فوتونیک چیست ؟

فوتونیک :

در طول قرن بیستم ، انقلابی شگرف در صنعت الکترونیک آن را به صورتی که امروزه با آن سر و کار داریم در آورد . اختراع لامپ خلأ انتقال اطلاعات در فواصل طولانی را از طریق رادیو و تلویزیون ممکن ساخت. همچنین لامپ های خلأ به منظور پردازش اطلاعات در نخستین کامپیوترهای الکتریکی مورد استفاده قرار گرفتند. پس از گام های اولیه ، روند کار به سوی ساخت دستگاه های الکترونیکی سریع تر و با ابعاد کوچک تر پیش رفت ؛ ابتدا ترانزیستورها به عنوان المان هایی مجزا ، جایگزین لامپ های خلأ شدند و پس از آن مدارات مجتمع که در آن ها هزاران و میلیون ها ترانزیستور در ابعاد بسیار کوچکی از چیپ نیمه هادی وجود داشت ساخته شدند . این روند کوچک سازی باعث تسهیل کاربرد دستگاه های الکترونیکی و آسودگی خاطر انسان در فعالیت های روزمرۀ زندگی نظیر استفاده از کامپیوترهای شخصی ، تلفن همراه ، سامانه های موسیقی استریو ، تلویزیون و دوربین های فیلم برداری و … شد.

امروزه انقلابی مشابه در شرف وقوع است . الکترون که عامل رشد صنعت الکترونیک بود ، در این تحول جدید نقش عمده ای ندارد ؛ بلکه این فوتون ها هستند که عامل پیدایش صنعت فوتونیک هستند . واژۀ فوتونیک از این جهت برای این مقاله انتخاب شده است که بیانگر کاربردها و پدیده هایی است که در آن ها نور ( که جریانی از فوتون هاست ) به منظور انتقال یا پردازش اطلاعات ، یا تغییر فیزیکی مواد مورد استفاده قرار می گیرد . احتمالاً مهم ترین مثالی که می توان ذکر کرد مخابرات فیبر نوری است که در آن نور در فیبرهای نوری فوق شفاف منتشر شده و حجم زیادی از داده ها را بین قاره ها انتقال می دهد . این فیبرهای نوری همچنین ستون فقرات شبکه های انتقال دادۀ پرسرعت هستند و به کاربران اینترنتی اجازه می دهند که نه تنها به محتوای متنی و گرافیکی ساده ، بلکه به محتوای چند رسانه ای نیز دسترسی داشته باشند .

فوتونیک ، همان طور که اشاره شد ، شامل ذخیره و نگهداری اطلاعات اپتیکی نظیر CD  ها ، DVD  ها به منظور ذخیرۀ صدا و تصویر و حافظۀ کامپیوتری نیز می گردد . این کاربردها ، علیرغم اینکه مدام در حال توسعه اند ، اما فن آوری مربوط به آن ها به حدّ اعلای رشد خود رسیده است. کاربردهایی که کمتر توسعه یافته اند شامل کلید زنی اپتیکی و پردازش نوری تصویر نیز در حوزۀ دانش فوتونیک قرار دارند . می توان محاسبات نوری را هدف نهایی تحقیقات فوتونیکی دانست ؛ در این صورت بخش عمدۀ داده ها به صورت نوری پردازش و ذخیره می شوند و از آنجایی که سیگنال های نوری با سرعت فوق العاده زیادی حرکت کرده و امکان پردازش موازی نیز به طور مؤثری وجود خواهد داشت ، می توان به کامپیوترهایی با سرعت فوق العاده بالا و بازده عالی دست یافت ؛ اما در هر حال ، امروزه کامپیوترهای نوری تنها به صورت یک مفهوم قابل اجرا باقی مانده و راه نسبتاً دوری تا تحقق این ایده به صورت کاربردی وجود دارد.  

می توان حس گرهای نوری را نیز به عنوان ادوات فوتونیکی تلقی کرد؛ چرا که این افزاره ها داده ها را به صورت نوری آشکار سازی کرده و برای مقاصدی نظیر اندازه گیری دما ، فشار ، یا چگالی اجزای شیمیایی محیط های مورد مطالعه انتقال می دهند . چنین دستگاه هایی دارای کاربردهای فراوانی نظیر حسگرهای زیستی برای بدن انسان و حس گرهای کشش برای پل ها هستند . ماهیت کاربردهایی مانند جراحی های لیزری و ماشین کارهای لیزری نیز فوتونیکی است ؛ زیرا این کاربردها به جریانی از فوتون های پر شدت وابسته اند .

مخابرات فیبر نوری

علی رغم اینکه مخابرات فیبر نوری یک جنبۀ کوچک از مفاهیم وسیع دانش فوتونیک است ، اما به علت ماهیت بنیادی و اهمیت زیاد فن آوری آن در زندگی روزمره ، تأکید خاصی بر آن وجود دارد . نقطۀ آغاز مخابرات نوری را می توان اختراع تلفن توسط الکساندر گراهام بل دانست . در سال ۱۸۸۰ میلادی ، بل دستگاهی اختراع کرد که آن را فوتوفون نامیده بود ؛ این دستگاه انتقال داده ها در هوا را از طریق مدولاسیون آن ها روی باریکه ای از نور خورشید ممکن می کرد . در این دستگاه ، نور مدوله شده توسط پدیدۀ فوتوآکوستیک که در آن یک موج صوتی درون یک سلول گازی بسته تولید می شود ، آشکار سازی می شد . علیرغم اینکه این دستگاه اختراع هوشمندانه ای بود ، اما در زمان خود نسبت به تلفن کمتر مورد استفاده قرار گرفت و بیشتر از آن توسعه داده نشد .

در دهۀ ۱۹۶۰ میلادی مخابرات نوری مجدداً به طور جدی مورد توجه قرار گرفت . در این زمان دو تحول همزمان با هم صورت گرفتند : در ابتدای این دهه ، لیزر اختراع شده و یک منبع  نوری با قدرت و جهت مندی بالا – که دو پارامتر مهم برای ارسال سیگنال های نوری در فواصل زیاد می باشند –

فراهم شد ؛ اما در هر حال ، ارسال باریکه های لیزری در هوا ، به عنوان یک منبع مخابراتی در فواصل طولانی به وضوح دارای محدودیت هایی است . چیزی که به آن احساس نیاز می شود هدایت نور در مسیر های از پیش تعیین شدۀ چندین کیلومتری است . در سال ۱۹۶۶ میلادی ، کائو و هوکام طرحی را پیشنهاد دادند که در آن شیشه با درجۀ خلوص بالا می توانست به عنوان مسیری برای هدایت نور از طریق اصل بازتابش داخلی کلی در نظر گرفته شود . هر چند این مقالۀ نظری ، مخابرات فیبر نوری را متحمل می دانست ، اما تلفات نور در شیشه های مورد استفاده در آن زمان به اندازه ای بالا بود که طرح به مرحلۀ عملیاتی نرسید .

تقویت کننده های تار نوری ، مهمترین نقش را در گسترش نسل پنجم مخابرات نوری داشته است . با ساخت لیزر و دستیابی به اولین تارهای نوری کم تضعیف ، مخابرات نوری و استفاده از نور برای انتقال اطلاعات ، با سرعت چشمگیری گسترش یافت . تضعیف کم ، ظرفیت بالا ، قیمت ارزان و بسیاری دیگر از خصوصیت های ویژه این محیط انتقال ، باعث شد که تار نوری به آسانی با همتای الکتریکی خود ، رقابت کند و در بیشتر موارد عدم کارایی سامانه های الکتریکی را پدیدار نماید .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *