نقش علم نانو، فن آوری نانو و مقیاس های نانومتری در سیستم های ارتباطاتی
با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی ارشد من مهندسی سیستم ها و اتوماسیون کارخانه است، و حوزه تخصص من بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری، و اجرا و پیاده سازی تولید فرآورده های نوین[۱] می‌‌باشد.
در این سلسله از مقالات[۲] و فایل های صوتی[۳]، کوشش می کنم که علم نانو[۴] و فن آوری نانو[۵] را (به زبان فارسی) از پایه، بنحوی سیستماتیک[۶] به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم[۷].
در واقع این مقالات، فصل های کتاب جدیدی با همین نام (سفر به ریزها[۸]) هستند که سالهاست بر روی آن کار می کنم و در دست تهیه است، و تصمیم گرفته ام که پیشاپیش آن را، فصل به فصل، بطوری مجازی منتشر کنم.
از پژوهشگران و اندیشمندان عزیز خواهشمندم که لینک ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم و فن آوری نانو – به زبان فارسی – ندارند) ارسال فرمایند. با احترام، ر. رخشانی
نقش علم نانو، فن آوری نانو و مقیاس های نانومتری در سیستم های ارتباطاتی[۹]
در دو فصل گذشته کتاب “سفر به ریزها” در مورد اینکه چگونه صنعت الکترونیک[۱۰] به پیشبرد صنعت کامپیوتر یاری رسانده نوشته شد. همچنین اشاره داشتم که چنین پیشبردی[۱۱]، پردازش اطلاعات[۱۲] را در سرعت هایی بی اندازه بالا و هزینه هایی بسیار پایین میسر کرده است[۱۳].
آیا به یاد دارید که گویا همین دیروز بود که صنعت کامپیوتر و خود کامپیوترها از صنعت ارتباطات و امکانات ارتباطاتی مجزا و تفکیک شده بودند؟ هر یک از ما سراغ کامپیوتری می رفتیم و کارهای حرفه ای یا خصوصی خود را انجام می دادیم و انتظار آن را هم نداشتیم که کامپیوتر ما به هر کامپیوتر دیگری در جهان در ارتباط باشد .[۱۴]حتی گویا چند روز پیش بود که خود من دستگاه کوچک دیجیتال همراهی داشتم، که برای یادداشت مسائل به کار می‌گرفتم و انتظاری نبود که آن دستگاه همراه من به دستگاه ها یا تلفن های همراه دیگری و یا به اینترنت مرتبط و متصل باشد.
پرسش این است که در دو یا سه دهه گذشته، چه اتفاقاتی افتاد تا امکان دسترسی به اطلاعات در همه جا میسر گردید؟[۱۵] خوب مسلّماً اینترنت بخش ارتباطاتی مسئله بود که توانایی ما را برای ارسال و دریافت اتکاپذیر[۱۶] اطلاعات، با سرعتی بی نظیر و هزینه ای بسیار پایین، فراهم کرد [۱۷].
منظور از هزینه های پایین چیست؟ خوب اگر در سال ۱۹۷۱ میلادی می خواستیم حدود یک ترابایت[۱۸] اطلاعات را (یک ترابایت معادل اطلاعات هزار فیلم سینمایی است) از کالیفرنیا به نیویورک بفرستیم، چیزی حدود ۱۵۰ هزار دلار هزینه داشت . امروز خرجی معادل ۱۲ سنت دارد . در دهه ۳۰ یا ۴۰ میلادی اگر می خواستیم، برای نمونه، از لندن به لس آنجلس برای ۵ دقیقه تلفن بزنیم، خرجی معادل ۲۲۰ پوند یا ۳۵۰ دلار آن زمان بود، اما اکنون معادل ۲۰ سنت یا حدود ۱۵ پنس بیشتر نیست .
مسئله کلیدی چنین پیشرفتی، که در این فصل “سفر به ریزها” بدان خواهم پرداخت، که تا این اندازه هزینه های بی نهایت پایین ارسال اطلاعات را میسر کرده، در توانایی ابزاری سخت افزاری بشر برای ارتباطات فیبر نوری[۱۹] می باشد، که با ارتباطات[۲۰] بی سیم[۲۱] در یکدیگر ادغام شده اند.
اینترنت نوری[۲۲]
در دو فصل گذشته در مورد بنیان ارتباطات بی سیم[۲۳] (برای نمونه تلفن هوشمند[۲۴]) نوشته شد و اشاره داشتم که اساس آنها در توانایی و خلاقیت دانشمندان[۲۵] علم نانو، برای طراحی و تولید مدارهای یکپارچه الکترونیکی هرچه ریزتر و کوچک تر، بوده است. این یعنی، توانایی طراحی، مهندسی و تولید مدارهایی سیلیکنی، که با هزینه هایی بسیار پایین به نحوی مستمر کوچک تر و هرچه ریزتر ساخته شدند، و قادر به سرعت هایی بالاتر و بالاتر در پردازش[۲۶] بوده و می توانستند مقرون به صرفه تر و اتکاپذیرتر از نیروی برق استفاده کنند. در واقع چنین توفیقی در صنعت الکترونیک و گذار به میکرو الکترونیک، و سپس به نانو الکترونیک بود، که امکان ارتباطات بی سیم[۲۷] را فراهم کرد. چنین پیشرفتی مدیون خلاقیت هرچه ظریف تر و پیچیده تر انسان در ابزار سازی سخت افزاری بوده است.
نکته ای که می بایست همواره به خاطر داشته باشیم این است که، در پشت همه ابزارهای موبایل و بی سیمی که ما به همراه داریم، ستون فقراتی[۲۸] است که همه اطلاعات را حمل می کند[۲۹]. چنین ستون فقراتی را می توانیم اینترنت نوری[۳۰] بنامیم. چنین مقوله ای، استناد به ظرفیت ما برای ارسال مقادیر بی نهایتی از اطلاعات از ستون فقراتی (از لوله هایی ارتباطاتی-اطلاعاتی[۳۱]) دارد که حامل نور هستند. کمی در مورد این ستون فقرات یا این لوله های ارتباطاتی-اطلاعاتی (یا اینترنت نوری[۳۲]) نیاز به توضیح دارم.
تصویر پایین فیبرهای نوری بسیاری را نشان می دهد.
