Láser de transistor

El láser de transistor es un dispositivo semiconductor que funciona como un transistor con una salida eléctrica y una salida óptica, a diferencia de las dos salidas eléctricas típicas. Esta salida óptica lo diferencia de los transistores convencionales y, dado que las señales ópticas viajan más rápido que las eléctricas, tiene el potencial de acelerar enormemente la computación. Los investigadores que descubrieron el láser de transistor desarrollaron un nuevo modelo de la ley de corrientes de Kirchhoff para modelar mejor el comportamiento de la salida óptica y eléctrica simultánea.

El equipo al que se le atribuye el descubrimiento del láser de transistor estaba dirigido por Milton Feng y Nick Holonyak, Jr. , y tenía su sede en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . La investigación sobre el láser de transistor surgió después de que Feng y Holonyak crearan el primer transistor emisor de luz ^{[ 1 ]} en 2004. ^{[ 2 ]} Feng y su equipo modificaron el transistor emisor de luz para enfocar la luz de su salida en un haz láser. Su investigación fue financiada por DARPA . ^{[ 3 ]} El artículo escrito sobre el descubrimiento del láser de transistor fue clasificado entre los cinco mejores artículos de toda la historia de Applied Physics Letters , y el láser de transistor fue considerado uno de los 100 mejores descubrimientos por Discover . ^{[ 1 ]}

El láser de transistor funciona como un transistor típico, pero emite luz infrarroja a través de una de sus salidas en lugar de electricidad. Una cavidad reflectante dentro del dispositivo enfoca la luz emitida en un haz láser. El láser de transistor es un transistor bipolar de heterounión (que utiliza diferentes materiales entre las regiones de base y emisor) que emplea un pozo cuántico en su región de base, lo que provoca la emisión de luz infrarroja . Si bien todos los transistores emiten una pequeña cantidad de luz durante su funcionamiento, el uso de un pozo cuántico aumenta la intensidad de la luz emitida hasta 40 veces. ^{[ 4 ]}

La salida láser del dispositivo funciona cuando el pozo cuántico en la región base captura electrones que normalmente se enviarían a través de la salida eléctrica. Estos electrones luego experimentan un proceso de recombinación radiativa , durante el cual los electrones y los "huecos" con carga positiva se recombinan en la base. ^{[ 5 ]} Si bien este proceso ocurre en todos los transistores, tiene una vida útil extremadamente corta de solo 30 picosegundos en el láser de transistor, lo que permite una operación más rápida. ^{[ 3 ]} Luego, los fotones se liberan a través de la emisión estimulada . La luz rebota de un lado a otro entre las paredes reflectantes dentro del emisor de 2,2 micrómetros de ancho, ^{[ 6 ]} que actúa como una cavidad resonante . Finalmente, la luz se emite como un láser . ^{[ 7 ]}

El dispositivo se construyó inicialmente con capas de fosfuro de indio y galio , arseniuro de galio y arseniuro de indio y galio , lo que impedía su funcionamiento sin refrigeración con nitrógeno líquido. ^{[ 3 ]} Los materiales actuales permiten su funcionamiento a 25  °C ^{[ 8 ]} y en onda continua (emisión continua de luz) ^{[ 9 ]} a 3  GHz. ^{[ 7 ]} El láser de transistor puede producir una salida láser sin ningún pico de resonancia en la respuesta en frecuencia. Tampoco sufre de autorresonancia no deseada que provoque errores en la información transmitida y que requiera circuitos externos complejos para su corrección. ^{[ 8 ]}

Aunque el láser de transistor aún se encuentra en fase de investigación, se ha especulado mucho sobre sus posibles aplicaciones, especialmente en informática. Por ejemplo, sus capacidades ópticas podrían utilizarse para transferir datos entre chips de memoria , tarjetas gráficas u otros componentes internos de la computadora a mayor velocidad. ^{[ 8 ]} Actualmente, la comunicación por fibra óptica requiere transmisores que convierten señales eléctricas en pulsos de luz y, posteriormente, un convertidor en el otro extremo para revertir estos pulsos a señales eléctricas. ^{[ 6 ]} Esto dificulta la comunicación óptica dentro de las computadoras. Sin embargo, pronto podría ser viable, ya que la conversión de electricidad a señales ópticas y viceversa se produce dentro del láser de transistor sin necesidad de circuitos externos. El dispositivo también podría acelerar la comunicación óptica actual en otras aplicaciones, como la transmisión de grandes cantidades de datos a largas distancias. ^{[ 3 ]}

El equipo de investigación que descubrió el láser de transistor afirmó que una de las leyes de Kirchhoff tendría que ser reconstruida para incluir la conservación de la energía, en lugar de solo la corriente y la carga . Debido a que el láser de transistor proporciona dos tipos diferentes de salida, el equipo de investigadores responsable del láser de transistor tuvo que modificar la ley de corriente de Kirchhoff para que se aplicara tanto al balance de energía como al balance de carga. ^{[ 10 ]} Esto marcó la primera vez que las leyes de Kirchhoff se extendieron para aplicarse no solo a los electrones, sino también a los fotones . ^{[ 11 ]}