اقرأ في هذا المقال
- ما هو الترانزستور البصري؟
- أساسيات الترانزستور البصري
- آلية عمل الترانزستور البصري
- مبدأ عمل الترانزستور البصري
الترانزستورات هي العنصر الأساسي في جميع الدوائر الإلكترونية، وقد تحتوي شريحة كمبيوتر واحدة على مليارات من هذه العناصر، ومع ذلك في السنوات الأخيرة خضع اتصال البيانات لتحول نموذجي بعيداً عن المخططات الإلكترونية إلى الاتصال القائم على الضوء مع الألياف الضوئية، وفي أعقاب هذا التحول تم إجراء قدر كبير من الأبحاث لمحاولة استبدال الدوائر الإلكترونية النشطة بدوائر ضوئية.
ما هو الترانزستور البصري؟
الترانزستور البصري: هو المعروف أيضاً باسم المفتاح البصري أو صمام الضوء، وهو جهاز يقوم بتبديل أو تضخيم الإشارات الضوئية، حيث يغير الضوء الذي يحدث على مدخلات الترانزستور البصري شدة الضوء المنبعث من ناتج الترانزستور، بينما يتم توفير طاقة الاتج بواسطة مصدر بصري إضافي.
نظراً لأنّ قوة إشارة الإدخال قد تُعد أضعف من كثافة المصدر، فإنّ الترانزستور البصري يضخم الإشارة الضوئية “amplify”، حيث أنّ الجهاز هو النظير البصري للترانزستور الإلكتروني “electronic transistor” الذي يشكل أساس الأجهزة الإلكترونية الحديثة، كما تتيح الترانزستورات الضوئية طريقة للتحكم في الضوء باستعمال الضوء فقط ولها تطبيقات في الحوسبة الضوئية “Optical computing” وشبكات اتصالات الألياف الضوئية، ومثل هذه التكنولوجيا لديها القدرة على تجاوز سرعة الإلكترونيات، ومع الحفاظ على المزيد من الطاقة.
أساسيات الترانزستور البصري:
يركز أحد اتجاهات البحث الرئيسية على الترانزستورات الضوئية التي تسمح بالتحكم في إشارة “المصدر” الضوئية الكبيرة بواسطة مجال ضوئي ضعيف “بوابة”، كما أنّه حتى أصغر مجال بوابة ممكن أي فوتون واحد يمكنه التحكم في نقل مجال ضوئي مصدر يتكون من مئات الفوتونات.
تنقل الإشارات الضوئية بيانات الإنترنت بين المدن وبين مراكز البيانات وحتى للمستخدمين النهائيين المشتركين في موفري خدمة الإنترنت عبر الألياف الضوئية “ISPs”، حيث تقوم الإشارات الضوئية أيضاً بتوصيل الخوادم في أجهزة الكمبيوتر العملاقة؛ لأنّها تنتقل بسرعة الضوء، أي تم قياس سرعات معالجة نقل البيانات الفعلية للإشارات الضوئية بواسطة “Bell Labs” بأكثر من “100 بيتابت في الثانية لكل كيلومتر” عبر ألياف ضوئية بحجم ميكرون.
كما تتطلب التقنيات الضوئية جزءاً صغيراً من الطاقة التي تستخدمها المعدات الإلكترونية المقابلة، حيث تستخدم التكنولوجيا الضوئية فوتونات عديمة الكتلة وعديمة الاحتكاك لنقل البيانات، وبدلاً من الإلكترونات المنتجة للحرارة والمعرضة للاحتكاك.
- “ISPs” هي اختصار لـ “Internet service provider”.
آلية عمل الترانزستور البصري:
لا يتم تشغيل الترانزستورات الضوئية بالكهرباء ولكن عن طريق ضخ الليزر أي أنّ أشعة الليزر البنفسجي بطول موجة “400 نانومتر”، وإلى “480 نانومتر” تعدل باستمرار بين مخرجات الطاقة العالية والمنخفضة والتي يتم تفسيرها على أنّها منطقية “1 ثانية” و”0 ثانية”، كما يقوم شعاع ليزر ثانٍ أصغر يعمل بدلاً من بوابة إلكترونية بتشغيل وإيقاف الليزر الذي يتم ضخه لإنتاج الناتج المطلوب من “1 ثانية” و”0 ثانية”.
ينتج الليزر الذي يتم ضخه والذي يعمل كمصدر طاقة للترانزستور البصري إكسيتونات ساخنة أي إلكترونات مرتبطة وثقوب إلكترونية نشطة للغاية بحيث لا يمكن إعادة تجميعها، وفي البوليمر المركزي البالغ سمكه “35 نانومتراً للمادة الضوئية والذي يقع بين طبقات شفافة يبلغ قطرها “50 نانومتراً” ثاني أكسيد السيليكون الذي يعمل بمثابة تجاويف بصرية، كما تعمل الطبقات المحصورة المتعددة من أكسيد التنتالوم أو ثاني أكسيد السيليكون كمرايا داخلية وجهاً لوجه أي عاكسات براج فوق طبقة زجاجية سفلية.