آنها قطعاتی از شیشه هستند که هر یک به نحوی مستقل، جریانی از نور را تراگسیل می‌کند که البته نوری مدولاسیون[۳۳] شده می باشد[۳۴]. چنین نوری توسط ما خاموش و روشن می شود، و از طریق چنین روشنی و خاموشی، و همچنین از طریق اندازه گیری همزمان[۳۵] آن در پایانه فیبرهای شیشه ای (توسط نوعی دریافتگر ردیاب[۳۶]،) ما قادریم که اطلاعات را منتقل کنیم. حالا، کلید توانایی ما در ارسال بی اندازه اطلاعات در هر ثانیه، در امکانات فنی ما برای همان مدولاسیون نور در هر ثانیه[۳۷] است. شاید هریک از ما هزاران بار تصویر فیبرشیشه ای را دیده باشیم، اما در مورد چگونگی کارکرد چنین ابزاری کمتر توضیح داده شده است[۳۸]. تصویر پایین فیبری نوری[۳۹] را نشان می دهد.
خواص ویژه[۴۰] فیبرهای نوری که تا این اندازه اهمیت دارند، چیستند؟ ارتباط چنین خواصی با خود ماده، و با اتم ها و با مولکول های بنیادین[۴۱] آنها در کجاست؟
شاید نخست بهتر است تا به ساختار همان ستون فقرات ارتباطاتی-اطلاعاتی بپردازیم. برای اینکه بدانیم که چنین لوله های ارتباطاتی-اطلاعاتی چگونه اند، تصویری از سطح مقطع آن را در پایین مشاهده می فرمایید.
اشعه ای نوری از درون چنین فیبری شیشه ای با برخورد به دیواره های آن حرکت می کند. این برخورد و انعکاس و بازگشت[۴۲]، از دیواره فیبر شیشه ای به دیواره ای دیگر، بسیار مهم است[۴۳]، زیرا که نور همیشه احتمال پخش شدگی[۴۴] و یا انکسار[۴۵] می تواند داشته باشد. برای نمونه (به همین دلیل انکسار و پخش شدگی[۴۶]) تمرکز دادن به نوری معمولی بسیار مشکل است، و هرچه از منبع نور دورتر باشیم، پخش شدگی آن بیشتر می شود. نتیجتاً اگر برای نمونه (از طریق همین لوله های ارتباطاتی-اطلاعاتی) بخواهیم از لس آنجلس به دهلی نو ارتباطی اطلاعاتی داشته باشیم، می بایست چنین نوری را کنترل کنیم، و خوب همین نکته یکی از خواص فیبرهای نوری است[۴۷]. در واقع، دقیقاً به دلیل چنین پوششی شیشه ای و استوانه ای شیشه ای در مرکز آن، این ابزار، فیبر نوری خوانده می شود.
در فیزیک نوری، اغلب آنها را “فیبرهای تک شیوه ای”[۴۸] می نامند زیرا که تنها یک شیوه (زاویه و یا سرعت) برای انعکاس نور در آنها طراحی و عملی شده است[۴۹]. دانشمندان فیزیک نوری مرکز فیبرها را به نحوی استوانه ای[۵۰] طراحی کرده و پوششی[۵۱] استوانه ای نیز به دور آنها آنچنان طراحی و مهندسی می کنند که نور تنها می تواند به یک شیوه، و با زاویه ای مشخص (و نتیجتا با سرعتی یکسان) منعکس شده، و فواصلی بسیار طولانی را با همان سرعت بالا طی کند[۵۲]. پرسش این است که دانشمندان علمی چنین کیفیتی را چگونه مهندسی می کنند؟ خوب، بسادگی چنین مهندسی از طریق آفرینش محیطی نوری[۵۳] می باشد که در آن نور، دو گزینه[۵۴] بیشتر ندارد، یا امکان تراگسیل[۵۵] و انتقال[۵۶]، و یا هرز رفتگی،[۵۷] یعنی فرار نور از محیطی نوری.[۵۸]
بنابراین وظیفه و مسئولیت دانشمندان علمی، آفرینش منبعی نوری و همچنین تابش اشعه ای نوری از درون یکی از این فیبرهای نوری بدون هرزرفتگی می باشد[۵۹]، تا نور با سرعتی یگانه[۶۰] و بدون هرگونه مانعی[۶۱] مسافت هایی طولانی را بپیماید[۶۲]. توجه داشته باشیم که اگر چنین اشعه نوری با زوایای گوناگون منعکس شود، پس از مدتی دچار پخش شدگی خواهد شد، پدیده‌ای که در انگلیسی پراکندگی[۶۳] و تجزیه هفت رنگی[۶۴] نوری هم نامیده می‌شود.[۶۵] در عین حال، اگر هم تلاش ما انتقال هرچه بیشتر اطلاعات از درون چنین ستون فقراتی باشد، می بایست قادر باشیم تا منبع نوری خود را، با مدولاسیونی[۶۶] هرچه سریع تر، طراحی و مهندسی کنیم و همچنین از پخش شدگی جلوگیری نماییم، زیرا که پخش شدگی[۶۷] به تدریج به هرزرفتگی انجامیده، و به از دست رفتن سیگنال هایی که برای ارسال اطلاعات به آنها نیازمندیم، می انجامد[۶۸]. با از دست دادن حتی بخشی از سیگنال های الکترونیکی، بازیابی اطلاعات امکانپذیر نخواهد بود.[۶۹] بنابراین طراحی چنین کابل های فیبر نوری[۷۰]، که کیفیات مورد نیاز ما را برآورده سازند، مبنای آغازین و اصولی[۷۱] ارتباطات فیبر نوری[۷۲] موفقیت آمیز ما بوده است.
