با توجه به اینکه الکترون ها جرم دارند، برای این جابجایی تحت یک میدان الکتریکی، شتاب می گیرند و به نقطه ای دیگر می روند. این فرایند نیازمند زمان مشخصی است. بنابراین با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها، علاوه بر اینکه مسیر کوتاه تر و به‌تبع آن زمان کوتاه تری برای کلید زنی احتیاج خواهیم داشت، افزایش تعداد ترانزیستور ها بر روی تراشه نیز به افزایش سرعت پردازنده می انجامد.
اما از سویی این کوچک‌سازی، جایی به حد نهایت خود خواهد رسید و دیگر پارامترهای فیزیکی امکان کوچک‌تر کردن ترانزیستورها را نمی دهد. بنابراین شاهد توقف رشد سرعت پردازنده ها خواهیم بود مگر اینکه چاره ای دیگر برای توسعه پردازنده های سریع بیندیشیم.
به همین دلیل در سال های اخیر علاقه‌مندی برای جایگزین کردن پردازنده های الکترونیکی با پردازنده های مبتنی بر فوتون افزایش‌یافته است. همچنین علاقه به تمام نوری کردن سیستم انتقال اطلاعات و پردازش وجود دارد. همان‌طور که گفته شد ابتدایی‌ترین مؤلفه‌ی یک مدار مجتمع پردازشگر، ترانزیستور است.
بنابراین، در این مسیر، گام نخست ساخت یک ترانزیستور تمام نوری است. در اینجا ترانزیستور تمام نوری را قطعه ای تعریف می کنیم که در آن‌یک سیگنال نوری به آن واردشده و طی یک فرایند تمام نوری، به‌صورت پالس نوری تقویت‌شده خارج شود به‌طوری‌که شدت پالس خروجی وابسته به دامنه پالس ورودی باشد. با توجه به عدم برهمکنش فوتون ها در شدت های پایین، ساخت چنین قطعه ای به‌خودی‌خود یک چالش است و لازم است یک عامل واسط با هر دو فوتون برهمکنش نماید. پژوهش های گسترده ای در سطح جهان برای ساخت سوییچ ها و ترانزیستور ها تمام نوری انجام می گیرد و گام های بلندی نیز در این رابطه برداشته‌شده است.
به‌کارگیری روش های متنوعی ازجمله شفافیت القایی، اتم های گازی چند ترازی، امواج پلاسمونیک، کوانتم دات ها و ... تاکنون راه‌کارهایی برای طراحی یک ترانزیستور تمام نوری ارائه داده‌اند اما تا به امروز هیچ‌یک از این پژوهش ها نتوانسته اند یک مدل مطلوب و عملیاتی برای ساخت یک ترانزیستور تمام نوری قابل‌رقابت با نمونه های الکترونیکی ارائه دهند.
اگر بخواهیم یک مکانیزم عام برای کار غالب ترانزیستورهای تمام نوری ارائه دهیم، می توان گفت در طراحی یک ترانزیستور با توجه به لزوم تقویت سیگنال، لازم است قطعه به‌طور مداوم با یک پرتوی دیگر پمپ شود تا انرژی لازم جهت تقویت به‌صورت فوتون های موجود داخل سیستم تأمین شود.
انتظار داریم هنگامی‌که پرتوی سیگنال به سیستم رسید تغییری در آن ایجاد کند که باعث ایجاد خروجی با شدتی بیشتر از سیگنال ورودی شود. با توجه به اینکه پرتوی پمپ نیز در سیستم وجود دارد، لازم است این دو پرتو تفاوتی با یکدیگر داشته باشند تا تغییری که نیاز است در سیستم توسط نور انجام گیرد تنها به‌واسطه‌ی ورود پرتوی سیگنال رخ دهد و پرتوی پمپ به‌تنهایی قادر به ایجاد خروجی با شدت مذکور نباشد. درنتیجه لازم است دو پرتو دستکم از یک لحاظ باهم متفاوت باشند. دو پرتو نوری از چندین جهت می توانند باهم تفاوت داشته باشند.
برخی از این موارد عبارت‌اند از طول‌موج، قطبش، شدت، فاز و جهت انتشار. انتخاب هر یک از این ویژگی های نور تعیین‌کننده مکانیزم کار ترانزیستور خواهد بود. انتخاب یک مکانیزم مشخص علاوه بر حصول خروجی مطلوب لازم است برخی دیگر از ویژگی های الزامی برای یک ترانزیستور را برآورده سازد. در اینجا شاید بد نباشد به شاخص¬هایی بپردازیم که یک ترازیستور تمام نوری لازم است داشته باشد تا بتوان به دید عملیاتی به آن نگاه کرد. در وهله ی اول یک ترانزیستور باید عمل تقویت را انجام دهد. با توجه به اینکه هدف اصلی از ساخت چنین قطعه ای بکارگیری در یک مدار مجتمع نوری است، لازم است میزان تقویت به حدی باشد که دستکم بتواند ورودی دو ترانزیستور دیگر را تأمین نماید که به معنای بهره ی حداقل دو برای ترانزیستور است.
ویژگی دیگر امکان مجتمع سازی قطعه طراحی‌شده است به‌گونه‌ای که بتوان آرایه ای از این قطعه را به‌صورت موازی و متوالی بر روی یک تراشه کوچک سوار نمود. الزام دیگر قابلیت کار به‌صورت متوالی است به این معنی که خروجی یک ترانزیستور بتوان ورودی ترانزیستور دیگر را تأمین کند، بنابراین خروجی ترانزیستور باید از برخی لحاظ مانند قطبش و طول‌موج مانند ورودی باشد که لازمه آن طول‌موج یکسان پرتوهای پمپ و سیگنال است. ویژگی حائز اهمیت دیگر توان کاری ترانزیستور است که باید در توان های پایین کار کند تا بهره وری لازم را داشته باشد. سرعت دیگر پارامتر حیاتی در این ترانزیستورها است.
انتخاب فرایند تقویت باید به‌گونه‌ای باشد که از سرعت که هدف اصلی توسعه ی چنین دستگاه‌هایی است نکاهد. کار کردن در دمای اتاق، حفظ شکل سیگنال، پهن‌شدگی کم و عدم وابستگی به خواص همودوسی از دیگر مواردی است که باعث نزدیک تر شدن یک طراحی به نمونه عملیاتی می شود.
با توجه به تلاش های گسترده ای که صورت می گیرد و همچنین نیاز روز افزون بشر به فناوری جایگزین برای پردازنده‌های سریع تر، پیش‌بینی می شود که در سال های آینده گذار مهمی از الکترونیک به فوتونیک در بحث پردازش داشته باشیم. با عنایت به شروع تحول اساسی در بحث انتقال اطلاعات و نوری شدن آن در سال های گذشته، دستیابی به پردازش تمام نوری منجر به یکپارچگی انتقال و پردازش گردیده و دریچه ای جدید در صنعت فناوری ارتباطات و اطلاعات گشوده خواهد شد.
آرین گودرزی
کارشناس توسعه پژوهش و فناوری در ستاد لیزر، فتونیک و ساختارهای میکرونی
کارشناس توسعه پژوهش و فناوری در ستاد لیزر، فتونیک و ساختارهای میکرونی