ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर

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ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर, जिसे ऑप्टिकल स्विच या प्रकाश वाल्व के रूप में भी जाना जाता है, यह एक उपकरण है जो संकेत एनालॉग और डिजिटल संकेत को बदलता या बढ़ाता है। ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर के इनपुट पर होने वाली प्रकाशीय ट्रांजिस्टर के आउटपुट से उत्सर्जित प्रकाश की तीव्रता को बदलती है जबकि आउटपुट पावर को अतिरिक्त ऑप्टिकल स्रोत द्वारा आपूर्ति की जाती है। चूंकि इनपुट संकेत की तीव्रता स्रोत की तुलना में कमजोर हो सकती है, ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर ऑप्टिकल संकेत को बढ़ाता है। उपकरण इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर का ऑप्टिकल एनालॉग है जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का आधार बनता है। ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर केवल प्रकाश का उपयोग करके प्रकाश को नियंत्रित करने का साधन प्रदान करते हैं और ऑप्टिकल कंप्यूटिंग और फाइबर ऑप्टिक संचार नेटवर्क में अनुप्रयोग होते हैं। इस प्रकार की विधि में अधिक विद्युत (भौतिकी) की बचत करते हुए इलेक्ट्रॉनिक्स की गति को पार करने की क्षमता है।

चूंकि फोटॉन स्वाभाविक रूप से एक दूसरे के साथ क्रिया नहीं करते हैं, एक ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को एक ऑपरेटिंग माध्यम को इंटरेक्शन में मध्यस्थता करने के लिए नियोजित करना चाहिए। यह मध्यवर्ती चरण के रूप में ऑप्टिकल को इलेक्ट्रॉनिक संकेतों में परिवर्तित किए बिना किया जाता है। विभिन्न प्रकार के ऑपरेटिंग माध्यमों का उपयोग करके कार्यान्वयन प्रस्तावित किए गए हैं और प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किए गए हैं। चूंकि आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ प्रतिस्पर्धा करने की उनकी क्षमता वर्तमान में सीमित है।

अनुप्रयोग

फाइबर-ऑप्टिक संचार नेटवर्क के प्रदर्शन को उत्तम बनाने के लिए ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जा सकता है। चूंकि ऑप्टिकल फाइबर केबल का उपयोग डेटा स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है, संकेत रूटिंग जैसे कार्य इलेक्ट्रॉनिक रूप से किए जाते हैं। इसके लिए ऑप्टिकल-इलेक्ट्रॉनिक-ऑप्टिकल रूपांतरण की आवश्यकता होती है, जो समस्या उत्पन्न करते हैं। सिद्धांत रूप में, फोटोनिक एकीकृत परिपथ में व्यवस्थित ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर का उपयोग करके सभी ऑप्टिकल अंकीय संकेत प्रक्रिया और रूटिंग प्राप्त करने योग्य है।[1] ट्रांसमिशन रेखाों के साथ संकेत क्षीणन की भरपाई के लिए नए प्रकार के ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को बनाने के लिए समान उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर का अधिक विस्तृत अनुप्रयोग ऑप्टिकल डिजिटल कंप्यूटर का विकास है जिसमें संकेत इलेक्ट्रॉनिक (तारों) के अतिरिक्त फोटोनिक (अर्थात्, प्रकाश-संचारण मीडिया) होते हैं। इसके अतिरिक्त, ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर जो एकल फोटॉनों का उपयोग करते हुए काम करते हैं, कंप्यूटर जितना का अभिन्न अंग बन सकते हैं, जहां उनका उपयोग क्वांटम सूचना की अलग-अलग इकाइयों को चयनित रूप से संबोधित करने के लिए किया जा सकता है, जिन्हें क्यूबिट्स के रूप में जाना जाता है।

ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर सिद्धांत रूप में अंतरिक्ष और अलौकिक ग्रहों के उच्च विकिरण के लिए अभेद्य हो सकते हैं, इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर के विपरीत जो सिंगल-इवेंट अपसेट से ग्रस्त हैं।

इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ तुलना

ऑप्टिकल लॉजिक के लिए सबसे सामान्य तर्क यह है कि पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर की तुलना में ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर स्विचिंग समय बहुत तेज हो सकता है। यह इस तथ्य के कारण है कि ऑप्टिकल माध्यम में प्रकाश की गति सामान्यतः अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों के बहाव वेग की तुलना में बहुत तेज होती है।

ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को सीधे फाइबर-ऑप्टिक केबल से जोड़ा जा सकता है जबकि इलेक्ट्रॉनिक्स को फोटो डिटेक्टर और एलईडी या पराबैंगनीकिरण के माध्यम से युग्मन की आवश्यकता होती है। फाइबर-ऑप्टिक्स के साथ ऑल-ऑप्टिकल संकेत प्रोसेसर का अधिक प्राकृतिक एकीकरण ऑप्टिकल संचार नेटवर्क में रूटिंग और संकेत के अन्य प्रसंस्करण में जटिलता और देरी को कम करेगा।

यह संदेहास्पद बना हुआ है कि क्या ऑप्टिकल प्रोसेसिंग ट्रांजिस्टर को स्विच करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर की तुलना में कम कर सकता है। वास्तविक रूप से प्रतिस्पर्धा करने के लिए, ट्रांजिस्टर को प्रति ऑपरेशन कुछ दसियों फोटॉन की आवश्यकता होती है। चूंकि, यह स्पष्ट है कि यह क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए प्रस्तावित सिंगल-फोटॉन ट्रांजिस्टर[2][3] में प्राप्त करने योग्य है।

संभवतः इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक पर ऑप्टिकल का सबसे महत्वपूर्ण लाभ कम विद्युत की खपत है। यह अलग-अलग लॉजिक गेट्स के बीच सम्बन्ध में धारिता की अनुपस्थिति से आता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में, ट्रांसमिशन रेखा को संकेत वोल्टेज से चार्ज करने की आवश्यकता होती है। संचरण रेखा की धारिता इसकी लंबाई के समानुपाती होती है और यह लॉजिक गेट में ट्रांजिस्टर की धारिता से अधिक होती है जब इसकी लंबाई गेट के बराबर होती है। ट्रांसमिशन रेखाों की चार्जिंग इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक में मुख्य ऊर्जा हानियों में से है। इस हानि को ऑप्टिकल संचार में टाला जाता है जहां केवल ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को रिसीविंग एंड पर स्विच करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा को रेखा के नीचे प्रेषित किया जाना चाहिए। इस तथ्य ने लंबी दूरी के संचार के लिए फाइबर ऑप्टिक्स के उपयोग में प्रमुख भूमिका निभाई है, लेकिन माइक्रोप्रोसेसर स्तर पर अभी तक इसका उपयोग नहीं किया गया है।

उच्च गति, कम विद्युत की खपत और ऑप्टिकल संचार प्रणालियों के साथ उच्च संगतता के संभावित लाभों के अतिरिक्त, ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ प्रतिस्पर्धा करने से पहले बेंचमार्क के सेट को पूरा करना चाहिए।[4] अत्याधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की गति और विद्युत की खपत से उत्तम प्रदर्शन करते हुए अभी तक किसी डिजाइन ने इन सभी मानदंडों को पूरा नहीं किया है।

मानदंड में सम्मिलित हैं:

  • फैन-आउट - कम से कम दो ट्रांजिस्टर के इनपुट को संचालित करने के लिए ट्रांजिस्टर आउटपुट सही रूप में और पर्याप्त शक्ति का होना चाहिए। इसका तात्पर्य है कि इनपुट और आउटपुट तरंग दैर्ध्य, बीम शेप और पल्स शेप संगत होना चाहिए।
  • तर्क स्तर की बहाली - प्रत्येक ट्रांजिस्टर द्वारा संकेत को 'क्लीन' करने की आवश्यकता होती है। संकेत गुणवत्ता में शोर और गिरावट को हटा दिया जाना चाहिए जिससे वे प्रणाली के माध्यम से प्रचार न करें और त्रुटियां उत्पन्न करने के लिए जमा हो जाएं।
  • हानि से स्वतंत्र तर्क स्तर - ऑप्टिकल संचार में, फाइबर ऑप्टिक केबल में प्रकाश के अवशोषण के कारण संकेत की तीव्रता दूरी से कम हो जाती है। इसलिए, साधारण तीव्रता सीमा स्वैच्छिक लंबाई के इंटरकनेक्ट के लिए चालू और बंद संकेतों के बीच अंतर नहीं कर सकती है। प्रणाली को अलग-अलग आवृत्तियों पर शून्य और को एनकोड करना चाहिए, अंतर संकेतिंग का उपयोग करना चाहिए जहां दो अलग-अलग शक्तियों में अनुपात या अंतर त्रुटियों से बचने के लिए तर्क संकेत देता है।