جذب شدگی نور[۷۳]
جنبه واقعی و پر اهمیت دیگری هم پیرامون طراحی و مهندسی و ساخت فیبرهایی نوری، بدون همان هرزرفتگی و اتلاف، مطرح بوده است. برای اینکه سیگنال های انتقالی[۷۴] ما قادر باشند تا، با اطمینانی هرچه بیشتر و اتکاپذیرتر[۷۵]، بدون هرگونه از دست رفتگی اطلاعات[۷۶]، مسافت هایی طولانی را بپیمایند، شیشه های مورد استفاده در فیبر نوری می بایست بی نهایت شفاف باشند[۷۷]. نور با مکانیسم هایی متفاوت در هر بستری امکان جذب شدگی دارد، و نخستین طبقه بندی آن جذب شدگی را جذب لایه به لایه[۷۸] می نامند[۷۹]. این گونه از جذب نور، به مفهوم این است که وضعیت الکترونیکی مورد نظر ما برای ارسال اطلاعات، برای نمونه در درون یک نیمه رسانا، برای نور یعنی برای فوتونی با انرژی ای مشخص، قابل دسترسی نیست. این یعنی اینکه اگر فوتونی داخل نیمه رسانا شده، و بر ماده ای آنچنان بتابد که آن را برانگیزاند[۸۰]، و الکترونی از آن ماده را به سطح بالاتری از انرژی (یا به مداری با سطح انرژی بیشتر) رهنمون سازد[۸۱]، ما با پدیده جذب نور روبرو شده ایم. مسلماً ما وقوع چنین پدیده ای را، هنگامی که قصد فرستادن اطلاعاتی[۸۲] را برای هزاران کیلومتر داریم، نمی‌خواهیم[۸۳]. نتیجتاً ما فیبرهای نوری را چنان طراحی و مهندسی می کنیم که هیچگونه گذاری نوری یا الکترونیکی، در سطوحی از انرژی که برای ارسال اطلاعات مورد استفاده هستند، نداشته باشیم.
البته نوع دیگری از دست رفتن یا هرز رفتگی نور هم هست، که جذبی نوری نیست، بلکه پخش و پلاشدگی[۸۴] و پراکندگی نور می باشد.[۸۵] این همان پدیده ای است که در ابرها و یا در مه هم اتفاق می افتد، که در آن نور انرژی خود را، به ذرات آبی که ابرها و مه ها را می سازند، منتقل نمی کند، بلکه این حباب ها یا قطراتی از آب که در هوا معلق اند هستند که احتمال پراکندگی نور در مه یا ابرها را باعث می شوند.[۸۶] چنین پراکندگی ای نوری موجب آن می شود که نور بسادگی دیده نشود. نتیجتاً به همین دلیل پراکندگی نور است که برای ما امکان دیدن، در میان مه یا در ابر، کمتر است. وقوع چنین پدیده ای در فیبرهای نوری هم، امکان دیدن نور را کاهش می دهد[۸۷].
تصویر پایین پخش و پلاشدگی نور[۸۸] در ابر یا مه را نشان می دهد.
بنابراین در فیبرهای نوری یکنواختی و صافی و شفافیت[۸۹] شیشه پر اهمیت است، یعنی ساخت صاف و شفاف شیشه از پخش و پلاشدن و پراکندگی نور[۹۰] جلوگیری می کند[۹۱]. نتیجتا فن آوران نانو و دانشمندان علم نانو بنحوی مستمر پیرامون بهینه سازی ساخت شیشه ی[۹۲] مورد استفاده در فیبر نوری، مشغول پژوهش بوده اند تا آن را هرچه بیشتر صاف و شفاف[۹۳] بسازند، و تا استوانه مرکزی را بیشتر و بیشتر کامل و خالص[۹۴] و از یک جنس و نوع شیشه طراحی و مهندسی و تولید کنند[۹۵]. دانشمندان همچنین پوشش شیشه ای بیرونی فیبرهای نوری را از شیشه هایی خالص و همجنس[۹۶] می سازند[۹۷]. در واقع یکی از کلیدهای موفقیت در طراحی و مهندسی و تولید فیبرهای نوری، و همچنین پیشرفت در توسعه حوزه ارتباطات، در همین توانایی ابزاری سخت افزاری ما برای ساختن چنین شیشه ای با کیفیتی[۹۸] بسیار عالی بوده است[۹۹].
خواص نور در اینترنت نوری[۱۰۰]
نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کنم این است که طیف مشخصی از طول موج نور[۱۰۱] هست که بهترین کارکرد را در سیستم های نوری، با کمترین میزان انکسار و هرز رفتگی و پراکندگی نور[۱۰۲]، دارد[۱۰۳]. این طیف مشخص طول موج[۱۰۴]، محصول نوعی سازش فنی و مصالحه ابزاری ماست.[۱۰۵] از سویی اگر طول موجی خیلی کوتاه، و نتیجتا فوتونی پر انرژی، مورد استفاده باشد، با نوعی فرآیند پراکندگی و جذب نور روبرو می شویم. از دیگر سو، اگر طول موجی بلند را به کار بگیریم، که انرژی پایین تری دارند، با نوع دیگری از فرآیند جذب، که شبیه به فرآیندهای گرمایی[۱۰۶] هستند، روبرو می شویم[۱۰۷]. نتیجتا دانشمندان علم نانو به استفاده از طول موج نوری مصالحه شده[۱۰۸] و مورد توافق[۱۰۹]، و مسلماً سطح انرژی ای سازش شده[۱۱۰]، بین آن دو طول موج که در بالا اشاره کردم، رسیده اند[۱۱۱].
در چنین طول موج نوری مورد مصالحه، نور می تواند برای کیلومترها بدون هرگونه هرز رفتگی یا پخش شدگی سفر کند[۱۱۲] که باور نکردنی است[۱۱۳]. برای نمونه تمثیلی، تصور کنید که شما به پنجره شیشه منزل خود نگاه می کنید. چنین شیشه ای می تواند نیم سانتی متر تا یک سانتی متر ضخامت داشته باشد و ما می توانیم به راحتی از درون آن به دیگر سوی شیشه بنگریم.[۱۱۴] حالا تصور کنید که ما ضخامت شیشه خود را به یک یا دو کیلومتر افزایش دهیم و کماکان قادر باشیم دیگر سوی آن شیشه را همانگونه کاملاً شفاف ببینیم .[۱۱۵]فن آوری فیبرهای نوری این چنین دستاوردی را برای ما فراهم کرده است[۱۱۶].
چنین شفافیتی باورنکردنی، بنیان توانایی امروزی و مدرن ما برای انتقال اطلاعات در آنچنان مسافت های بی اندازه طولانی می باشد .[۱۱۷]
حالا می پرسیم، بسیار خوب، ما اکنون شیشه خود را ساخته ایم، همچنین بستر انتقال را هم فراهم کرده ایم و علاوه بر آن بنیان ارسال اطلاعات در آنچنان مسافت های باورنکردنی را هم داریم، حالا منبع نور ما چه باید باشد[۱۱۸]؟ پاسخ اینکه، چنین منبعی می باید خواصی بسیار ویژه داشته باشد.[۱۱۹] نخست اینکه این منبع می باید امکان ارتباط با فیبر نوری را داشته باشد[۱۲۰].
حالا، برای اینکه فیبرهای نوری آن خاصیت “تک شیوه[۱۲۱]” خود را داشته باشند، یعنی تنها یک شیوه (یا زاویه) انعکاس و نتیجتا تنها تک سرعتی یکسان[۱۲۲] برای انتقال داشته باشند، می بایست کوچک باشند[۱۲۳]. اغلب آنها قطری حدود ۱۰ میکرومتر دارند. یعنی آنها در ابعاد نانومتری ساخته نشده اند، بلکه در میزان های طولی نور قابل رویت هستند[۱۲۴].
بهمین دلیل هم، اشعه های نور مورد استفاده می بایست مقیاسی مشابه داشته باشند، یعنی اینکه منبع نور و اشعه نور مورد استفاده برای فیبر نوری هم، می بایست کوچک باشند. مثلاً فرض کنید که بخواهیم، بعنوان منبع نور، از لامپی که نور را پخش می کند استفاده کنیم. مسلماً تمرکز دادن به چنین نوری برای استفاده در فیبری نوری، بسیار مشکل خواهد بود. حتی استفاده از نور لامپ های ال ای دی[۱۲۵] هم، در منفذ کوچک فیبری نوری، بسیار چالش برانگیز خواهد بود[۱۲۶].
اما برعکس، استفاده از اشعه لیزر دقیقاً همان خواص نوری مورد نیاز را برآورده می کند. لیزرها اشعه نوری را که “تک سویه[۱۲۷]” است فراهم می کنند که به سادگی می توانند با “خاصیت تک شیوه”[۱۲۸] فیبرهای نوری جفت شوند. حتی اشعه نور لیزر می تواند آنچنان برای برون فرستی طراحی شود که همه زوایای قابل قبول انعکاسی فیبر نوری را پوشش دهد[۱۲۹]. بهمین دلیل است که اشعه لیزر را در فیزیک، نوری خالص[۱۳۰] می نامیم، زیرا که زاویه برون فرستی[۱۳۱] لیزر، قابل طراحی و تک سویه است[۱۳۲]. بدین مفهوم است که در علم فیزیک نوری، اشعه لیزر را در طیف الکترومغناطیسی، نوری خالص می نامیم، زیرا که تک طول موج آن برای برون فرستی، ویژه و تک سویه[۱۳۳] است، یعنی تناوب نوسانی یگانه ای در فضازمان[۱۳۴] دارد. برای نمونه تمثیلی، می توان اشعه لیزر را به نوعی نت اپرایی ویژه، بدون ویبراتو[۱۳۵] تشبیه کرد، یعنی نتی خالص و تمیز در موسیقی.[۱۳۶]
در عین حال، در تصویر کوانتومی مان از نور، یعنی در نمودار فوتونی خودمان، در واقع ما می دانیم که هریک از رنگ های متفاوت نوری در طیف الکترومغناطیسی میزان انرژی تعریف شده خود را دارد .[۱۳۷]در فیبرهای نوری هم، آن میزان کم از دست رفتگی، یا هرزش نوری[۱۳۸]، اغلب به دلیل استفاده از رنگ اشعه نوری است که امکان جذب شدگی بیشتری دارد. استفاده از اشعه لیزر، با تک طول موج ویژه آن در طیف نوری، و همچنین به دلیل این که با زاویه مشخصی طراحی می شود، بهترین گزینه برای گذار از منفذ فیبرهای نوری است.
دستگاه های لیزری نیمه رسانا
خوب، حالا نورمان را انتخاب کرده ایم. پرسش این است که لیزر خود را چگونه بسازیم؟ هر یک از ما، برای نمونه، در دهه های گذشته تصویری از دستگاه های لیزری دیده ایم.[۱۳۹] نخستین لیزرها، از گازهایی استفاده می کردند تا انرژی حوزه برق را به انرژی حوزه نوری منتقل کنند. برخی از ما هم حتی سلاح های لیزری را در فیلم ها دیده ایم که مثلاً می توانند موشک ها را هدف قرار داده و نابود کنند. اما برای تولید اشعه ای که قرار است از منفذی که حدوداً ده میکرومتر است فرستاده شود، به چه ابزاری نیاز داریم؟
جالب اینجاست که دانشمندان علمی و فن آوران نانو، با استفاده از نیمه رساناها، شامل نیمه رساناهایی که تاثیراتی کوانتومی داشته و قطعاتی در ابعاد نانو دارند[۱۴۰]، توانسته اند دستگاه های لیزری نیمه رسانایی بسیار کوچک را طراحی، مهندسی و تولید[۱۴۱] کنند. این ابزارها بسیار شبیه به چیپ های کامپیوتری هستند، یعنی شبیه به مدارهای یکپارچه ی الکترونیکی، که خود نیمه رسانا را، برای تبدیل انرژی الکترونیکی و انتقال به انرژی نوری مورد استفاده قرار می دهند.
این لیزرها در اساس متکی بر دو پدیده همزمان[۱۴۲] با هم هستند[۱۴۳].
پدیده نخست، تقویت دامنه برقی[۱۴۴] است. همه ما با این پدیده تقویت دامنه برقی آشنا هستیم، زیرا که در بلندگوهای دستگاه های استریو[۱۴۵] با آمپلی فایر[۱۴۶] و کارکرد آن آشنا شده ایم، که علائمی بسیار ضعیف را، با مدولاسیونی کوچک در حوزه برق[۱۴۷]، به سیگنالی قوی تر در حوزه الکترونیک تبدیل کرده، و سپس آن را به سیگنال قوی تری آکوستیک[۱۴۸] منتقل می کند[۱۴۹]. بدین مفهوم تقویت دامنه برقی، تقویت شدت سیگنال ها، و قدرت بخشی یا توان بخشی به آنها بدون از دست دادن علامت یا سیگنال اولیه است.
در دستگاه های لیزری هم تقویت دامنه مشخصاً به تقویت نور[۱۵۰] ، یعنی به دریافت سیگنال نوری ای بسیار ضعیف و تقویت بسیار زیاد آن سیگنال نوری اشاره دارد (که البته ما در همه جای گیتی[۱۵۱] سیگنالهای ضعیف نوری داریم ). کارکرد دستگاه لیزر، گیر انداختن این نورهای ضعیف و هرزه در گیتی، و تقویت سیگنال آنهاست[۱۵۲]. چنین پدیده ای در دستگاه های لیزری افزایش نوری[۱۵۳] خوانده می شود. این پدیده همزمان نخست در دستگاه لیزر می باشد.
دومین پدیده همزمان در دستگاه های لیزری رزونانس[۱۵۴] نامیده می‌شود، که در فارسی بازآواگری یا بازتاب گرایی هم ترجمه شده است. می توانیم چنین پدیده ای را پس داد[۱۵۵] هم بنامیم. کمی نیاز به توضیح دارم .بسادگی پیش و پشت ابزارهای لیزری متشکل از آینه است، که البته آینه هایی بی نقص و کامل[۱۵۶] نیستند. اگر آنها آینه هایی کامل بودند، آنگاه نور تولید شده بین آینه ها تا ابد پس و پیش می شد، و بازتابی یا انعکاسی مدام می داشت[۱۵۷]. اما اگر یکی از آن ها (اغلب آینه جلویی) کمی ناکامل باشد، با اینکه بیشتر نور در آنها گیر می کند، اما گهگاهی آن نور از آینه ناکامل جلویی می گریزد .[۱۵۸]این بدان معنی است که نور یا فوتونی، از آینه جلویی کمی ناکامل (به دلیل شکافی مویین در آن آینه،) در فرآیندی خودانگیخته[۱۵۹] می گریزد .
تقویت دامنه ی فوتون[۱۶۰] در درون لیزر موجب شدت پذیری نور[۱۶۱] می شود، در واقع موجب تبدیل آن به فوتون هایی بیشمار شده، که در پس و پیش شدن و بازتاب بین دو آینه، به آنچنان درجه و شدتی می رسند که اوج گرفته و تبدیل به اشعه نوری لیزری شده که از شکاف آینه جلویی می گریزد [۱۶۲].در این وضعیت، که وضعیت کارآ[۱۶۳] نامیده شده، میزان انرژی تولید شده در درون دستگاه لیزر و بین دو آینه (به دلیل شدت فوتون ها،) به آنچنان میزانی رسیده است که انرژی ای بیشتر از آن عملی نیست .
این لیزرهای نیمه رسانا، درازایی کمی کمتر از یک میلیمتر دارند و پهنای آنها از چند میکرون بیشتر نیست، و نتیجتا شدت نور آنها باور نکردنی است و نزدیک به شدت نور خورشید می رسد .[۱۶۴]دانشمندان علم نانو توانسته اند با ترکیبی از دو پدیده همزمان، یعنی یک، تقویت دامنه نوری[۱۶۵]، و دو، پدیده رزونانس یا همان بازآواگری یا بازتاب گرایی[۱۶۶]، در ابزاری آنچنان کوچک، نیرویی باور نکردنی را طراحی، مهندسی و تولید کنند که، البته همان گونه که در فصل ۴ کتاب “سفر به ریزها” اشاره داشتم، نمونه دیگری از خلاقیت بشر در ابزار سازی سخت افزاری بوده است .
در درون چنین دستگاه های لیزری نیمه رسانا[۱۶۷]، قطعاتی بسیار خاص و اساسی وجود دارند که در ابعاد نانو طراحی و مهندسی شده اند . در قلب لیزرهای نیمه رسانا قطعاتی، که چاه های کوانتومی[۱۶۸] خوانده می شوند، قرار دارند که صنعتگران نانو طراحی و مهندسی کرده اند .[۱۶۹]در درون این لیزرها، انرژی در دسترس[۱۷۰]، انرژی فوتون هایی هستند که بستگی به ساختار نیمه رساناها به حداکثر میزان انرژی خود می رسند و البته به دلایل ساختاری محدودیت هایی هم دارند .[۱۷۱] این بدین مفهوم است که متکی بر ترکیب نیمه رسانا[۱۷۲] و انرژی در دسترس آنچنانی، تنها چند رنگ مشخص نور، قابل دسترس هستند.
همانگونه که پیشتر در مورد فیبرهای نوری هم اشاره کردم، تنها طول موجی ویژه قادر است که شیشه ما را در فیبرها برای مسافتی بیش از یک کیلومتر هم هرچه شفاف تر نشان دهد.
از دیدگاه طراحی و مهندسی، بسیار مشکل و چالش برانگیز است که نیمه رسانایی که دقیقاً با چنان طول موجی جفت شود، بوجود آورد. در چاه های کوانتومی، ما از این واقعیت که موج های الکترونی[۱۷۳] گستره ای فیزیکی[۱۷۴] دارند، بهره می گیریم[۱۷۵]. برای نمونه تشبیهی، اگرتوده ابری را به دو بعد، یعنی به صفحه ای فشرده کنیم، انرژی الکترون های آن افزایش می‌یابد، و می توانیم انرژی رزونانسی ای که موجی الکترونی تجربه می کند را، تنظیم کنیم. با تنظیم دقیق انرژی رزونانسی، می‌توانیم آن را افزایش داده و برون فرستی ای تهییج شده[۱۷۶] را بوجود آوریم[۱۷۷]. بدینوسیله می توانیم فرآیند افزون سازی و تشدید نور[۱۷۸] درون لیزر را دقیقاً در طول موج دلخواه خودمان بدست آوریم[۱۷۹].
با چنین روش مهندسی کوانتومی، رنگ های نوری تولید شده در درون لیزر را، می توانیم بسیار دقیق تر برای انرژی بسیار پایینی موثر و همچنین هزینه های ارتباطاتی پایین تر، همسان کنیم.
البته چنین لیزرهای نیمه رسانا برساخته سیلیکن نیستند[۱۸۰]. آنها اغلب برساخته از موادی از قبیل آرسنید گالیوم یا آرسنید ایندیوم[۱۸۱] هستند. برخلاف اکثر نیمه رساناها که از مواد خالص ستون چهارم جدول تناوبی عناصر مندلیف[۱۸۲] مانند سیلیکن یا جرمانیوم[۱۸۳] ساخته شده اند و تک ماده ای هستند، مواد مورد استفاده در آن لیزرهای نیمه رسانا موادی ترکیبی اند و به همین دلیل هم آنها را نیمه رساناهای ترکیبی[۱۸۴] می خوانند.
