Transistor Óptico: Computación a la velocidad de la luz

Por Fouad Sabry

¿Qué es un transistor óptico

Un transistor óptico, también conocido como interruptor óptico o válvula de luz, es un dispositivo que conmuta o amplifica señales ópticas. La luz que se produce en la entrada de un transistor óptico cambia la intensidad de la luz emitida por la salida del transistor, mientras que la potencia de salida es suministrada por una fuente óptica adicional. Dado que la intensidad de la señal de entrada puede ser más débil que la de la fuente, un transistor óptico amplifica la señal óptica. El dispositivo es el análogo óptico del transistor electrónico que constituye la base de los dispositivos electrónicos modernos. Los transistores ópticos proporcionan un medio para controlar la luz usando solo luz y tienen aplicaciones en computación óptica y redes de comunicación de fibra óptica. Dicha tecnología tiene el potencial de superar la velocidad de la electrónica, al mismo tiempo que conserva más energía.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Transistor óptico

Capítulo 2: Brecha de banda

Capítulo 3: Fotónica

Capítulo 4: Cronología de la computación y la comunicación cuánticas

Capítulo 5: Polariton

Capítulo 6: Efecto Pockels

Capítulo 7: Red cuántica

Capítulo 8: Computación óptica

Capítulo 9: Peine de frecuencia

Capítulo 10: Circuito integrado fotónico

Capítulo 11: Fotónica de silicio

Capítulo 12: Yoshihisa Yamamoto (científico)

Capítulo 13: Fuente de fotón único

Capítulo 14: Excitón-polaritón

Capítulo 15: Modelo Jaynes-Cummings-Hubbard

Capítulo 16: Computación cuántica óptica lineal

Capítulo 17: Plasmónica

Capítulo 18: Fotónica cuántica integrada

Capítulo 19: Condensación de polaritones de Bose-Einstein

Capítulo 20: Fuente de fotón único de punto cuántico

Capítulo 21: Memoria cuántica

(II) Responder a las principales preguntas del público sobre transistores ópticos.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de transistores ópticos en muchos campos.

(IV) 17 apéndices para explicar, brevemente, 266 tecnologías emergentes en cada industria para tener una comprensión completa de 360 ​​grados de las tecnologías de transistores ópticos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de transistor óptico.