कार्यान्वयन

ऑल-ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को लागू करने के लिए कई योजनाएं प्रस्तावित की गई हैं। कई स्थितियों में, अवधारणा का प्रमाण प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया है। उन डिजाइनों में से हैं जो इस पर आधारित हैं:

  • इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रूप से प्रेरित पारदर्शिता
    • ऑप्टिकल गुहा या माइक्रोरेसोनेटर में, जहां गेट फोटॉनों के कमजोर प्रवाह द्वारा संचरण को नियंत्रित किया जाता है[5][6]
    • मुक्त स्थान में, अर्थात् बिना गुंजयमान यंत्र के, रिडबर्ग अवस्था को दृढ़ता से संबोधित करते हुए[7][8]
  • अप्रत्यक्ष उत्तेजनाओं की प्रणाली (स्थिर इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय पल के साथ डबल क्वांटम कुओं में इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन छेद के बंधे हुए जोड़े से बना)। अप्रत्यक्ष उत्तेजन, जो प्रकाश द्वारा निर्मित होते हैं और प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए क्षय होते हैं, उनके द्विध्रुव संरेखण के कारण दृढ़ता से परस्पर क्रिया करते हैं।[9][10]
  • माइक्रोकैविटी पोलरिटोन की प्रणाली (ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी के अंदर एक्सिटोन-पोलरिटोन्स) जहां, एक्सिटोन-आधारित ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर के समान, पोलरिटोन फोटोन के बीच प्रभावी क्रिया की सुविधा प्रदान करते हैं[11]
  • सक्रिय रमन गेन माध्यम के साथ फोटोनिक क्रिस्टल गुहाएं[12]
  • गुहा स्विच क्वांटम सूचना अनुप्रयोगों के लिए टाइम डोमेन में कैविटी गुणों को नियंत्रित करता है।[13]
  • नैनोवायर -आधारित गुहाएं ऑप्टिकल स्विचिंग के लिए पोलरिटोनिक इंटरैक्शन को नियोजित करती हैं[14]
  • ऑप्टिकल संकेत के रास्ते में रखे सिलिकॉन माइक्रोरिंग्स। गेट फोटोन ऑप्टिकल गुंजयमान आवृत्ति में बदलाव के कारण सिलिकॉन माइक्रोरिंग को गर्म करते हैं, जिससे ऑप्टिकल आपूर्ति की दी गई आवृत्ति पर पारदर्शिता में बदलाव होता है।[15]
  • डुअल-मिरर ऑप्टिकल कैविटी जिसमें लगभग 20,000 सीज़ियम परमाणु ऑप्टिकल चिमटी के माध्यम से फंसे हुए हैं और कुछ माइक्रोकेल्विन तक लेज़र-कूल्ड हैं। सीज़ियम पहनावा प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया नहीं करता था और इस प्रकार पारदर्शी था। गुहा दर्पणों के बीच गोल यात्रा की लंबाई घटना प्रकाश स्रोत के तरंग दैर्ध्य के पूर्णांक गुणक के बराबर होती है, जिससे गुहा स्रोत प्रकाश को प्रसारित करने की अनुमति देता है। गेट प्रकाश क्षेत्र से फोटॉन उस ओर से गुहा में प्रवेश करते हैं, जहां प्रत्येक फोटॉन अतिरिक्त नियंत्रण प्रकाश क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करता है, एकल परमाणु की स्थिति को गुहा ऑप्टिकल क्षेत्र के साथ गुंजयमान होने के लिए बदलता है, जो क्षेत्र के अनुनाद तरंगदैर्ध्य को बदलता है और स्रोत के संचरण को अवरुद्ध करता है। फ़ील्ड, जिससे उपकरण स्विच हो रहा है। जबकि परिवर्तित परमाणु अज्ञात रहता है, क्वांटम हस्तक्षेप गेट फोटॉन को सीज़ियम से पुनर्प्राप्त करने की अनुमति देता है। सकारात्मक लाभ के लिए महत्वपूर्ण सीमा से ऊपर, गेट फोटॉन की पुनर्प्राप्ति बाधित होने से पहले एकल गेट फोटॉन दो फोटॉन तक के स्रोत क्षेत्र को पुनर्निर्देशित कर सकता है।[16]
  • आयोडाइड आयन युक्त केंद्रित पानी के घोल में[17]


यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Jin, C.-Y.; Wada, O. (March 2014). "सेमीकंडक्टर नैनो-संरचनाओं पर आधारित फोटोनिक स्विचिंग डिवाइस". Journal of Physics D. 47 (13): 133001. arXiv:1308.2389. Bibcode:2014JPhD...47m3001J. doi:10.1088/0022-3727/47/13/133001. S2CID 118513312.
  2. ↑ Neumeier, L.; Leib, M.; Hartmann, M. J. (2013). "सर्किट क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में सिंगल-फोटॉन ट्रांजिस्टर". Physical Review Letters. 111 (6): 063601. arXiv:1211.7215. Bibcode:2013PhRvL.111f3601N. doi:10.1103/PhysRevLett.111.063601. PMID 23971573. S2CID 29256835.
  3. ↑ Hong, F. Y.; Xiong, S. J. (2008). "माइक्रोटोरॉयडल रेज़ोनेटर का उपयोग करते हुए सिंगल-फोटॉन ट्रांजिस्टर". Physical Review A. 78 (1): 013812. Bibcode:2008PhRvA..78a3812H. doi:10.1103/PhysRevA.78.013812.
  4. ↑ Miller, D. A. B. (2010). "Are optical transistors the logical next step?" (PDF). Nature Photonics. 4 (1): 3–5. Bibcode:2010NaPho...4....3M. doi:10.1038/nphoton.2009.240.
  5. ↑ Chen, W.; Beck, K. M.; Bucker, R.; Gullans, M.; Lukin, M. D.; Tanji-Suzuki, H.; Vuletic, V. (2013). "ऑल-ऑप्टिकल स्विच और ट्रांजिस्टर एक संग्रहित फोटॉन द्वारा गेट किया गया". Science. 341 (6147): 768–70. arXiv:1401.3194. Bibcode:2013Sci...341..768C. doi:10.1126/science.1238169. PMID 23828886. S2CID 6641361.
  6. ↑ Clader, B. D.; Hendrickson, S. M. (2013). "माइक्रोरेसोनेटर-आधारित ऑल-ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर". Journal of the Optical Society of America B. 30 (5): 1329. arXiv:1210.0814. Bibcode:2013JOSAB..30.1329C. doi:10.1364/JOSAB.30.001329. S2CID 119220800.
  7. ↑ Gorniaczyk, H.; Tresp, C.; Schmidt, J.; Fedder, H.; Hofferberth, S. (2014). "इंटरस्टेट रिडबर्ग इंटरैक्शन द्वारा मध्यस्थित सिंगल-फोटॉन ट्रांजिस्टर". Physical Review Letters. 113 (5): 053601. arXiv:1404.2876. Bibcode:2014PhRvL.113e3601G. doi:10.1103/PhysRevLett.113.053601. PMID 25126918. S2CID 20939989.
  8. ↑ Tiarks, D.; Baur, S.; Schneider, K.; Dürr, S.; Rempe, G. (2014). "Single-Photon Transistor Using a Förster Resonance". Physical Review Letters. 113 (5): 053602. arXiv:1404.3061. Bibcode:2014PhRvL.113e3602T. doi:10.1103/PhysRevLett.113.053602. PMID 25126919. S2CID 14870149.
  9. ↑ Andreakou, P.; Poltavtsev, S. V.; Leonard, J. R.; Calman, E. V.; Remeika, M.; Kuznetsova, Y. Y.; Butov, L. V.; Wilkes, J.; Hanson, M.; Gossard, A. C. (2014). "वैकल्पिक रूप से नियंत्रित एक्साइटोनिक ट्रांजिस्टर". Applied Physics Letters. 104 (9): 091101. arXiv:1310.7842. Bibcode:2014ApPhL.104i1101A. doi:10.1063/1.4866855. S2CID 5556763.