در نیمه رساناهای ترکیبی از قبیل آرسنید گالیوم[۱۸۵]، مهندسان به نحوی آمیزه شناختی و برابر[۱۸۶]، عنصری از ستون سوم جدول مندلیف یعنی گالیوم را، با عنصر دیگری از ستون ۵ جدول تناوبی عناصر یعنی آرسنیک، ترکیب می کنند[۱۸۷]. عناصر گروه سه و عناصر ستون ۵ در ترکیب با یکدیگر، مدارهای بیرونی الکترونی[۱۸۸] یکدیگر را پر کرده و به توازن می رسند[۱۸۹] ( ۳ +۵، ) همانگونه که دو عنصر سیلیکن ( ۴ +۴ ) توازن بوجود می آورند. نوع پیوند آنها هم کوالانسی[۱۹۰] و بسیار محکم است. در واقع با معرفی جفتی از عناصری متفاوت از این دو ستون ( ستون سه و ستون ۵) ما گزینه های متفاوت و گوناگونی را برای طراحی نیمه رساناها در اختیار می گیریم. چنین گزینه هایی، امکان طراحی موادی را در اختیار مهندسان می گذارد تا طول موجی دقیق[۱۹۱] را برای برون فرستی نور[۱۹۲] انتخاب کنند. چنین نوآوری ها در الکترونیک نوری[۱۹۳]، فرصت هایی بسیار جالب و جذاب را در حوزه فتونیک[۱۹۴] (مهندسی با استفاده از نور) فراهم آورده اند. پژوهشگران نانو پیشرفت های قابل ملاحظه ای را (در ۳ یا ۴ سال گذشته) در زمینه بکارگیری سیلیکن به مثابه ماده ای نوری[۱۹۵] تجربه کرده اند. چنین نیمه رساناهای ترکیبی در سال های اخیر، بنیان طراحی و تولید لیزرها و فیبرهای نوری بوده، و همچنین برای ساختن قطعاتی ویژه در حوزه الکترونیک و فتونیک مورد استفاده هستند[۱۹۶].
البته مشکل و چالش اصلی پیرامون نیمه رساناهای ترکیبی، این است که هزینه تولید آن ها بسیار بسیار بالاتر از سیلیکن می باشد. بخشی از هزینه بالاتر آنها، به دلیل کمتر در دسترس بودن، یا کمیاب[۱۹۷] بودن و کمبود چنین موادی است. نکته دوم دیگری که هزینه بیشتری می برد، کمبود کارگاه های ریخته گری تخصصی[۱۹۸] در مقایسه با کارگاه های بیشمار ریخته گری سیلیکن می باشد. نکته و چالش سوم، در انبوه پژوهشگران و بنگاه های تولید سیلیکن است (که به دلایل کسب و کاری و منفعتی[۱۹۹]) در مقابل استفاده از چنین موادی ترکیبی و کاربرد آنها مقاومت می کنند، زیرا که تغییر زیرساخت[۲۰۰] هزینه هایی هنگفت دارد. اما روند پیشرفت در حوزه نیمه رساناهای ترکیبی غیر قابل بازگشت و اجتناب ناپذیر بنظر می رسد[۲۰۱].
سیلیکن بمثابه ماده ای نوری
در فصل چهارم کتاب “سفر به ریزها” اشاره داشتم که با کوچک تر و ریزتر کردن مدارهای یکپارچه الکترونیکی[۲۰۲]، با چگالش انرژی[۲۰۳] در بخش هایی از چیپ ها روبرو می شویم. شگفت انگیز اینکه، در برخی از چیپ های کامپیوتری ما با چنان چگالش بالایی روبرو هستیم، که اگر دو یا سه برابر شوند تقریباً به چگالش انرژی مشابهی با آنچه در درون رآکتوری هسته ای[۲۰۴] تجربه می‌شود، می رسیم.
البته طراحی چنین مدارهایی یکپارچه، چنان است که این چگالش از انرژی را هرچه سریع تر منتقل کرده تا موجب گرمایش و ذوب آنها، و نتیجتاً صدمه زنی به کارکرد چیپ ها نشود[۲۰۵].
تا آنجا که به مصرف انرژی در مدارهای یکپارچه الکترونیکی مرتبط است، عامل بسیار مهم و پر مصرف استفاده بالا از انرژی در عملیات محاسبه گری کامپیوترها[۲۰۶] نیست، بلکه در کارکردهای ارتباطاتی[۲۰۷] می باشد. بهمین دلیل هم، مهندسان بدنبال درهم کردن الکترونیک سیلیکنی با فیزیک نوری[۲۰۸] بوده اند، تا میزان انرژی مصرفی در ارتباطات را بدینوسیله کاهش دهند. در این حوزه پیشرفت های بسیار هیجان انگیزی به وقوع پیوسته است. یکی از پیشرفت ها در شیوه های نوین هدایت نور بدور چیپ های سیلیکنی[۲۰۹] می باشد.
برای هدایت نور بدور چیپ ها[۲۱۰]، پژوهشگران اخیرتر شیوه استفاده از فرآیندهای موجود در صنعت الکترونیک را ، از قبیل فتولیتوگرافی[۲۱۱] و نقش اندازی[۲۱۲] که برای طراحی مدارهای الکترونیک به کار گرفته می شود، کشف کرده اند. در حقیقت، دانشمندان آموختند که چگونه سیلیکن را به ماده راهنمای خوبی برای موج نوری [۲۱۳]تبدیل کنند، و در این فرآیند کشف کردند که در واقع این ماده، راهنمای نوری بی نهایت خوبی است که، همانند سیمی، به نور سویه داده و آن را راهنمایی می کند[۲۱۴]. در این زمینه مشخص، سیلیکن خاصیتی مشابه با الماس[۲۱۵] دارد.
زیبایی ظاهری الماس و اینکه هنگامی که نوری بر آن تابیده می شود، توانایی انعکاس نور را به مسیرهایی بسیار داشته و شفافیت خود را کماکان نگاه می دارد، بدلیل ساخت اتمی بسیار منظم[۲۱۶] آن، و همچنین آنچه ضریب انکسار[۲۱۷] (یا ضریب بازشکنی نور) خوانده می شود، می باشد. الماس چگالش نوری[۲۱۸] بسیار بالایی دارد. سیلیکن هم خاصیتی مشابه[۲۱۹] دارد و اگر بتوان نوری را به درون آن تاباند (که چالشی بسیار مشکل است) آن نور به سادگی نمی گریزد (مانند الماس که نور را گیر می اندازد، و در ساختار خود پس و پیش می‌کند و به همین دلیل هم، بسیار درخشنده است[۲۲۰].)