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 3 mar 2022

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Otros libros del autor

1 - Propulsión por plasma

2 - Motor de detonación por pulsos

3 - Robótica Agrícola

4 - Sistemas Ecológicos Cerrados

5 - Carne cultivada

6 - Agricultura vertical

7 - Vehículos autónomos

8 - Drones autónomos

9 - Robótica Autónoma

10 - Armas autónomas

11 - Arcología

12 - Impresión 4D

13 - Ciudad Abovedada

14 - Libro mayor distribuido

15 - Moneda digital

16 - Finanzas descentralizadas

17 - Máquinas inteligentes

18 - Aerogel

19 - Metal amorfo

20 - Bioplástico

21 - Polímero conductor

22 - Tratamiento criogénico

23 - Armadura dinámica

24 - Fullereno

25 - Grafeno

26 - Laboratorio en un chip

27 - Superconductividad de alta temperatura

28 - Nanopartículas magnéticas

29 - Fluido magnetorreológico

30 - Microfluídica

31 - Superfluidez

32 - Metamaterial

33 - Espuma de metal

34 - Estructura multifunción

35 - Nanomateriales

36 - Materia programable

37 - Punto cuántico

38 - Siliceno

39 - Superaleación

40 - Diamante sintético

41 - Cristal de tiempo

42 - Hormigón translúcido

43 - Interfaz cerebro-computadora

44 - Pantalla volumétrica

45 - TV láser

46 - Holografía

47 - Transistor óptico

48 - Video sin pantalla

49 - Inteligencia de enjambre

Serie de The Author

Tecnologías emergentes en el sector aeroespacial

1 - Propulsión por plasma

2 - Motor de detonación por pulsos

Tecnologías emergentes en la agricultura

1 - Robótica Agrícola

2 - Sistemas Ecológicos Cerrados

3 - Carne cultivada

4 - Agricultura vertical

Tecnologías emergentes en cosas autónomas

1 - Vehículos autónomos

2 - Drones autónomos

3 - Robótica Autónoma

4 - Armas autónomas

Tecnologías emergentes en la construcción

1 - Arcología

2 - Impresión 4D

3 - Ciudad Abovedada

Tecnologías emergentes en finanzas

1 - Libro mayor distribuido

2 - Moneda digital

3 - Finanzas descentralizadas

Tecnologías emergentes en tecnología de la información

1 - Máquinas inteligentes

Tecnologías emergentes en ciencia de materiales

1 - Aerogel

2 - Metal amorfo

3 - Bioplástico

4 - Polímero conductor

5 - Tratamiento criogénico

6 - Armadura dinámica

7 - Fullereno

8 - Grafeno

9 - Laboratorio en un chip

10 - Superconductividad de alta temperatura

11 - Nanopartículas magnéticas

12 - Fluido magnetorreológico

13 - Microfluídica

14 - Superfluidez

15 - Metamaterial

16 - Espuma metálica

17 - Estructura multifunción

18 - Nanomateriales

19 - Materia programable

20 - Punto cuántico

21 - Siliceno

22 - Superaleación

23 - Diamante sintético

24 - Cristal de Tiempo

25 - Hormigón translúcido

Tecnologías emergentes en neurociencia

1 - Interfaz cerebro-computadora

Tecnologías emergentes en optoelectrónica

1 - Pantalla volumétrica

2 - TV láser

3 - Holografía

4 - Transistor óptico

5 - Video sin pantalla

Tecnologías emergentes en robótica

1 - Inteligencia de enjambre

Mil millones de conocedores

Transistor óptico

Computación a la velocidad de la luz

Fouad Sabry

Derechos de autor

Transistor óptico Copyright © 2022 por Fouad Sabry. Todos los derechos reservados.

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida en cualquier forma o por cualquier medio electrónico o mecánico, incluyendo sistemas de almacenamiento y recuperación de información, sin el permiso por escrito del autor. La única excepción es por un revisor, que puede citar extractos cortos en una revisión.

Funda diseñada por Fouad Sabry.

Este libro es una obra de ficción. Los nombres, personajes, lugares e incidentes son productos de la imaginación del autor o se usan ficticiamente. Cualquier parecido con personas reales, vivas o muertas, eventos o lugares es completamente casual.

Sobresueldo

Puede enviar un correo electrónico a [e-mail] con el asunto Transistor óptico: Computación a la velocidad de la luz, y recibirá un correo electrónico que contiene los primeros capítulos de este libro.

Fouad Sabry

Visite el sitio web de 1BK en

www.1BKOfficial.org

Prefacio

¿Por qué escribí este libro?

La historia de escribir este libro comenzó en 1989, cuando era estudiante en la Escuela Secundaria de Estudiantes Avanzados.

Es notablemente como las escuelas STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas), que ahora están disponibles en muchos países avanzados.

STEM es un plan de estudios basado en la idea de educar a los estudiantes en cuatro disciplinas específicas: ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, en un enfoque interdisciplinario y aplicado. Este término se usa típicamente para abordar una política educativa o una elección de currículo en las escuelas. Tiene implicaciones para el desarrollo de la fuerza laboral, las preocupaciones de seguridad nacional y la política de inmigración.

Hubo una clase semanal en la biblioteca, donde cada estudiante es libre de elegir cualquier libro y leer durante 1 hora. El objetivo de la clase es animar a los estudiantes a leer materias distintas al currículo educativo.

En la biblioteca, mientras miraba los libros en los estantes, noté libros enormes, un total de 5,000 páginas en 5 partes. El nombre del libro es La Enciclopedia de la Tecnología, que describe todo lo que nos rodea, desde el cero absoluto hasta los semiconductores, casi todas las tecnologías, en ese momento, se explicaban con ilustraciones coloridas y palabras simples. Comencé a leer la enciclopedia y, por supuesto, no pude terminarla en la clase semanal de 1 hora.

Entonces, convencí a mi padre para que comprara la enciclopedia. Mi padre compró todas las herramientas tecnológicas para mí al comienzo de mi vida, la primera computadora y la primera enciclopedia tecnológica, y ambas tienen un gran impacto en mí y en mi carrera.

