Laser tranzystorowy

Laser tranzystorowy to urządzenie półprzewodnikowe, które działa jak tranzystor z wyjściem elektrycznym i wyjściem optycznym, w przeciwieństwie do typowych dwóch wyjść elektrycznych. To wyjście optyczne odróżnia je od typowych tranzystorów, a ponieważ sygnały optyczne przemieszczają się szybciej niż sygnały elektryczne, może znacznie przyspieszyć obliczenia. Naukowcy, którzy odkryli laser tranzystorowy, opracowali nowy model obecnego prawa Kirchhoffa, aby lepiej modelować zachowanie jednoczesnego wyjścia optycznego i elektrycznego.

Odkrycie

Zespół, któremu przypisuje się odkrycie lasera tranzystorowego, był kierowany przez Miltona Fenga i Nicka Holonyaka Jr. , a jego siedziba znajdowała się na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign . Badania nad laserem tranzystorowym rozpoczęły się po tym, jak Feng i Holonyak stworzyli pierwszy emitujący światło tranzystor w 2004 roku. Następnie Feng i jego zespół zmodyfikowali emitujący światło tranzystor, aby skupić światło, które emituje, na wiązkę laserową. Ich badania były finansowane przez DARPA . Artykuł napisany o odkryciu lasera tranzystorowego znalazł się w pierwszej piątce spośród wszystkich artykułów Applied Physics Letters historii, a laser tranzystorowy został uznany przez Discover za jedno ze 100 największych odkryć .

Budowa tranzystora

Laser tranzystorowy działa jak typowy tranzystor, ale zamiast elektryczności emituje światło podczerwone przez jedno ze swoich wyjść. Odblaskowa wnęka w urządzeniu skupia emitowane światło w wiązkę laserową. Laser tranzystorowy to tranzystor bipolarny z heterozłączem (wykorzystujący różne materiały między obszarami bazowymi i emiterowymi), który wykorzystuje studnię kwantową w obszarze podstawowym, co powoduje emisję światła podczerwonego . Podczas gdy wszystkie tranzystory podczas pracy emitują niewielką ilość światła, zastosowanie studni kwantowej zwiększa intensywność emitowanego światła aż 40-krotnie.

Wyjście laserowe urządzenia działa, gdy studnia kwantowa w obszarze podstawowym wychwytuje elektrony, które normalnie zostałyby wysłane przez wyjście elektryczne. Elektrony te przechodzą następnie proces rekombinacji radiacyjnej , podczas którego elektrony i dodatnio naładowane „dziury” rekombinują w bazie. Chociaż proces ten zachodzi we wszystkich tranzystorach, jego żywotność w laserze tranzystorowym jest niezwykle krótka, wynosząca zaledwie 30 pikosekund, co pozwala na szybsze działanie. Fotony są następnie uwalniane poprzez emisję wymuszoną . Światło odbija się tam iz powrotem między odblaskowymi ścianami wewnątrz emitera o szerokości 2,2 mikrometra, który działa jak wnęka rezonansowa . Wreszcie światło jest emitowane jako laser .

Urządzenie zostało początkowo zbudowane z warstw fosforku indu i galu, arsenku galu i arsenku indu i galu, co uniemożliwiło działanie urządzenia bez chłodzenia ciekłym azotem. Obecne materiały pozwalają na pracę w temperaturze 25°C i pracę na fali ciągłej (ciągłe emitowanie światła) na częstotliwości 3 GHz. Laser tranzystorowy może wytwarzać wyjście laserowe bez pików rezonansowych w odpowiedzi częstotliwościowej. Nie cierpi również na niepożądany rezonans własny, który powoduje błędy w przesyłanych informacjach, które wymagałyby naprawy skomplikowanych obwodów zewnętrznych.

Potencjał przyspieszenia komputerów

Chociaż laser tranzystorowy jest wciąż tylko przedmiotem badań, pojawiło się wiele spekulacji na temat tego, do czego można by go użyć, zwłaszcza w komputerach. Na przykład jego optyczne można wykorzystać do szybszego przesyłania danych między układami pamięci , kartami graficznymi lub innymi wewnętrznymi elementami komputera. Obecnie komunikacja światłowodowa wymaga nadajników, które konwertują sygnały elektryczne na impulsy światła, a następnie konwertera na drugim końcu, który zamienia te impulsy z powrotem na sygnały elektryczne. To sprawia, że ​​komunikacja optyczna w komputerach jest niepraktyczna. Komunikacja optyczna w komputerach może jednak wkrótce stać się praktyczna, ponieważ konwersja energii elektrycznej na sygnały optyczne i odwrotnie odbywa się w laserze tranzystorowym bez potrzeby stosowania zewnętrznych obwodów. Urządzenie mogłoby również przyspieszyć obecną komunikację optyczną w innych zastosowaniach, takich jak przesyłanie dużych ilości danych na duże odległości.

Zmiana praw Kirchhoffa

Zespół badawczy, który odkrył laser tranzystorowy, twierdził, że jedno z praw Kirchhoffa musiałoby zostać zrekonstruowane tak, aby obejmowało zachowanie energii, a nie tylko prąd i ładunek . Ponieważ laser tranzystorowy zapewnia dwa różne rodzaje mocy wyjściowej, zespół naukowców odpowiedzialny za laser tranzystorowy musiał zmodyfikować obecne prawo Kirchhoffa, aby zastosować je zarówno do bilansu energii, jak i bilansu ładunków. Oznaczało to, że po raz pierwszy prawa Kirchhoffa zostały rozszerzone na nie tylko elektrony, ale fotony .