ترتد الإكسيتونات الساخنة بين الطبقات العاكسة في التجويف بسرعة الضوء بسرعة كبيرة لدرجة أنّها تهتز الشبكة البلورية لدرجة أنّه لم يعد بالإمكان التمييز بين موجات الضوء والاهتزازات، كما تنشأ هذه الظاهرة الكمومية والمسماة بولاريتون من الاقتران القوي للتذبذبات الكهرومغناطيسية للإكسيتونات ثنائية القطب في التجويف الذي يوفره ثاني أكسيد السيليكون.
عندما يضيء شعاع ليزر التحكم أي البوابة في نفس المكان مثل شعاع الليزر المضخ، فإنّه يتسبب في انبعاث كمية واحدة من الطاقة الاهتزازية وهي “فايبرون”، والتي بدورها تسمح للفوتون من الليزر الذي يتم ضخه بإصدار شعاع ناتج متطابقة مع إشارة التحكم لكنّها مضخمة.
ونظراً لأنّ حزمة التحكم أكثر دقة في كل من الطول الموجي وزاوية الوقوع، فإنّها تؤدي إلى انهيار حتمي لهذا التأثير الكمي يسمى مكثف “بوز-آينشتاين”، والذي سيستمر طالما أنّ حزمة التحكم المسورة نشطة، وعندما تتوقف حزمة التحكم يقوم الترانزستور البصري بإيقاف إنتاجه.
كما إنّ حزمة المضخة مثل مصدر الطاقة لدائرة إلكترونية، حيث تقوم إشارة التحكم بوظيفة البوابة وعادةً ما ينعكس ناتج تدفق ترانزستور بصري واحد، وإلى إدخال التحكم في الترانزستور البصري التالي من مرآة وفي النهاية فإنّ عامل التضخيم الأقصى نظرياً هو “6000”، وعلى الأقل “10 مرات” أكبر من المضخمات الضوئية المماثلة، وإلى جانب بوابة “NOR” العالمية يعمل الباحثون أيضاً على انبعاث أفقي داخل مستوى المادة والتكامل الكامل ونوع جديد من خط تأخير مضغوط للغاية داخل المستوى.
مبدأ عمل الترانزستور البصري:
يتكون الترانزستور البصري من مرنان دقيق بجوار خط بصري، حيث في الظروف العادية يدخل مصدر الضوء إلى الخط البصري ويمر على طوله ثم يخرج، ولكن عند تردد طنين محدد يتفاعل الضوء مع مرنان “microring”، ممّا يقلل الناتج بشكل كبير، وفي هذه الحالة يكون الناتج متوقفاً بشكل أساسي على الرغم من تشغيل العرض.
تسعى الترانزستورات الضوئية والتي تستخدم الفوتونات بدلاً من الإلكترونات، بأنّ تكون أقوى من الترانزستورات الإلكترونية المستخدمة حالياً في أجهزة الكمبيوتر، حيث ركزت أبحاث “Agarwal” حول الحوسبة الضوئية على إيجاد التركيبة الصحيحة والتكوين المادي للمواد غير الخطية التي يمكنها تضخيم ومزج موجات الضوء بطرق مماثلة للترانزستورات الإلكترونية.
وإحدى العقبات التي تعترض القيام بذلك مع الضوء هي أن المواد القادرة على مزج الإشارات الضوئية تميل أيضاً إلى امتلاك إشارات خلفية قوية جداً أيضاً، كما أنّ إشارة الخلفية هذه ستقلل بشكل كبير من التباين ونسب التشغيل أو الإيقاف ممّا يؤدي إلى حدوث أخطاء في الناتج، كما يُعد التحكم الديناميكي في الإشارات غير الخطية أمراً بالغ الأهمية لمجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية الضوئية، مثل معالجة الإشارات للحوسبة الضوئية.
ومع ذلك فإنّ التحكم في الإشارات الضوئية غير الخطية بقوى تعديل كبيرة وتباين شبه مثالي يبقى مشكلة صعبة بسبب المعاملات غير الخطية، ومن الدرجة الثانية الجوهرية عبر المساهمات الكبيرة أو السطحية، ومن خلال التحكم الكهربائي يتم تشغيل وضبط المعاملات غير الخطية من الدرجة الثانية في أحزمة نانوية “CdS” شبه موصلة من صفر إلى “151 V 1″، وهي قيمة أعلى من المعاملات غير الخطية الجوهرية الأخرى في “CdS”.
كما أنّه نسبة تشغيل أو إيقاف عالية جداً تبلغ أكثر من 104 وقوة تعديل تقريباً “200% V 1” للإشارة غير الخطية، ويُسبب السلوك غير الخطي غير المعتاد بما في ذلك الجهد التربيعي الفائق والاعتماد على الطاقة إلى مجال المجال العالي، والذي يمكن التحكم فيه بشكل أكبر عن طريق الإثارة الضوئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء والبوابات الكهربائية.
ويمكن أن تتيح القدرة على التحكم في الإشارات الضوئية غير الخطية في الهياكل النانوية الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل الترانزستورات الضوئية والمعدِّلات للضوئيات المدمجة على الرقاقة.