He terminado toda la enciclopedia en las mismas vacaciones de verano de este año, y luego comencé a ver cómo funciona el universo y cómo aplicar ese conocimiento a los problemas cotidianos.

Mi pasión por la tecnología comenzó hace más de 30 años y aún así el viaje continúa.

Este libro es parte de La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes, que es mi intento de dar a los lectores la misma experiencia increíble que tuve cuando estaba en la escuela secundaria, pero en lugar de  las tecnologías del siglo 20, estoy más interesado en las tecnologías emergentes del siglo 21, las aplicaciones y las soluciones de la industria.

La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes constará de 365 libros, cada libro se centrará en una sola tecnología emergente. Puede leer la lista de tecnologías emergentes y su categorización por industria en la parte de Próximamente, al final del libro.

365 libros para dar a los lectores la oportunidad de aumentar sus conocimientos sobre una sola tecnología emergente todos los días en el transcurso de un período de un año.

Introducción

¿Cómo escribí este libro?

En cada libro de The Encyclopedia of Emerging Technologies, estoy tratando de obtener información de búsqueda instantánea y cruda, directamente de las mentes de las personas, tratando de responder a sus preguntas sobre la tecnología emergente.

Hay 3 mil millones de búsquedas en Google todos los días, y el 20% de ellas nunca se han visto antes. Son como una línea directa a los pensamientos de la gente.

A veces eso es 'Cómo elimino la mermelada de papel'. Otras veces, son los miedos desgarradores y los anhelos secretos que solo se atreverían a compartir con Google.

En mi búsqueda por descubrir una mina de oro sin explotar de ideas de contenido sobre Transistor óptico, uso muchas herramientas para escuchar datos de autocompletar de motores de búsqueda como Google, luego rápidamente saca cada frase y pregunta útil, la gente está preguntando alrededor de la palabra clave Transistor óptico.

Es una mina de oro de información de personas, que puedo usar para crear contenido, productos y servicios frescos y ultra útiles. La gente amable, como tú, realmente quiere.

Las búsquedas de personas son el conjunto de datos más importante jamás recopilado sobre la psique humana. Por lo tanto, este libro es un producto en vivo, y constantemente actualizado por más y más respuestas para nuevas preguntas sobre Transistor óptico, hechas por personas, como usted y yo, que se preguntan sobre esta nueva tecnología emergente y les gustaría saber más sobre ella.

El enfoque para escribir este libro es obtener un nivel más profundo de comprensión de cómo las personas buscan alrededor de Transistor óptico, revelando preguntas y consultas que no necesariamente pensaría en la parte superior de mi cabeza, y respondiendo estas preguntas en palabras súper fáciles y digeribles, y navegar por el libro de una manera directa.

Por lo tanto, cuando se trata de escribir este libro, me he asegurado de que esté lo más optimizado y dirigido posible. El propósito de este libro es ayudar a las personas a comprender mejor y aumentar su conocimiento sobre Transistor óptico. Estoy tratando de responder a las preguntas de la gente lo más cerca posible y mostrando mucho más.

Es una manera fantástica y hermosa de explorar las preguntas y problemas que la gente tiene y responderlos directamente, y agregar información, validación y creatividad al contenido del libro, incluso lanzamientos y propuestas. El libro descubre áreas ricas, menos concurridas y, a veces, sorprendentes de demanda de investigación que de otra manera no alcanzaría. No hay duda de que, se espera que aumente el conocimiento de las mentes de los lectores potenciales, después de leer el libro utilizando este enfoque.

He aplicado un enfoque único para hacer que el contenido de este libro sea siempre fresco. Este enfoque depende de escuchar las mentes de las personas, mediante el uso de las herramientas de escucha de búsqueda. Este enfoque me ayudó a:

Conozca a los lectores exactamente donde están, para que pueda crear contenido relevante que toque una fibra sensible e impulse una mayor comprensión del tema.

Mantenga mi dedo firmemente en el pulso, para que pueda obtener actualizaciones cuando la gente hable sobre esta tecnología emergente de nuevas maneras, y monitorear las tendencias a lo largo del tiempo.

Descubrir tesoros ocultos de preguntas que necesitan respuestas sobre la tecnología emergente para descubrir ideas inesperadas y nichos ocultos que aumentan la relevancia del contenido y le dan una ventaja ganadora.

El bloque de construcción para escribir este libro incluye lo siguiente:

(1) He dejado de perder el tiempo en la sensación visceral y las conjeturas sobre el contenido deseado por los lectores, he llenado el contenido del libro con lo que la gente necesita y he dicho adiós a las infinitas ideas de contenido basadas en especulaciones.

(2) He tomado decisiones sólidas, y he tomado menos riesgos, para obtener asientos de primera fila para lo que la gente quiere leer y quiere saber, en tiempo real, y usar datos de búsqueda para tomar decisiones audaces, sobre qué temas incluir y qué temas excluir.

(3) He simplificado mi producción de contenido para identificar ideas de contenido sin tener que examinar manualmente las opiniones individuales para ahorrar días e incluso semanas de tiempo.

Es maravilloso ayudar a las personas a aumentar su conocimiento de una manera directa simplemente respondiendo a sus preguntas.

Creo que el enfoque de la escritura de este libro es único, ya que recopila y rastrea las preguntas importantes que hacen los lectores en los motores de búsqueda.

Reconocimientos

Escribir un libro es más difícil de lo que pensaba y más gratificante de lo que podría haber imaginado. Nada de esto hubiera sido posible sin el trabajo realizado por prestigiosos investigadores, y me gustaría reconocer sus esfuerzos para aumentar el conocimiento del público sobre esta tecnología emergente.

Dedicación

A los iluminados, los que ven las cosas de manera diferente y quieren que el mundo sea mejor, no les gusta el status quo o el estado existente. Puedes estar demasiado en desacuerdo con ellos, y puedes discutir con ellos aún más, pero no puedes ignorarlos, y no puedes subestimarlos, porque siempre cambian las cosas ... empujan a la raza humana hacia adelante, y mientras que algunos pueden verlos como locos o aficionados, otros ven genios e innovadores, porque los que están lo suficientemente iluminados como para pensar que pueden cambiar el mundo, son los que lo hacen y llevan a la gente a la iluminación.

Epígrafe

Un transistor óptico, también conocido como interruptor óptico o válvula de luz, es un dispositivo que cambia o amplifica las señales ópticas. La luz que se produce en la entrada de un transistor óptico cambia la intensidad de la luz emitida por la salida del transistor, mientras que la potencia de salida es suministrada por una fuente óptica adicional. Dado que la intensidad de la señal de entrada puede ser más débil que la de la fuente, un transistor óptico amplifica la señal óptica. El dispositivo es el análogo óptico del transistor electrónico que forma la base de los dispositivos electrónicos modernos. Los transistores ópticos proporcionan un medio para controlar la luz utilizando solo luz y tiene aplicaciones en computación óptica y redes de comunicación de fibra óptica. Dicha tecnología tiene el potencial de exceder la velocidad de la electrónica, al tiempo que conserva más potencia.

Tabla de contenidos

Otros libros del autor

Serie de The Author

Transistor óptico

Derechos de autor

Sobresueldo

Prefacio

Introducción

Reconocimientos

Dedicación

Epígrafe

Tabla de contenidos

Capítulo 1: Transistor óptico

Capítulo 2: Brecha de banda

Capítulo 3: Fotónica

Capítulo 4: Cronología de la computación cuántica y la comunicación

Capítulo 5: Polariton

Capítulo 6: Efecto Pockels

Capítulo 7: Red cuántica

Capítulo 8: Computación óptica

Capítulo 9: Peine de frecuencia

Capítulo 10: Circuito integrado fotónico

Capítulo 11: Fotónica de silicio

Capítulo 12: Yoshihisa Yamamoto (científico)

