トランジスタレーザー

トランジスタレーザーは、一般的な2つの電気出力ではなく、電気出力と光出力を持つトランジスタとして機能する半導体デバイスです。この光出力が一般的なトランジスタと異なる点であり、光信号は電気信号よりも高速に伝わるため、コンピューティングを大幅に高速化する可能性があります。トランジスタレーザーを発見した研究者たちは、光と電気の同時出力の挙動をより適切にモデル化するために、 キルヒホッフの電流法則の新しいモデルを開発しました

ディスカバリー

トランジスタレーザーの発見者として認められたチームは、ミルトン・フェン氏とニック・ホロニアック・ジュニア氏が率い、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校を拠点としていました。トランジスタレーザーの研究は、フェン氏とホロニアック氏が2004年に最初の発光トランジスタ[ 1 ]を開発した後に始まりました。 [ 2 ]フェン氏と彼のチームはその後、発光トランジスタを改良し、出力光をレーザービームに集束させました。この研究は国防高等研究計画局（DARPA）の資金提供を受けました。[ 3 ]トランジスタレーザーの発見に関する論文は、 Applied Physics Letters誌の歴史の中でトップ5の論文にランクされ、トランジスタレーザーはDiscover誌によってトップ100の発見の1つに選ばれました。[ 1 ]

トランジスタの構造

トランジスタレーザーは一般的なトランジスタと同様に機能しますが、出力の1つから電気ではなく赤外光を放射します。デバイス内の反射空洞は、放射された光をレーザービームに集束させます。トランジスタレーザーは、ベース領域に赤外光を放射する量子井戸を持つヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ベース領域とエミッタ領域で異なる材料を使用）です。すべてのトランジスタは動作中に少量の光を放射しますが、量子井戸を使用することで光出力の強度が最大40倍に増加します。[ 4 ]

このデバイスのレーザー出力は、ベース領域の量子井戸が、通常は電気出力から放出される電子を捕捉することで機能します。これらの電子は、ベース領域で電子と正電荷を持つ「正孔」が再結合する放射再結合プロセスを受けます。 [ 5 ]このプロセスはすべてのトランジスタで発生しますが、トランジスタレーザーではその寿命がわずか30ピコ秒と非常に短いため、より高速な動作が可能です。[ 3 ]その後、光子が誘導放出によって放出されます。光は、2.2マイクロメートル幅のエミッター[ 6 ]内の反射壁の間を往復し、共振空洞として機能します。最終的に、光はレーザーとして放射されます。[ 7 ]

このデバイスは当初、インジウムガリウムリン、ガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素の層で構成されていたため、液体窒素で冷却しないと動作しませんでした。[ 3 ]現在の材料は、25℃での動作[ 8 ]と、 3GHzでの連続波動作（連続発光）[ 9 ]を可能にしています。 [ 7 ]トランジスタレーザーは、周波数応答において共振ピークを生じさせることなくレーザー出力を生成することができます。また、不要な自己共振も発生しません。自己共振は伝送情報にエラーをもたらし、複雑な外部回路による補正が必要になります。[ 8 ]

コンピュータを高速化する潜在能力

トランジスタレーザーはまだ研究段階ですが、特にコンピューティングの分野での活用法について多くの憶測が飛び交っています。例えば、その光学的特性を利用して、メモリチップ、グラフィックカード、その他のコンピュータ内部要素間でより高速にデータを転送できる可能性があります。 [ 8 ]現在、光ファイバー通信には、電気信号を光パルスに変換する送信機と、そのパルスを再び電気信号に戻す変換器が必要です。[ 6 ]このため、コンピュータ内での光通信は実用的ではありません。しかし、トランジスタレーザーでは、外部回路を必要とせずに電気信号から光信号への変換とその逆の変換が行われるため、コンピュータ内での光通信はまもなく実用化される可能性があります。このデバイスは、長距離にわたる大量データ通信など、他の用途においても現在の光通信を高速化できる可能性があります。[ 3 ]

キルヒホッフの法則の変更

トランジスタレーザーを発見した研究チームは、キルヒホッフの法則の1つを、電流と電荷だけでなくエネルギー保存則を含めるように再構築する必要があると主張しました。トランジスタレーザーは2種類の出力を提供するため、トランジスタレーザーを担当する研究チームは、キルヒホッフの電流法則を電荷のバランスだけでなくエネルギーのバランスにも適用できるように修正する必要がありました。[ 10 ]これは、キルヒホッフの法則が電子だけでなく光子にも適用されるように拡張された初めてのケースでした。[ 11 ]

参考文献

  1. ^ a b "| イリノイ大学物理学科" .physics.illinois.edu . 2013年1月25日時点のオリジナルよりアーカイブ
  2. ^ Kloeppel, James E. 「ニュース局 | イリノイ大学」新型発光トランジスタがエレクトロニクス産業に革命を起こす可能性。ニュース局、2004年1月5日。ウェブ。2012年11月12日。< http://news.illinois.edu/news/04/0105LET.html >。
  3. ^ a b c d「新型トランジスタレーザー、信号処理の高速化につながる可能性」 ScienceDaily. ScienceDaily、2004年11月29日. ウェブ. 2012年10月18日. < https://www.sciencedaily.com/releases/2004/11/041123210820.htm >.
  4. ^ Rowe, Martin. 「トランジスタレーザーが通信を変える」TMWorld. Test and Measurement World, 2010年7月10日. Web. 2012年11月11日. < http://tmworld.com/design/manufacturing/4388168/Transistor-laser-could-change-communications >.
  5. ^ Troy, Charles T.「トランジスタレーザーが法を破る」Photonics Spectra.Laurin Publishing, 2010年8月. Web. 2012年11月10日 < http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=43340 >.
  6. ^ a b Holonyak, Nick, Jr., Milton Feng. 「トランジスタレーザー」IEEE Spectrum. IEEE, 2006年2月. Web. 2012年11月10日. < [1] >.
  7. ^ a b Feng, M., N. Holonyak, G. Walter, R. Chan. 「ヘテロ接合バイポーラトランジスタレーザーの室温連続波動作」Applied Physics Letters 87.13 (2005): 131103-31103-3. 印刷。
  8. ^ a b c「トランジスタレーザー：革新的かつ革新的なデバイス」 化合物半導体 ガリウムインジウムヒ素窒化物 LED InP SiC GaN。2011年2月1日。ウェブ。2012年10月18日。< http://www.compoundsemiconductor.net/csc/features-details.php?cat=features&id=19733050 >。
  9. ^ Paschotta, Rüdiger. 「連続波動作」。連続波動作に関する記事、Cw. RP Photonics、nd Web。2012年11月17日。< http://www.rp-photonics.com/continuous_wave_operation.html >。
  10. ^その後、HW、N. Holonyak, Jr.、M. Feng. 「3ポートトランジスタレーザーのマイクロ波回路モデル」 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 108 (2010): n. pag. Web.
  11. ^「トランジスタレーザーによる電流法則の再定義」ScienceDaily、2010年5月17日。ウェブ。2012年10月18日。< https://www.sciencedaily.com/releases/2010/05/100512164335.htm >。
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