광스위치

3. 광 트랜지스터의 응용

광 트랜지스터는 광섬유 통신 네트워크의 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 광섬유 케이블은 데이터를 전송하는 데 사용되지만 신호 라우팅과 같은 작업은 전자적으로 수행된다. 이로 인해 광-전자-광 변환이 필요하며, 이는 병목 현상을 형성한다.^[2] 원리적으로 광 트랜지스터를 광자 집적 회로로 배열하여 모든 광 디지털 신호 처리 및 라우팅을 수행할 수 있다.^[2] 동일한 장치를 사용하여 전송 라인을 따라 신호 감쇠를 보상하기 위한 새로운 유형의 광 증폭기를 만들 수 있다.

광 트랜지스터의 더 정교한 응용 분야는 신호가 전자적(와이어)이 아닌 광자(즉, 빛을 전송하는 매체)인 광 디지털 컴퓨터의 개발이다. 또한 단일 광자를 사용하여 작동하는 광 트랜지스터는 양자 컴퓨터에서 중요한 부분이 될 수 있으며, 여기서 큐비트로 알려진 양자 정보의 개별 단위를 선택적으로 처리하는 데 사용할 수 있다.

이론적으로 광 트랜지스터는 단일 이벤트 교란으로 고통받는 전자 트랜지스터와 달리 우주와 외계 행성의 높은 방사선에 영향을 받지 않을 수 있다.

4. 전자 소자와의 비교

광 트랜지스터의 스위칭 시간은 기존 전자 트랜지스터보다 훨씬 빠를 수 있다는 장점이 있다. 이는 빛의 속도가 반도체 내 전자의 드리프트 속도보다 일반적으로 훨씬 빠르기 때문이다.

광 트랜지스터는 광섬유 케이블에 직접 연결될 수 있지만, 전자 장치는 광 검출기 및 LED 또는 레이저를 통해 연결해야 한다. 광 신호 처리기를 광섬유와 더 자연스럽게 통합하면 광 통신 네트워크에서 신호 라우팅 및 기타 처리의 복잡성과 지연을 줄일 수 있다.

광학 논리의 가장 중요한 장점은 전력 소비 감소인데, 이는 개별 논리 게이트 간의 연결에 정전 용량이 없기 때문이다. 전자 장치에서는 전송선을 신호 전압으로 충전해야 하며, 전송선 충전은 전자 논리에서 주요 에너지 손실 중 하나이다. 광 통신에서는 수신단에서 광 트랜지스터를 스위칭하는 데 충분한 에너지만 선을 따라 전송하면 되므로 이러한 손실을 피할 수 있다.

하지만 광학 처리가 단일 트랜지스터를 스위칭하는 데 필요한 에너지를 전자 트랜지스터보다 적게 줄일 수 있는지는 아직 의문이다. 현실적으로 경쟁하려면 트랜지스터는 작동당 수십 개의 광자가 필요하지만, 양자 정보 처리를 위한 단일 광자 트랜지스터에서는 달성 가능하다는 것이 분명하다.^[3][4]

광 트랜지스터가 전자 장치와 경쟁하려면 다음 기준을 충족해야 한다.^[5]

• 팬아웃: 트랜지스터 출력은 두 개 이상의 트랜지스터의 입력을 작동시키기에 적절한 형태와 충분한 전력을 가져야 한다.
• 논리 레벨 복원: 신호는 각 트랜지스터에 의해 '정리'되어야 한다.
• 손실과 무관한 논리 레벨: 광 통신에서 신호 강도는 거리에 따라 감소하므로, 임의 길이 상호 연결에 대한 켜짐 및 꺼짐 신호를 구별하기 위한 시스템이 필요하다.

5. 구현 방식

전광 트랜지스터를 구현하기 위해 여러 가지 방안이 제안되었으며, 많은 경우 개념 증명이 실험적으로 입증되었다. 설계에는 다음을 기반으로 하는 것들이 있다.

