и работает намного медленнее. «Мы хотим дополнить транзистор Intel, — говорит он. «Мы не хотим его заменять». Он надеется закрепиться на нишевых рынках, таких как оборудование для шифрования кабельных каналов и военные технологии, которые могли бы выиграть от невосприимчивости света к электромагнитным атакам.

Маршрутизаторы, направляющие информацию через Интернет, также могут быть приспособлены для оптических транзисторов и переключателей. В настоящее время эти остановочные пункты в сети преобразуют оптические сигналы, проходящие по оптоволоконным кабелям, в электрические сигналы; затем они обрабатываются, преобразуются обратно в свет и отправляются в путь. Маршрутизатор, в котором один луч света толкает другой в нужном направлении — без каких-либо преобразований, — в принципе мог бы работать быстрее и потреблять меньше энергии.

Популярным кандидатом на роль таких переключателей являются квантовые точки, небольшие полупроводниковые кристаллы, которые ведут себя как атомы. В одном особенно чувствительном переключателе с квантовыми точками луч света сначала направляется вдоль материала, усеянного отверстиями, называемого фотонным кристаллом. Свет может пройти через квантовую точку, расположенную на его пути, не меняя курса. Но если импульс света посылается прямо перед этим лучом, он может вызвать взаимодействие между точкой и кристаллом, которое рассеивает луч и направляет его по другому пути.

Как сообщил в мае 2012 года Эдо Вакс из Объединенного квантового института Университета Мэриленда в Колледж-Парке и его коллеги, он переключается при воздействии импульса из 140 фотонов. В принципе, это достаточно небольшое количество энергии, чтобы конкурировать с обычными маршрутизаторами.