در مورد سیلیکن، این خاصیت بدین مفهوم است که دانشمندان علمی و فن آوران نانو می توانند راهنماهایی موجی[۲۲۱] طراحی کنند که در درون مدارهای یکپارچه الکترونیکی در گردش باشند، و در مدارها بچرخند، و قادر باشند پیچ های تند بسیار[۲۲۲] بزنند و بسیار هم کارآ[۲۲۳] باشند. نتیجتا فن آوران نانو ثابت کرده اند که سیلیکن می تواند برای تراگسیل بی نهایت خوب نور[۲۲۴]، در مدارهای یکپارچه الکترونیک، به خدمت گرفته شود، و این شیوه بسیار امیدوار کننده است[۲۲۵].
اگرچه مشکل عمده آنجاست که، به دلیل ضریب انکسار بسیار بالای سیلیکن[۲۲۶]، فرستادن نور به درون آن راهنماهای موجی[۲۲۷] بسیار مشکل بوده است. البته اخیراً پیشرفت هایی بی نظیر، در طراحی کوپلاژهای بی در رو[۲۲۸] (یا کوپل ها یا پیوست های حرارت پرهیز) در مناطقی از مدارهای یکپارچه الکترونیکی، انجام پذیرفته است[۲۲۹]. این طرح های شگفت انگیز، نور بیرون را به راهنماهایی موجی پیوند زده، و (همچون قیفی نوری[۲۳۰]) اندازه طول موج بیرونی را به راهنماهای موج سیلیکنی[۲۳۱] پیوند کرده تا، با طول موجی تنظیم شده، در مدارهای یکپارچه تراگسیل شود.
حوزه علمی هیجان انگیز دیگری که در فصل دوم کتاب “سفر به ریزها” بدان اشاره داشتم، و پیشرفت های فنی قابل توجهی داشته است، پلاسمونیک خوانده می شود[۲۳۲]. اگر به یاد داشته باشید، پیش تر در مورد طراحی شیشه رنگی های کلیساهای کهن، و حوزه پلاسمونیک[۲۳۳] نوشته بودم که آن هم نوعی تراگسیل نور شمرده می شود[۲۳۴]. امروزه فن آوران نانو، همان پدیده را به عنوان وسیله ای برای انتقال سیستماتیک نور در مدارهای یکپارچه الکترونیک سیلیکنی[۲۳۵] طراحی می کنند. در این حوزه علمی، دانشمندان ذرات نانویی فلزی[۲۳۶] را، آنچنان با فواصل معینی از یکدیگر طراحی می کنند، که موج های الکترومغناطیسی می توانند از ذره ای به ذره ای دیگر، و به ذره های سپسین بجهند[۲۳۷]. برای نمونه تشبیهی، همانگونه که برای گذر از رودخانه ای، ما از سنگی به سنگی دیگر می جهیم تا به دیگرسو برسیم. البته در حوزه پلاسمونیک، فاصله ذرات فلزی، عمدتاً بین ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر طراحی می شوند.
گام بعدی پیشرفت ها (مانند ارتباطات فیبر نوری،) در زمینه تولید نور و توانایی خاموش و روشن کردن آن بر روی هر یک از چیپ های کامپیوتری خواهد بود. تا حدود ۵ سال پیش، دانشمندان علمی هرگز به سیلیکن به عنوان ماده ای نوری یا نوری-الکترونیکی فعال[۲۳۸] نیاندیشیده بودند. برای آنها، سیلیکن تنها ماده ای بود که نور را از خود گذر می داد[۲۳۹].
در یک دهه گذشته، با استفاده از روش های علمی و ابزارهای فنی سخت افزاری ، پژوهشگران دریافته اند که می توان، با پدیده هایی نوین، بر روی سیلیکن لیزر بسازند و همچنین توانایی مدولاسیون[۲۴۰]( خاموش و روشن کردن) سیگنال های نوری[۲۴۱] را داشته باشند[۲۴۲]. علیرغم ریزسازی مستمر[۲۴۳]، این دستگاه ها هنوز برای مدارهای یکپارچه الکترونیک سیلیکنی بزرگ هستند و فضاگیر شمرده می شوند. روند کنونی فن آوری لیزرها و مدولاتورهای نانویی[۲۴۴]، که هم اکنون هم بسیار سریع هستند و بی نهایت هم برای کاهش مصرف انرژی سودمند می باشند، چنین است که چگونه می توان بخش های سازنده[۲۴۵] آنها را هر چه بیشتر فشرده و ریزتر کرد[۲۴۶]. همانگونه که قانون مور ما را قادر ساخت تا ابزارهای الکترونیکی کوچک تر و ریزتر بسازیم، ما امروزه نیاز به ریزسازی ابزارهای نوری خود بر سیلیکن داریم[۲۴۷].
البته در حوزه ارتباطات نوری،[۲۴۸] تحولات بسیار سریع تر اتفاق می افتند[۲۴۹]. همانگونه که پیشتر اشاره کردم، قانون مور[۲۵۰] در حوزه الکترونیک[۲۵۱]، صحبت از دوبرابر شدن تحولات و پیشرفت های فنی هر ساله بود[۲۵۲]. خوب، حالا در زمینه ارتباطات فیبر نوری پیشرفت های فنی سخت افزاری حتی سریع تر هستند[۲۵۳]. تنها هنگامیکه به بارآوری کار[۲۵۴] بر اساس میزان اطلاعات ارسالی که در هر ثانیه محاسبه می شود، یعنی میزان بایت در هر ثانیه که از فیبرهای نوری ارسال می‌شوند، نگاهی بیاندازیم، پیشرفت ها از تحولات قانون مور سریع تر هستند. نسل های نوین ابزارهای ارتباطاتی تقریباً هر ۱۸ ماه تغییر می کردند و هنگامیکه دانشمندان علمی با استفاده از ابزارهای نوین توانستند رنگ هایی گوناگون را، یعنی رنگین کمانی از رنگ ها را، از فیبرهای نوری عبور دهند، در فاصله ی زمانی کوتاهی، پیشرفت های ارتباطاتی حدوداً ۱۰ برابر شدند[۲۵۵] و البته هنگامیکه با پدیده تقسیم طول موجی، یا چند بخشی شدن طول موجی[۲۵۶]، روبرو شدیم، جهش های فنی شگفت انگیز بوده اند[۲۵۷].
