Интегральная Фотоника

Рассмотрим типовые блоки фотонных микросхем – основные строительные единицы, которые используются для создания сложных оптических систем. Каждый блок выполняет определенную функцию и играет важную роль в обеспечении эффективной передачи светового сигнала.

Оптический транзистор

устройство, которое позволяет контролировать пропускание света через оптический канал с помощью внешнего электрического сигнала. Конструкция оптического транзистора обычно состоит из трех основных компонентов: источника света, фоточувствительного элемента и регулирующего элемента.

Источник света может быть представлен лазером или светодиодом, который генерирует оптический сигнал для передачи данных или информации.

Фоточувствительный элемент – фотоприемник, который преобразует падающий на него световой сигнал в соответствующий электрический сигнал. Он состоит из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий, которые способны генерировать электричество при воздействии на них фотонов.

Регулирующий элемент является ключевым компонентом оптического транзистора и позволяет управлять прохождением светового потока. Этим регулирующим элементом может служить полупроводниковый переключатель или модулятор, который изменяет оптические свойства материала под воздействием электрического сигнала. Например, это может быть полупроводниковая структура с эффектом Эйнштейна-Парселла (ЭП), когда приложение электрического поля меняет показатель преломления и/или поглощение света.

Вместе эти компоненты образуют конструкцию оптического транзистора, который способен контролировать прохождение световых сигналов в зависимости от внешнего электрического сигнала. Такие устройства широко используются в фотонике и оптической коммуникации для управления световыми потоками и реализации функций аналогичных традиционным электронным транзисторам.

Оптический транзистор без использования электричества – это устройство, которое позволяет контролировать пропускание света через оптический канал с помощью других физических явлений. Вместо использования электрического сигнала для регулирования прохождения световых сигналов, такой транзистор может основываться на оптическом или механическом воздействии.

Например, одним из возможных устройств является оптический переключатель на основе эффекта Фарадея-Керра. В этом случае используется материал со свойствами изменения показателя преломления под воздействием магнитного поля. Различные компоненты такого устройства включают источник света, модулятор (обычно состоящий из материала с высоким коэффициентом Керра), и детектор для обнаружения проходящего светового потока.

Подачей магнитного поля к модулятору достигается изменение его показателя преломления. Это создает разницу в скорости распространения светодневной замедленной группы (group velocity) и, следовательно, изменяет фазу света. Устройство может использовать интерференцию для контроля прохождения оптического сигнала через модулятор.

Таким образом, в отсутствие электричества устройства на основе эффекта Фарадея-Керра позволяют регулировать пропускание световых сигналов посредством магнитного поля. Это предоставляет альтернативный подход к созданию оптических транзисторов без необходимости использования электрических сигналов для управления светом.

Оптический транзистор позволяет управлять прохождением света через оптический канал с использованием различных физических явлений. Существует несколько типов оптических транзисторов, включая следующие:

• Фотонный транзистор: Этот тип транзистора основан на эффекте фотопроводимости и используется для контроля пропускания света через материал. Он состоит из полупроводникового материала с двумя p-n переходами. При поглощении фотона в активном области создается пара электрон-дырка, что меняет проводимость материала и регулирует прохождение света.

• Акустооптический транзистор: В этом случае изменение интенсивности светового потока достигается за счет модуляции показателя преломления под действием акустической волны. Устройство состоит из кристалла или волновода, где акустическая волна создает периодическую модуляцию показателя преломления, что изменяет характер распределения светодневной замедленной группы и, следовательно, управляет пропусканием светового сигнала.

• Фотонный транзистор на основе плазмона: Это новое направление в оптических транзисторах, которое использует возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов для контроля прохождения света через металлические структуры. Использование эффекта плазмона позволяет достичь высокой скорости работы и низкого энергопотребления.

• Оптический транзистор на основе квантовых точек: Квантовые точки – это наноструктуры полупроводниковых материалов с размерами порядка нескольких нанометров. В таких устройствах изменение интенсивности или длины волны светодневного потока может быть регулируемо с помощью избирательного перекрытия квантовых состояний или изменения энергии перехода между состояниями.

Это лишь несколько примеров различных типов оптических транзисторов, которые используются для контроля и модуляции прохождения света через оптические каналы. Каждый тип имеет свои уникальные принципы работы и характеристики, что позволяет широкий спектр возможностей в области фотоники.

Фотонный транзистор

устройство в фотонике, которое используется для контроля пропускания света через материал на основе эффекта фотопроводимости. Он состоит из полупроводникового материала с двумя p-n переходами.

Основными компонентами фотонного транзистора являются:

Активная область: Это область полупроводника между двумя p-n переходами, где происходит поглощение света и создание пары электрона-дырки под действием фотона. Размер активной области может быть наномасштабным или микроскопическим.

Предельные контакты: Фотонный транзистор имеет контакты к активной области, которые позволяют подключить его к внешней цепи источника питания или другому устройству.

Базовый слой: Это слой полупроводника между активной областью и предельными контактами, который регулирует поток носителей заряда посредством изменения проводимости материала при определенных условиях.

Работа фотонного транзистора основана на эффекте фотопроводимости. Когда свет падает на активную область, энергия фотонов возбуждает электроны из валентной зоны в зону проводимости, создавая пары электрон-дырка. При этом увеличивается проводимость материала и происходит пропускание света через транзистор.

Ключевой особенностью фотонного транзистора является возможность контроля пропускания света с помощью изменения напряжения или тока в базовом слое. Путем изменения условий работы можно регулировать количество носителей заряда и, следовательно, управлять интенсивностью прохождения света через устройство.

Фотонные транзисторы широко используются в оптических коммуникационных системах для модуляции сигналов высокой скорости и переключения между различными состояниями (полупроводниковый лазер – открыто/закрыто). Они также имеют потенциал для использования в оптических компьютерных системах и других приложениях фотоники.

Акустооптический транзистор

это устройство, которое использует акустическую волну для модуляции пропускания светового сигнала через оптический канал. Оно основывается на явлении, известном как акустооптический эффект.

Устройство состоит из кристаллического материала или волновода, который обладает свойством изменять показатель преломления при прохождении через него акустической волны. Обычно таким материалом является полупроводник или диэлектрик.

Принцип работы акустооптического транзистора заключается в следующем:

Генерация и распространение активной акустической волны: В устройстве создается механическая колебательная энергия, которая генерирует активную акустическую волну. Эта волна распространяется сквозь оптический материал и вызывает периодические изменения его показателя преломления.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.