  10. ↑ Kuznetsova, Y. Y.; Remeika, M.; High, A. A.; Hammack, A. T.; Butov, L. V.; Hanson, M.; Gossard, A. C. (2010). "ऑल-ऑप्टिकल एक्साइटोनिक ट्रांजिस्टर". Optics Letters. 35 (10): 1587–9. Bibcode:2010OptL...35.1587K. doi:10.1364/OL.35.001587. PMID 20479817.
  11. ↑ Ballarini, D.; De Giorgi, M.; Cancellieri, E.; Houdré, R.; Giacobino, E.; Cingolani, R.; Bramati, A.; Gigli, G.; Sanvitto, D. (2013). "ऑल-ऑप्टिकल पोलरिटोन ट्रांजिस्टर". Nature Communications. 4: 1778. arXiv:1201.4071. Bibcode:2013NatCo...4.1778B. doi:10.1038/ncomms2734. PMID 23653190. S2CID 11160378.
  12. ↑ Arkhipkin, V. G.; Myslivets, S. A. (2013). "एक सक्रिय रमन गेन माध्यम के साथ एक फोटोनिक-क्रिस्टल गुहा का उपयोग करते हुए ऑल-ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर". Physical Review A. 88 (3): 033847. Bibcode:2013PhRvA..88c3847A. doi:10.1103/PhysRevA.88.033847.
  13. ↑ Jin, C.-Y.; Johne, R.; Swinkels, M.; Hoang, T.; Midolo, L.; van Veldhoven, P.J.; Fiore, A. (Nov 2014). "सहज उत्सर्जन का अल्ट्राफास्ट गैर-स्थानीय नियंत्रण". Nature Nanotechnology. 9 (11): 886–890. arXiv:1311.2233. Bibcode:2014NatNa...9..886J. doi:10.1038/nnano.2014.190. PMID 25218324. S2CID 28467862.
  14. ↑ Piccione, B.; Cho, C. H.; Van Vugt, L. K.; Agarwal, R. (2012). "व्यक्तिगत अर्धचालक नैनोवायरों में ऑल-ऑप्टिकल सक्रिय स्विचिंग". Nature Nanotechnology. 7 (10): 640–5. Bibcode:2012NatNa...7..640P. doi:10.1038/nnano.2012.144. PMID 22941404.
  15. ↑ Varghese, L. T.; Fan, L.; Wang, J.; Gan, F.; Wang, X.; Wirth, J.; Niu, B.; Tansarawiput, C.; Xuan, Y.; Weiner, A. M.; Qi, M. (2012). "A Silicon Optical Transistor". Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII. pp. FW6C.FW66. doi:10.1364/FIO.2012.FW6C.6. ISBN 978-1-55752-956-5. PMC 5269724. PMID 28133636. {{cite book}}: |journal= ignored (help)
  16. ↑ Volz, J.; Rauschenbeutel, A. (2013). "एक फोटॉन के साथ एक ऑप्टिकल ट्रांजिस्टर को ट्रिगर करना". Science. 341 (6147): 725–6. Bibcode:2013Sci...341..725V. doi:10.1126/science.1242905. PMID 23950521. S2CID 35684657.
  17. ↑ Buchmann, A.; Hoberg, C.; Novelli, F. (2022). "टेराहर्ट्ज़ विकिरण के लिए एक अल्ट्रा-फास्ट तरल स्विच". APL Photonics. 7 (121302): 121302. Bibcode:2022APLP....7l1302B. doi:10.1063/5.0130236.
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