Vandaag, elektrische bistabiele apparaten vormen de basis van digitale elektronica, dienen als bouwstenen van schakelaars, logische poorten en geheugens in computersystemen. Echter, de bandbreedte van deze elektronische computers wordt beperkt door de signaalvertraging van tijdconstanten die belangrijk zijn voor elektronische logische bewerkingen. In een poging om deze problemen te verminderen, wetenschappers hebben de ontwikkeling van een optische digitale computer overwogen, en één team is zo ver gegaan om de optische en elektrische bistabiliteit aan te tonen voor het schakelen in een enkele transistor.

Deze week, in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , een onderzoeksteam van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign presenteert hun bevindingen met betrekking tot de optische en elektrische bistabiliteit van een enkele transistor die bij kamertemperatuur wordt gebruikt.

Voorafgaand aan dit werk, kwantumbronnen werden opgenomen nabij de collector in de basis van een III-V heterojunctie bipolaire transistor, resulterend in een sterk verminderde stralingslevensduur van spontane recombinatie van het apparaat. De bandbreedte van de laserstroommodulatie is gerelateerd aan de recombinatielevensduren van de elektron-gatstraling, foton levensduur en holte foton dichtheid.

In een methode gepatenteerd door twee van de auteurs van het artikel, vaak aangeduid als het idee van Feng en Holonyak, de optische absorptie kan verder worden verbeterd door de holte coherente fotonintensiteit van de transistorlaser. Door gebruik te maken van de unieke eigenschap van intra-cavity foton-ondersteunde tunneling modulatie, de onderzoekers konden een basis leggen voor directe laserspanningsmodulatie en schakelen met hoge gigahertz-snelheden.

De onderzoekers ontdekten dat de elektrische en optische bistabiliteiten van de transistorlaser regelbaar waren door basisstroom en collectorspanning. De stroomomschakeling bleek te wijten te zijn aan de verschuiving van de transistorbasis tussen het gestimuleerde en het spontane elektron-gat-recombinatieproces bij de basis-kwantumbron.

Volgens Milton Feng, van de onderzoeksgroep, dit was de eerste keer dat dit werd gedaan.

"We plaatsen een transistor in een optische holte, en de optische holte regelt de fotondichtheid in het systeem. Dus, als ik tunneling gebruik om het foton te absorberen, en dan de kwantumbron om het foton te genereren, dan kan ik in principe de elektrische en optische schakeling tussen coherente en onsamenhangende toestand voor het licht spanningsafstemming en stroomregeling regelen, en tussen gestimuleerde en spontane recombinatie voor de stroom, ' zei Feng.

In vergelijking met eerdere onderzoeken, die optische hysterese bevatte in holtes die niet-lineaire absorberende en dispersieve versterkingsmedia bevatten, de werkingsprincipes als fysieke processen en bedieningsmechanismen in elektro-optische bistabiliteiten van transistorlasers zijn aanzienlijk verschillend. In dit geval, verschillende schakelpaden tussen optische en elektrische energietoestanden resulteren in verschillende drempels van ingangscollectorspanning, resulterend in dit aanzienlijke verschil in methode en resultaten.

"Vanwege de schakelpadverschillen tussen coherente en onsamenhangende holtefotondichtheden die reageren met collectorspanningsmodulatie via Feng-Holonyak intra-cavity foton-geassisteerde tunneling, resulterend in het collectorspanningsverschil bij in- en uitschakelbewerkingen, de bistabiliteit van de transistorlaser is realiseerbaar, controleerbaar en bruikbaar, ' zei Feng.

De onderzoekers zijn van mening dat de werking van de elektro-optische hysterese en bistabiliteit in de compacte vorm van de transistorlaser kunnen worden gebruikt voor optische logische poort- en flip-flop-toepassingen met hoge snelheid.

"Ik hoop dat het nieuwe domein voor onderzoek zal worden uitgebreid van elektronica - van lichamen in elektronica die in vaste toestand worden getransporteerd - naar een elektronisch-optisch domein naar een geïntegreerd circuit, wat de grote doorbraak zal zijn voor de toekomstige generatie van snelle gegevensoverdracht, ' zei Feng.