• 전자기 유도 투명성
• 광학 공진기 또는 마이크로 공진기 내에서, 여기서 전송은 더 약한 게이트 광자 흐름에 의해 제어된다.^[6][7]
• 자유 공간(공진기 없이)에서 강하게 상호 작용하는 리드베리 상태를 처리.^[8][9]
• 간접 엑시톤 시스템 (정적 전기 쌍극자 모멘트를 가진 이중 양자 우물에서 전자 및 전자 구멍의 결합된 쌍으로 구성됨). 빛에 의해 생성되고 빛을 방출하기 위해 붕괴되는 간접 엑시톤은 쌍극자 정렬로 인해 강하게 상호 작용한다.^[10][11]
• 마이크로캐비티 폴라리톤 시스템 (광학 마이크로캐비티 내부의 엑시톤-폴라리톤). 엑시톤 기반 광학 트랜지스터와 유사하게, 폴라리톤은 광자 간의 효과적인 상호 작용을 촉진한다.^[12]
• 활성 라만 이득 매질이 있는 광자 결정 캐비티^[13]
• 캐비티 스위치는 양자 정보 응용 분야를 위해 시간 도메인에서 캐비티 속성을 변조한다.^[14]
• 광학 스위칭을 위한 폴라리톤 상호 작용을 활용하는 나노 와이어 기반 캐비티^[15]
• 광 신호 경로에 배치된 실리콘 마이크로 링. 게이트 광자는 실리콘 마이크로 링을 가열하여 광학 공진 주파수를 변화시키고, 이는 광학 공급의 주어진 주파수에서 투명도의 변화를 초래한다.^[16]
• 광학 트위저를 사용하여 포획되고 몇 마이크로켈빈으로 레이저 냉각된 약 20,000개의 세슘 원자를 담고 있는 이중 거울 광학 캐비티. 세슘 앙상블은 빛과 상호 작용하지 않았고 따라서 투명했다. 캐비티 거울 사이의 왕복 여행 길이는 입사 광원의 파장의 정수 배와 같아서 캐비티가 광원을 전송할 수 있었다. 게이트 광자로부터의 광자는 측면에서 캐비티로 들어가 각 광자가 추가 "제어" 광자와 상호 작용하여 단일 원자의 상태를 캐비티 광학장과 공명하게 변경하여 장의 공명 파장을 변경하고 소스장의 전송을 차단하여 "장치"를 "스위칭"했다. 변경된 원자는 식별되지 않은 채로 남아 있지만, 양자 간섭은 게이트 광자가 세슘에서 검색될 수 있도록 한다. 단일 게이트 광자는 게이트 광자의 검색이 방해되기 전에 최대 2개의 광자를 포함하는 소스 장을 리디렉션할 수 있으며, 이는 긍정적인 이득에 대한 임계값 이상이다.^[17]
• 요오드화물 음이온을 포함하는 농축된 수용액에서^[18]

참조

_[1] 논문 Ultrafast optical switching and data encoding on synthesized light fields 2023-02-24
_[2] 논문 Photonic switching devices based on semiconductor nano-structures 2014-03-01
_[3] 논문 Single-Photon Transistor in Circuit Quantum Electrodynamics
_[4] 논문 Single-photon transistor using microtoroidal resonators
_[5] 논문 Are optical transistors the logical next step? http://ee.stanford.e[...]
_[6] 논문 All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon
_[7] 논문 Microresonator-based all-optical transistor
_[8] 논문 Single-Photon Transistor Mediated by Interstate Rydberg Interactions
_[9] 논문 Single-Photon Transistor Using a Förster Resonance
_[10] 논문 Optically controlled excitonic transistor
_[11] 논문 All-optical excitonic transistor
_[12] 논문 All-optical polariton transistor
_[13] 논문 All-optical transistor using a photonic-crystal cavity with an active Raman gain medium
_[14] 논문 Ultrafast non-local control of spontaneous emission 2014-11-01
_[15] 논문 All-optical active switching in individual semiconductor nanowires
_[16] 서적 Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII
_[17] 논문 Triggering an Optical Transistor with One Photon
_[18] 논문 An ultra-fast liquid switch for terahertz radiation
_[19] 논문 Photonic switching devices based on semiconductor nano-structures 2014-03-01