فوتونیک و ارتباطات نوری

فوتونیک و فناوری‌های نوری
امروزه
نور با روش‌های مختلف زندگی ما را چنان تحت تاثیر قرار داده است که تا چند
دهه‌ی پیش حتی به ذهنمان خطور هم نمی‌کرد. نور در آینده نقش‌های مهم‌تری
خواهد یافت. از جمله با فراهم کردن مقدمات انقلاب مخابرات فیبر نوری در
جهان شرایطی جدید درکاربرد پزشکی، زیست‌فناوری (Biotechnology) ، حس‌گر‌های نوری (optical sensing) ایجاد خواهد کرد.
فناوری‌های کلیدی برای قرن آینده:
فوتونیک و فناوری‌های نوری (Photonics and Opticl technologies)
نانوتکنولوژی (Nanotechnology)
زیست‌فناوری (Biotechnology)
اکنون
ما در آغاز دیدن ثمره‌ی اکتشافات علمی در سه یا چهار دهه‌ی اخیر هستیم. در
دهه‌ی 1960 مطالعه‌ی برخی ویژگی‌های منحصر به‌فرد و ناشناخته‌ی نور به
ایجاد و توسعه‌ی حوزه‌ی نوینی به‌نام لیزر منجر شد. نور هم‌دوس (coherent light) می تواند به روش‌های جدیدی که برای نور ناهم‌دوس (Incoherent light) غیرممکن است، هدایت، کانونی و منتشر شود. این ویژگی منحصر به فرد نور لیزر مخابرات فیبرنوری (fiber-optic communications) ، دیسک‌های فشرده (compact disks)، جراحی لیزری و دسته‌ای دیگر از کاربردها را ممکن ساخته است.
کاربردهای نور ناهم‌دوس (incoherent light) نیز به همین فراوانی است؛ سیستم‌های لیتوگرافی نوری (optical lithography) برای الگوسازی تراشه‌های کامپیوتری، میکروسکوپ‌هایی با قدرت تفکیک بالا (high-resolution)،
اپتیک‌ انطباقی برای پژوهش‌های ستاره‌شناسی که در زمین انجام می‌شود و
حس‌گرهای امواج فروسرخ برای همه چیز:از دستگاه کنترل از راه دور گرفته تا
تجهیزات دید شب ( night-vision) و حتا منبع‌های نوری با بازده بالا.
اگرچه
دانش اپتیک در زندگی کنونی ما نفوذ و تاثیر به‌سزایی دارد، نقش اصلی و
ضروری آن توان‌مند کردن فناوری در سیستم‌های بزرگ‌تر است. 


اپتیک و فناوری‌های نوری:
اپتیک (optics) رشته‌ای از دانش و مهندسی فناوری‌ها و پدیده‌های فیزیکی‌ای است که با تولید (generation)، ارسال (transmission)، دستکاری (manipulation)، ردیابی (detection)، و به‌کارگیری (utilization) نور مرتبط هستند.
سه پیش‌رفت بزرگ که در چهل سال اخیر سبب پیش‌رفت‌هایی در این زمینه‌شده‌اند:

•اختراع لیزر
•ساخت فیبرهای نوری با اتلاف کم
•معرفی دستگاه های نیمه رسانا 

بر اساس این ابداع‌ها، رشته‌های علمی زیر به‌وجود آمدند:

الکترواپتیک:Electro-optics عموماً به دستگاه‌های نوری که در آن‌ها پدیده‌های الکتریکی نقش ایفا
می‌کنند اشاره دارد. (لیزر و تعدیل کننده‌های Electro-optic و سوئیچ‌ها)

اُپتوالکترونیک (Optoelectronics): نوعاً به دستگاه‌هایی اطلاق می شود که ذاتاً الکترونیکی هستند ولی نور هم
در آن‌ها به نحوی دخیل است( به‌عنوان مثال می‌توان دستگاه‌های ساطع
کننده‌ی نور و آرایه‌های حس‌گر را نام برد).