Capítulo 13: Fuente de fotón único

Capítulo 14: Excitón-polaritón

Capítulo 15: Modelo de Jaynes Cummings Hubbard

Capítulo 16: Computación cuántica óptica lineal

Capítulo 17: Plasmónica

Capítulo 18: Fotónica cuántica integrada

Capítulo 19: Condensación de polaritones de Bose  Einstein

Capítulo 20: Fuente de un solo fotón de punto cuántico

Capítulo 21: Memoria cuántica

Epílogo

Sobre el autor

Próximamente

Apéndices: Tecnologías emergentes en cada industria

Capítulo 1: Transistor óptico

Un transistor óptico es un dispositivo que cambia o amplifica los impulsos ópticos. También se conoce como interruptor óptico o válvula de luz. La luz que pasa a través de la entrada de un transistor óptico altera la intensidad de la luz emitida por la salida del transistor, mientras que la potencia de salida es suministrada por una fuente óptica separada. Debido a que la intensidad de la señal de entrada puede ser menor que la de la fuente, un transistor óptico amplifica la señal óptica. El dispositivo es el equivalente óptico del transistor electrónico, que sirve como base de las tecnologías electrónicas modernas. Los transistores ópticos se utilizan en la computación óptica y las redes de comunicación de fibra óptica para controlar la luz utilizando solo luz. Dicha tecnología tiene el potencial de superar a la electrónica en términos de velocidad mientras conserva la electricidad.

Debido a que los fotones no interactúan fundamentalmente, un transistor óptico debe utilizar un medio operativo para mediar las interacciones. Esto se logra sin la necesidad de un paso intermedio de traducir señales ópticas a eléctricas. Se han propuesto y probado implementaciones que utilizan una variedad de medios operativos. Su capacidad para competir con la electrónica moderna, sin embargo, es actualmente limitada.

Contenido

1 Aplicaciones

2 Comparación con la electrónica

3 Implementaciones

4 Véase también

5 Referencias

Aplicaciones

Las redes de comunicación de fibra óptica podrían beneficiarse del uso de transistores ópticos. Aunque los cables de fibra óptica se utilizan para transportar datos, tareas como el enrutamiento de señales se realizan electrónicamente. Esto requiere una conversión óptica-electrónica-óptica, lo que resulta en cuellos de botella. El procesamiento y enrutamiento de señales digitales totalmente ópticas es teóricamente posible utilizando transistores ópticos colocados en circuitos integrados fotónicos. Los mismos componentes podrían utilizarse para desarrollar nuevos tipos de amplificadores ópticos que corrijan la atenuación de la señal a lo largo de las líneas de transmisión.

La construcción de una computadora digital óptica, en la que los componentes procesan fotones en lugar de electrones, es una aplicación más compleja de los transistores ópticos. Además, los transistores ópticos que utilizan fotones individuales podrían convertirse en un aspecto fundamental del procesamiento de la información cuántica, lo que les permite abordar selectivamente unidades de información cuántica individuales conocidas como qubits.

A diferencia de los transistores electrónicos, que sufren de trastornos de un solo evento , los transistores ópticos pueden ser inmunes a la intensa radiación del espacio y los mundos extraterrestres.

Comparación con la electrónica

La razón más frecuentemente afirmada para la lógica óptica es que los tiempos de conmutación en transistores ópticos pueden ser sustancialmente más rápidos que en los transistores electrónicos convencionales. Debido a que la velocidad de la luz en un medio óptico es a menudo significativamente más rápida que la velocidad de deriva de los electrones en los semiconductores, este es el caso.

Los transistores ópticos se pueden conectar directamente a los cables de fibra óptica, mientras que la electrónica requiere acoplamiento a través de fotodetectores, LED o láseres. La integración más natural de los procesadores de señal óptica con la fibra óptica reduciría la complejidad y el retraso en el enrutamiento de la señal y otros procesamientos de señal en las redes de comunicación óptica.

Todavía no está claro si el procesamiento óptico puede reducir la energía requerida para cambiar un solo transistor a menos que la requerida por los transistores eléctricos. Para competir, los transistores deben usar unas pocas decenas de fotones en cada operación. Sin embargo, es evidente que esto es posible con los transistores de fotón único propuestos para el procesamiento de información cuántica.

