光トランジスタ

光トランジスタ（フォトニックトランジスタ、光スイッチ、ライトバルブとも呼ばれる）は、光信号を切り替えたり増幅したりするデバイスです。光トランジスタの入力に光が加わると、出力から放出される光の強度が変化し、出力電力は別の光源から供給されます。入力信号の強度は光源の強度よりも弱い場合があるため、光トランジスタは光信号を増幅します。このデバイスは、現代の電子機器の基礎となる電子トランジスタの光アナログです。光トランジスタは、光のみを使用して光を制御する手段を提供し、光コンピューティングや光ファイバー通信ネットワークに応用されています。このような技術は、電子機器の速度を凌駕し、消費電力を削減する可能性を秘めています。

実証された最速の全光スイッチング信号は900アト秒であり、これは超高速光トランジスタの開発への道を開くものである。^{[ 1 ]}

光子は本来互いに相互作用しないため、光トランジスタは相互作用を媒介する動作媒体を用いる必要がある。これは、光信号を電気信号に変換する中間段階を経ることなく実現される。様々な動作媒体を用いた実装が提案され、実験的に実証されている。しかしながら、現状では、それらの性能は現代の電子機器に匹敵するほどのものではない。

光トランジスタは、光ファイバー通信ネットワークの性能向上に利用できる。光ファイバーケーブルはデータの伝送に使用されるが、信号ルーティングなどのタスクは電子的に行われる。これには光-電子-光変換が必要であり、これがボトルネックとなる。原理的には、フォトニック集積回路に配置された光トランジスタを使用することで、全光デジタル信号処理とルーティングが実現可能である。^{[ 2 ]}同じデバイスを使用して、伝送線路に沿った信号減衰を補償する新しいタイプの光増幅器を作成することもできる。

光トランジスタのより高度な応用例としては、信号が電子（配線）ではなく光子（光伝送媒体）である光デジタルコンピュータの開発が挙げられる。さらに、単一光子を用いて動作する光トランジスタは、量子情報処理の不可欠な要素となり、量子ビットと呼ばれる個々の量子情報単位を選択的に操作するために利用できる可能性がある。

光トランジスタは、単一イベントアップセットに悩まされる電子トランジスタとは異なり、理論的には宇宙や地球外惑星の強い放射線に対して耐性を持つ可能性がある。

光論理回路の最もよく挙げられる利点は、光トランジスタのスイッチング時間が従来の電子トランジスタよりもはるかに高速であるという点です。これは、光媒体中の光速が、半導体中の電子のドリフト速度よりも一般的にずっと速いためです。

光トランジスタは光ファイバーケーブルに直接接続できるのに対し、電子回路では光検出器やLED、レーザーなどを介した接続が必要となる。全光信号プロセッサと光ファイバーをより自然に統合することで、光通信ネットワークにおける信号ルーティングやその他の処理の複雑さと遅延を軽減できるだろう。

光処理によって、単一のトランジスタを切り替えるのに必要なエネルギーを電子トランジスタよりも少なくできるかどうかは依然として疑問である。現実的に競争するためには、トランジスタは動作ごとに数十個の光子を必要とする。しかし、量子情報処理のために提案されている単一光子トランジスタ^{[ 3 ] [ 4 ]ではこれが実現可能であることは明らかである。}

光論理回路が電子論理回路に比べて最も大きな利点は、消費電力の削減にあると言えるでしょう。これは、個々の論理ゲート間の接続に静電容量が存在しないことに起因します。電子回路では、伝送線路を信号電圧まで充電する必要があります。伝送線路の静電容量はその長さに比例し、伝送線路の長さが単一の論理ゲートの長さに等しい場合、論理ゲート内のトランジスタの静電容量を上回ります。伝送線路の充電は、電子論理回路における主要なエネルギー損失の一つです。光通信では、受信側の光トランジスタをスイッチングするのに十分なエネルギーだけを伝送すれば済むため、この損失は回避されます。この事実は、長距離通信における光ファイバーの普及に大きく貢献してきましたが、マイクロプロセッサレベルではまだ十分に活用されていません。

