فوتونيك و نانو فوتونيك

[مسافر007]

در دهه هشتاد كامپيوترهاي شخصي در عرصه صنعت دنيا پديدار شد كه با ايجاد مدارهاي مجتمع ديجيتال مقدور گرديدند. در اين عرصه محدوديت هاي زيادي براي فشرده كردن عناصر فعال نيمه هادي وجود داشت. از جمله اين محدوديتها، محدوديتهاي انتقال الكترون بخاطر كوبلاژهاي الكترومغناطيسي و ... است كه بر سر راه انتقال وجود دارد.

مجموعه مشكلات موجود بر سر راه انتقال ذره الكترون در مخابرات، پردازش اطلاعات، تصوير (عمل سريال در پردازش) و .. همه تلاش بر سر يافتن ذره اي كه عمل مشابه الكترون را انجام داده ولي مشكلات ذكر شده آن را نداشته باشد به وجود آورده است.اين تلاشها فوتون را به عنوان ذره جايگزين الكترون مطرح ساخته است.
پيشرفت هاي اخير در زمينه نور كه از سال 1960 شروع شده است به حدي رسيده كه بايستي رشته و تخصص جداگانه اي براي فراگيري و پيشرفت در اين عرصه تعريف شود.
فوتونيك


در قرن بيستم علم الكترونيك با كشف و اختراع لامپ خلا توسط فلمينگ آغاز شد و حدود 35 سال اول قرن طول كشيد تا به يك تكنولوژي تمام عيار تبديل شود.

در اين مدت هم تئوري مخابرات و هم تكنولوژي آن از پيشرفت قابل ملاحظه اي برخوردار گرديد تا اينكه به يك صنعت كامل تبديل شد.اين صنعت تا 1945 به تكامل خود ادامه داد ولي ضعف هاي اين صنعت از جمله خرابي لامپ ها، حجم زياد، ولتاژ كار بالا، حمل و نقل مشكل، روز به روز بيشتر نمايان شد. در اين تاريخ در آزمايشگاه بل گروهي براي رفع عيب هاي ذكر شده در صنعت لامپ خلا تشكيل شد كه بعد از دو سال موفق گرديد با معرفي الكترونيك حالت جامد تمام ضعفهاي ذكر شده را از بين ببرد و در سال 1947 ترانزيستور BJT را معرفي نمودند. اختراع ترانزيستور منجر به پيشرفت فوق العاده اي در همه عرصه هاي علم و تكنولوژي قرن بيستم گرديد. تمام كامپيوتر ها، PLC ها ماهواره ها و ... همه دست آوردهاي اخير اختراع ترانزيستور هستند.
اختراع ترانزيستور جز بيست اختراع و كشف مهم قرن بيستم مي باشد.

فوتونيك- الكترونيك


پيشرفت روز افزون تكنولوژي و ساخت قطعات الكترونيكي كوچك و كوچك‌تر تا به آنجا ادامه يافته است كه امروزه پيش‌بيني مي‌شود كه در چند سال آينده ديگر نتوان قطعاتي از اين كوچك‌تر ساخت كه قادر به عبور جريان الكتريسيته باشند به گونه‌اي كه در آنها عبور يك الكترون برابر خواهد بود با برقراري جريان و عدم عبور آن يعني قطع جريان الكتريكي.
اين مساله باعث شده تحليل مدارات ديگر از حوزه الكترونيك كلاسيك خارج شده و بررسي چنين سيستمي بر عهده مكانيك كوانتمي نهاده شود كه داراي مشكلات خود مي‌باشد. اين امر باعث شده است تا

دانشمندان به فكر جايگزيني براي الكترون بيافتند تا مشكلات الكترون را نداشته باشد و در اولين گزينه‌ها فوتون يعني كوانتاي نور را جايگزيني مناسب يافتند. پس از اين پس بايد به دنبال ساخت ادواتي بود كه جاي ادوات الكترونيكي را در مدارات بگيرد و در آنها فوتون نقش اساسي را بازي كند

تحقيقاتي كه اين هدف را دنبال مي‌كنند در حوزه فوتونيك شاخه الكترونيك آن بررسي مي‌شود و بر عهده اين بخش است.

Left: Prof. John Bowers (UCSB), right: Dr. Mario Paniccia Intel

فوتونيك- مخابرات


ساخت فيبر نوري و اختراع ليزر بشر را به اين سو هدايت كرد تا مخابراتي پيشرفته بر مبناي اين دو تكنولوژي بسازد. اين مخابرات اكنون به ظهور رسيده است و روز به روز بر قدرت و سرعت آن افزوده مي‌شود.
سيستم‌هاي مخابرات نوري يا همان مخابرات بر پايه ليزر و فيبر نوري هنوز در كار با سيگنال‌هاي مخابراتي از سيستم‌هاي الكترونيكي استفاده مي‌كند كه سرعت كار آنها را به شدت پايين مي‌آورد. اين مشكل با تمام نوري كردن تمامي ادوات به كار رفته در اين مدارات ممكن است. به همين دليل يكي از جبهه‌هاي پر رونق در علم فوتونيك امروز ساخت جايگزين‌هاي اين اداوات الكترونيكي به صورت نوري مي‌باشد.

فوتونيك- فيزيك


شاخه ديگري از علم فوتونيك فوتونيك- فيزيك است. در اين شاخه نيز به مباحث بسيار زيادي از جمله روابط حاكم بر برهمكنش نور با ماده، ميكروسكوپ‌هاي روبشي ميدان نزديك نوري و ... پرداخته مي‌شود.
كاربردهاي نانوفوتونيك را مي‌توان به هفت دسته كليدي شامل نمايشگرها، ديودهاي نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي، حسگرها و جفتگرهاي نوري، ليزرهاي ديودي، ليتوگرافي با ليزر، و فيبرهاي ويژه تقسيم‌بندي كرد


فوتونيك به بررسي‌هاي برهم‌كنش‌هاي بين نور و ماده در مقياس نانو گفته مي‌شود. در اين شاخه به كاربردهاي كريستالهاي فوتونيكي پرداخته مي‌شود. مفهوم نانوفوتونيك تلفيقي از دو حوزه تشكيل دهنده آن يعني علم فوتونيك و فناوري نانو مي‌باشد. فناوري نانو طبق تعريف عبارت است از دستكاري ماده در سطح مولكولي و اتمي به‌منظور ايجاد ساختارهاي مهندسي شده براي كاربردهاي معين مي‌باشد.
اپتيك، ليزر، الكترونيك نوري، حسگرهاي نوري، و مخابرات نوري از گونه‌هاي اصلي اين علم هستند.

(كاربردهاي نانوفوتونيك را مي‌توان به هفت دسته كليدي شامل نمايشگرها، ديودهاي نورافشان، سلول‌هاي خورشيدي، حسگرها و جفتگرهاي نوري، ليزرهاي ديودي، ليتوگرافي با ليزر، و فيبرهاي ويژه تقسيم‌بندي كرد.)
منبع: تبيان