Quantum electronics: در دستگاه‌هایی که اصول کارکرد آن‌ها به برهم‌کنش میان نور و ماده مربوط است، استفاده می‌شود.

Quantum Optics: زمینه‌ای از دانش است که ویژگی‌های هم‌دوس بودن و کوانتمی نور را توضیح می دهد.

Lightwave technology: برای توضیح دستگاه‌ها و سیستم‌ها در ارتباط نوری استفاده می شود.


تعریف فوتونیک و فناوری های نوری:
واژه‌ی فوتونیک در طی دهه‌ی اخیر و به خاطر شباهت با واژه‌‌ی الکترونیک ابداع شده است. 
همان‌گونه
که ازاین واژه برمی‌آید اپتیک و الکترونیک (به‌ویژه بخشی از الکترونیک که
به نقش مواد نیمه‌رسانا در سیستم‌های نوری می‌پردازد) در رشته‌ی فوتونیک
ارتباطی تنگاتنگ دارند. همان‌طور که می‌دانید الکترونیک با بارهای
الکتریکی و فوتونیک با فوتون‌ها سروکار دارد.
اصطلاحات اپتیک (optics) و فوتونیک (photonics) تمایز واضحی از یک‌دیگر ندارند.


حوزه های پر اهمیت در آینده:
اپتیک (optics) در فناوری اطلاعات و مخابرات
•انتقال اطلاعات
•پردازش اطلاعات
•ذخیره ی نوری (optical storage)
•نمایش
اپتیک در مراقبت از سلامتی و علوم زندگی
•عمل جراحی و دارو
•ابزار برای زیست
•زیست‌فناوری
مشاهدات نوری، روشنایی و انرژی
•حس گرهای نوری و سیستم های تصویری
•روشنایی (روشنایی حالت جامد)
•حس گرهای نوری و روشنایی در حمل و نقل
•انرژی (سلول های خورشیدی)

اپتیک برای ارتش و نظام و کاربردهای نظارتی و مراقبتی
•نظارت و مراقبت
•دید شب
•فعالیت سیستم های لیزری در جو و فضا
•سیستم های فیبرنوری
•صفحه‌های رادار (Displays)


اپتیک (optics) در ساخت و تولید
•استفاده از نور برای کاربرد‌های صنعتی
•استفاده‌ی نور در علم اندازه‌گیری نوری (optical metrology) برای کنترل ساخت
•کاربردهای خاص صنعتی
•افزایش استفاده از اپتیک در ساخت


فناوری اطلاعات و مخابرات
فناوری
اطلاعات طی دهه‌ی گذشته پیش‌رفت فوق‌العاده‌ای داشته است. به‌عنوان مثال،
فیبر نوری برای مخابرات در سرتاسر جهان با نرخی برابر 1000 متر در ثانیه
کار گذاشته شده است. درست 10 سال قبل، فقط 10 درصد از تمام تماس‌های تلفنی
عبور‌کننده از سرتاسر ایالات متحده توسط کابل‌های فیبر نوری حمل می شد؛ در
حالی که اکنون بیش از 90 درصد خطوط انتقالی را فیبر نوری تشکیل می‌دهد.
برای برآورده کردن نیازهای رایانه‌ها و مخابرات در 10 تا 20 سال آینده
بایستی دانش فوتونیک برای انتقال، سوئیچ‌کردن، ذخیره‌ی داده ها
و...راه‌حل‌های خوبی ارایه کند. در بسیاری از این زمینه‌ها توان بالقوه‌ی
پیش‌رفت چشم‌گیری دیده می‌شود. اگرچه برخی مؤسسه‌ها به این رشد فزاینده در
شبکه‌ی مخابرات پرسرعت جهانی دست یافته اند، هنوز زیرساختارهای لازم برای
فراهم کردن امکان دست‌رسی افراد( مصرف‌کننده‌های منفرد) به این فناوری
به‌وجود نیامده‌اند.