光トランジスタは、高速化、低消費電力、光通信システムとの高い互換性といった潜在的な利点に加えて、電子機器と競争するためには一連のベンチマークを満たす必要がある。^{[ 5 ]}これまでのところ、最先端の電子機器の速度と消費電力を上回りながら、これらの基準すべてを満たす単一の設計は存在しない。

基準は以下のとおりです。

• ファンアウト - トランジスタの出力は、少なくとも2つのトランジスタの入力を動作させるのに十分な形式と電力でなければなりません。これは、入力波長と出力波長、ビーム形状、パルス形状が互換性がある必要があることを意味します。
• ロジックレベルの復元 - 信号は各トランジスタによって「クリーンアップ」される必要があります。ノイズや信号品質の劣化は、システム全体に伝播して蓄積し、エラーを引き起こすことを防ぐために除去されなければなりません。
• 損失に依存しない論理レベル - 光通信では、光ファイバーケーブル内での光吸収により、信号強度は距離とともに減少します。そのため、単純な強度閾値では、任意の長さの相互接続においてオン信号とオフ信号を区別することはできません。システムは、異なる周波数でゼロとイチを符号化し、2つの異なる電力の比率または差によって論理信号を伝送する差動信号方式を使用して、エラーを回避する必要があります。

全光トランジスタを実現するためのいくつかの方式が提案されている。多くの場合、概念実証が実験的に実証されている。設計の中には、以下のようなものがある。

• 電磁誘導透明化
  • 光共振器またはマイクロ共振器では、透過はゲート光子の弱いフラックスによって制御されます^{[ 6 ] [ 7 ]。}
  • 自由空間、つまり共振器なしで、強く相互作用するリュードベリ状態を扱うことによって^{[ 8 ] [ 9 ]}
• 間接励起子のシステム（静的双極子モーメントを持つ二重量子井戸内の電子と正孔の束縛対で構成される）。光によって生成され、崩壊して光を放出する間接励起子は、双極子の整列により強く相互作用する。^{[ 10 ] [ 11 ]}
• マイクロキャビティポラリトン（光マイクロキャビティ内の励起子ポラリトン）のシステムでは、励起子ベースの光トランジスタと同様に、ポラリトンが光子間の効果的な相互作用を促進します^{[ 12 ]。}
• 活性ラマン利得媒体を備えたフォトニック結晶キャビティ^{[ 13 ]}
• キャビティスイッチは、量子情報アプリケーションのために時間領域でキャビティ特性を変調します。^{[ 14 ]}
• 光スイッチングのためのポラリトン相互作用を利用したナノワイヤベースのキャビティ^{[ 15 ]}
• 光信号の経路にシリコンマイクロリングを配置する。ゲート光子がシリコンマイクロリングを加熱し、光共振周波数がシフトすることで、特定の光供給周波数における透明度が変化する。^{[ 16 ]}
• 光ピンセットで捕捉され、数マイクロケルビンまでレーザー冷却された約20,000個のセシウム原子を保持する二重ミラー光共振器。セシウム集合体は光と相互作用しないため透明である。共振器ミラー間の往復距離は入射光源の波長の整数倍に等しく、共振器は光源の光を透過できる。ゲート光場からの光子は側面から共振器に入り、各光子は追加の「制御」光場と相互作用し、単一原子の状態を共振器光場と共鳴するように変化させ、これにより光場の共鳴波長が変化し、光源場の透過が遮断され、「デバイス」が「スイッチング」される。変化した原子は特定されないが、量子干渉によりゲート光子をセシウムから取り出すことができる。1つのゲート光子は、正の利得の臨界閾値を超えてゲート光子の回収が妨げられる前に、最大2つの光子を含む光源場を方向転換できる。^{[ 17 ]}
• ヨウ化物アニオンを含む濃縮水溶液中^{[ 18 ]}
• 誘電体材料の反射率を変化させて、アト秒「ペタヘルツ」光スイッチングを実証する。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}
• グラフェントランジスタにおける光誘起量子電流生成によるペタヘルツ光トランジスタ（POT）の実証^{[ 22 ]}