La ventaja más importante de la lógica óptica sobre la lógica electrónica es su menor consumo de energía. Esto se debe a la falta de capacitancia en las conexiones entre las puertas lógicas individuales. La línea de transmisión en electrónica debe cargarse a la tensión de la señal. Cuando la longitud de una línea de transmisión es igual a la de una sola puerta, su capacitancia excede la capacitancia de los transistores en una puerta lógica. Una de las pérdidas de energía más significativas en la lógica electrónica es la carga de la línea de transmisión. Esta pérdida se evita con la comunicación óptica, donde solo se transmite suficiente energía por una línea para voltear un transistor óptico en el extremo receptor. Este hecho ha jugado un papel importante en la adopción de la fibra óptica para la comunicación a larga distancia, pero aún no se ha utilizado a nivel de microprocesador.

Además de los beneficios potenciales de una velocidad más rápida, un menor consumo de energía y una alta compatibilidad con las redes de comunicación óptica, los transistores ópticos deben cumplir con un conjunto de criterios antes de poder competir con la electrónica. Ninguna solución única ha cumplido con todos estos criterios mientras supera la velocidad y el consumo de energía de la electrónica de vanguardia.

Los criterios incluyen:

Fan-out - La salida del transistor debe estar en la forma adecuada y tener suficiente potencia para alimentar las entradas de al menos dos transistores. Esto significa que las longitudes de onda en la entrada y salida, así como las formas de haz y pulso, deben ser consistentes.

Restauración del nivel lógico: la señal debe ser limpiada por cada transistor. El ruido y las degradaciones en la calidad de la señal deben eliminarse para que no se propaguen a través del sistema y se acumulen para producir errores.

El nivel lógico es independiente de la pérdida: en la comunicación óptica, la intensidad de la señal disminuye con la distancia debido a la absorción de luz en el cable de fibra óptica. Como resultado, para las interconexiones de longitud arbitraria, un umbral de intensidad simple no puede discriminar entre señales de encendido y apagado. Para evitar errores, el sistema debe codificar ceros y unos a múltiples frecuencias y utilizar la señalización diferencial, en la que la relación o diferencia en dos potencias diferentes transmite la señal lógica.

Implementaciones

Se han presentado varios enfoques para implementar transistores totalmente ópticos. Una prueba de concepto ha sido demostrada experimentalmente en numerosas circunstancias. Algunos de los diseños se basan en:

transparencia inducida electromagnéticamente

donde la transmisión está regulada por un flujo menor de fotones de compuerta en una cavidad óptica o microrresonador

al abordar partículas altamente interactuantes en el espacio libre, es decir,  sin un resonador, afirma Rydberg

una red de excitones indirectos (compuesta por pares unidos de electrones y agujeros en pozos cuánticos dobles con un momento dipolar estático). Debido a su orientación dipolar, los excitones indirectos, que son producidos por la luz y se descomponen para emitir luz, interactúan fuertemente.

un sistema de polaritones de microcavidad (excitones-polaritones dentro de una microcavidad óptica) en el que los polaritones, como los transistores ópticos basados en excitones, permiten interacciones efectivas entre fotones

cavidades de cristal fotónico con un medio de ganancia Raman activo

Para aplicaciones de información cuántica, un interruptor de cavidad modula las propiedades de la cavidad en el dominio del tiempo.

cavidades basadas en nanocables que emplean interacciones polaritónicas para la conmutación óptica

Los microanillos de silicio colocados en el curso de una señal óptica Los fotones de compuerta calientan el microanillo de silicio, creando un cambio en la frecuencia de resonancia óptica y, como resultado, un cambio en la transparencia a una frecuencia de suministro óptico particular.

una cavidad óptica de doble espejo que contiene aproximadamente 20.000 átomos de cesio atrapados por pinzas ópticas y enfriados por láser a unos pocos microkelvin Debido a que el conjunto de cesio no interactuaba con la luz, era translúcido. La longitud de un viaje de ida y vuelta entre los espejos de la cavidad era un múltiplo entero de la longitud de onda de la fuente de luz incidente, lo que permitía a la cavidad transmitir la luz de la fuente. Los fotones del campo de luz de la puerta entraron en la cavidad desde un lado, donde interactuaron con un campo de luz de control adicional, cambiando el estado de un solo átomo para que resuene con el campo óptico de la cavidad, cambiando la longitud de onda de resonancia del campo y bloqueando la transmisión del campo fuente, cambiando así el