در پزشکی اپتیک گستره‌ی وسیعی از درمان‌های
نوین را در اختیار پزشکان قرار می‌دهد؛ این گستره از جراحی لیزری قلب تا
تشخیص زودرس سرطان سینه و مشاهده‌ی گلوکز بدون استفاده از سوزن برای افراد
مبتلا به دیابت را در بر می‌گیرد. اپتیک، ابزارهای پژوهشی‌ی زیستی نوینی
را برای تصویربرداری، سنجش، تجزیه و تحلیل و دست‌کاری فراهم کرده است. در
زیست‌فناوری، وجود لیزرها در سیستم‌های توالی‌یابی sequencing) DNA) ضروری است. اپتیک چنان نقش مهمی در دانش حیات و پزشکی بازی می‌کند که
سازمان‌هایی که به این رشته‌ها مربوط هستند باید این پیش‌رفت‌ها را
بشناسند و خود را با آن سازگار کنند.
پژوهش‌هایی که در حوزه ی منابع
روشنایی و سیستم‌های پخش نور به کاهش شدید مصرف برق منجر شده‌بود، اکنون
به روشنایی اختصاص داده شده است. حس‌گرهای نوری جدید در حال افزایش دادن
دید بشر، نمایش جزئیات، آشکارکردن اطلاعاتی که هرگز پیش از این مشاهده
نشده بودند، هستند: دوربین‌های فروسرخ که تصاویر ماهواره‌ای از الگوهای
ابرها و هوا را فراهم می کند؛ میدان دید در شب برای استفاده از عوامل
اجرای قانون؛ ردیاب‌های حرکتی فروسرخ برای امنیت منازل، کنترل فرایند‌های
صنعتی بر خط (‌on-line)
دوربین های دیجیتالی با قدرت تفکیک بالا در
شرف ایجاد تغییرات اساسی و کامپیوتری کردن عکاسی و چاپ هستند. احتمالاً
پیش‌رفت در زمینه‌ی سلول‌های خورشیدی سبب خواهد شد در اواسط این قرن نیمی
از نیاز انرژی در سراسر جهان توسط انرژی خورشید فراهم شود. این پیش‌رفت‌ها
بر مسئله‌ی انرژی و مسائل مربوط به آن در یک مقیاس بین المللی تأثیرخواهد
گذاشت.
اپتیک تأثیر اقتصادی قابل توجهی در ساخت، به خصوص از ابتدای
ورود لیزرهای قابل اعتماد، ارزان‌قیمت و سیستم تصویربرداری لیزری
داشته‌است. امروزه حضور تکنیک‌های نوری در صنایع گوناگون مانند ساخت نیمه
رساناها و تولید محصولات شیمیایی قطعی شده است.



سایر کاربردها موارد زیر را شامل می شود:
جوشکاری
لیزری ، تولید مدل لیزری، تعمیر لیزری در صفحه‌های رادار نیمه رسانا،
اعزام کاوش گر تشخیصی برای مشاهده و کنترل فرایندهای شیمیایی، علم اندازه‌گیری (metrology) و حتی سیستم های هدایت لیزری در ساخت تونل ها.
در محدوده ی کاربردهای نظامی، فناوری‌های نوری از اجزای ارزان قیمت تا سیستم های پیچیده و گران قیمت، در همه‌جا حضور دارند.
امروزه لیزرها در همه چیز، از هدف گیری و محدوده یابی تا کشتیرانی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اپتیک
رشته ای فوق العاده پویا و قوی است. کاربرد های متنوع آن ارتباطات مهمی در
جامعه را باعث شده‌اند که همان‌طور که پیش از این دیدیم زمینه‌هایی مانند
مخابرات، پزشکی، انرژی و کاربردهای نظامی از جمله‌ی آن‌ها هستند.


چشم‌انداز آینده:
پیش‌رفت
اپتیک در آینده زندگی ما را دست‌خوش تغییر خواهد کرد ، آن‌چنان که حتا
نمی‌توانیم آن را تصورکنیم. تقریباً در تمام حوزه‌هایی که بیان کردیم،
انتظار می‌رود که علم اپتیک موجب تغییر در جهان شود. بی شک آینده، ما را
شگفت زده خواهد کرد، اما اکنون چشم‌انداز روشنی وجود دارد: در آینده‌ای نه
چندان دورهمه‌ی نقاط جهان به‌وسیله‌ی شبکه‌ی مخابراتی پرسرعت فیبر نوری با
یک‌دیگر مرتبط خواهند شد و پیش‌رفت‌ها در زمینه‌های مختلف دانش و فناوری
اپتیک سبب تولید انبوه ابزارها وسیستم‌های نوری ارزان‌قیمت و باکیفیت بالا
خواهند شد.
این منجر به رشد و پیشرفت ارتباطات پر‌سرعت داده‌های
اینترنتی می شود. در مراقبت سلامتی، پیشرفت روش های نوری برای نظارت بر
فرایندهای زیستس انسانی تأثیر زیادی در تشخیص و درمان خواهد داشت.
بسیاری ازحوزه های تشخیصی و درمانی پزشکی ونیز پژوهش‌های زیست پزشکی (biomedical) و بالا بردن کیفیت زندگی نیز از تأثیر پیش‌رفت‌های اپتیک به‌وفور بهره
خواهند برد.اکنون خطر گرم‌شدن زمین و افزایش حجم گازهای گل‌خانه‌ای در جو
زمین بحرانی جهانی به‌شمار می‌آید بنابراین ضروری است که از انرژی عاقلانه
تر استفاده کنیم. فناوری‌های بسیار کارآمد روشنایی (high efficient lighting technology) به طور چشم‌گیری انرژی لازم برای روشنایی را کاهش می‌دهد. سلول های
خورشیدی با تولید جریان الکتریکی از نور خورشید از وابستگی ما به سوخت های
فسیلی خواهند کاست. در صنعت، حس گرهای نوری و تصویرگرهای فروسرخ انقلابی
در کنترل فرایند ساخت و عمل آوری مواد خواهند داشت.
کارخانه‌ها
حس‌گرهای نوری را به طور گسترده ای در ساخت همه چیز، از پارچه تا خودرو به
کار خواهند گرفت. دوربین های دیجیتالی جایگزین فیلم عکاسی در چاپ و عکاسی
خواهند شد. در صنعت الکترونیک که برای ساخت الگوهای مدار در تراشه‌ها به
فوتولیتوگرافی وابسته است، تولید طرح‌هایی کوچک‌تر از 0.1 میکرومتر، نیاز
به ابزارهای نوری دارند که از اشعه ی ایکس یا حداکثر نور فرابنفش استفاده
می کنند.
اپتیک در کشف سلاح های شیمیایی و زیستی استفاده خواهد شد.
این حضور در همه جا و در آن واحد به دردسترس بودن سیستم‌های ارزان قیمت نوری وابسته است



نقش
اپتیک در پژوهش‌ها که به‌سرعت در اکثر رشته های مربوط به علم و فناوری
ظاهر می‌شود, در آینده تنها به تصور ما محدود خواهد شد. سیستم های پرقدرت
لیزری, امکان ساخت شتاب‌دهنده‌های ذرات را که در آن‌ها حد انرژی ذره در
آزمایش‌های فیزیک ذرات افزایش یافته است، فراهم می کند. لیزرها, اتم های
منفرد را در تله‌های نوری دست‌کاری خواهند کرد. آزمایش‌های تداخل سنج لیزر
می تواند رازهای جاذبه‌ی زمین را حل کند. منابع اشعه یx ابزارهای جدیدی را
برای فهم دینامیک مواد فراهم خواهد کرد و ...