چنین جهش های بی نظیر فنی[۲۵۸] و پیشرفت های شگفت انگیز سخت افزاری[۲۵۹] در ارتباطات اینترنتی فیبر نوری[۲۶۰]، ارسال اطلاعات را تقریباً رایگان کرده است. ساخت اینترنت نوری و مرتبط کردن آن به ارتباطات بی سیم، همه و همه بر اساس زیرساخت های سخت افزاری[۲۶۱] ابعاد و مقیاس نانو میسر شده اند[۲۶۲]. چنین پیشرفت های بی نظیر سخت افزاری، متکی بر نور یا موجی ست که از فیبرهای نوری گذر می کند، و در این فرآیند، نور به مثابه ذره هم موضوع پژوهش بوده است. البته از یاد نبریم که در آن حوزه، ابزار لیزری (که بنیادا وسیله ای کوانتومی است[۲۶۳]) نیز بوجود آمده است[۲۶۴]. ابزاری سخت افزاری که نور را، برای کیلومترها بدون هرز رفتگی انرژی[۲۶۵]، از درون فیبرهای نوری ارسال می کند.
چنین پیشرفت هایی در فن آوری نانو، مطرح شدن دو پدیده فیزیکی[۲۶۶] مهم را به همراه داشته است[۲۶۷]:
پدیده نخستین، مطرح شدن الکترون هاست که بنیان همه محاسبات کامپیوتری هستند، و با دیگر الکترون ها و با فوتون ها به آسانی درهم کنش[۲۶۸] دارند.
پدیده دوم، طراحی، مهندسی و تولید ابزارهای نوین سخت افزاری[۲۶۹] در ابعاد نانو[۲۷۰] می باشد[۲۷۱].
این ابزارهای[۲۷۲] نانویی، توانایی کارکرد و ایجاد پیوند بین دو حوزه ی الکترونیک[۲۷۳]( که جهان اطلاعات و کامپیوتر را می‌سازد،[۲۷۴]) و حوزه نور[۲۷۵]( که جهان ارتباطات را ساخته است،) فراهم کرده اند[۲۷۶].
وقت و روزگار خوش. دانا و توانا باشید.
—————————————-
New product development
برای مقالات علمی من (منجمله این مقاله) به شکل پی دی اف و همچنین فایل های صوتی ، لطفا به کانال تلگرام “سرشت علم” من مراجعه فرمائید
همچنین می توانید به کانال لینکدین زیر مراجعه فرمائید
https://www.linkedin.com/in/raymond-rakhshani-16628a5/detail/recent-activity/shares/
با سپاس از دوست گرامی، جناب اسفندیار منفردزاده، که با مهر و دوستی آهنگ آغازین و پایانی “سفر به ریزها” را برای فایل های صوتی من ساختند.
“The Handbook of Nano Technology, Policy and Intellectual Property Law”, John C. Miller, et al, Hoboken New Jersey: John Wiley and Sons, 2005.
چاپ و انتشار این مقالات و فایل های صوتی بدون ذکر نام نویسنده (ر. رخشانی) و مرجع، و هرگونه استفاده برای مقاصد خصوصی و اهداف انتفاعی بدون گرفتن مجوز از نویسنده اکیدا غیر قانونی است.
Sanders, Wesley, C. Basic Principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Frankel, Felice, C. and Whitesides, George, M. No Small Matter: Science on the Nanoscale. Belknap Press of Harvard University, 2009.
Schwab, Klaus. The Fourth Industrial Revolution. Currency, 2017.
Datta, Supriyo. Lessons from Nanoelectronics: A New Perspective on Transport. World Scientific Publishing Company Ltd., 2017.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Information processing
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
Rakhshani, R. Origins of Modernity in the Evolution of Science and Technology. Booksurge, 2009.
Koss, W. R. Six Days that Shook the World. Booksurge Publishing, 2006.
Reliable
Majumdar, Arun, K. Advanced Free Space Optics (FSO): A Systems’ Approach. Springer, 2014.
Terrabyte
Fiber optics communication
Hornyak, Gabor, L. and Dutta, Joydeep, and Tibbals, H. F. Introduction to Nanoscience. CRC Press, 2008.
Wireless communication
Dowling, Jonathan, P. Schroedinger’s Web: Race to Build the Quantum Internet. CRC Press, 2020.
Rappaport, Theodore, and Heath, Robert, Jr., and Daniels, Robert, and Murdock, James. Millimeter Wave Wireless Communications. Pearson, 2014.
Smart phone
NanoScientists’ ability and creativity
Processing
Wireless communications
Backbone
Gyasi-Agyei, Amoakoh. Wireless Internet of Things: Principles and Practice. World Scientific Press, 2020.
Optical internet
Information- communication pipelines
Chinese Academy of Engineering. Network and Communication: Research on the Development of Electronic Information Engineering Technology in China. Springer, 2020.
Modulation
Djodjevic, Ivan, B. Advanced Optical and Wireless communication. Springer, 2018.
Synchronous measurement
Receptor- detector
Technological capability to modulate light per second
Binh, Le Nguyen. Optical Modulation: advanced Techniques and applications in Transmission Systems and Networks. CRC Press, 2017.
Optical fiber
Specific properties
Fundamental atoms and molecules
Bouncing back and forth
Sutor, Robert, S. Dancing with Qubits: How Quantum Computing Works and How It Can Change the World. Packt Publishing, 2019.
Diffusion
Dispersion
Diffusion and dispersion
Kaushal, Hemani, and Jain, V. K., and Kar, Subrat. Free Space Optical Communications (Optical Networks.) Springer, 2017.
Single-mode fibers
Zhou, Xiang, and Xie, Chongjin. Enabling Technologies for High Spectral-efficiency Coherent Optical communication Networks. Wiley, 2016.
Cylindrical
Cylindrical Cladding
Kumar, Shiva, and Deen, Jamal, M. Fiber Optic Communications: Fundamentals and Applications. Wiley, 2014.
Optical environment
Only two options
Transfer
Iniewski, Kyzrsztof. Internet Networks: wired, wireless, and Optical Technologies. CRC Press, 2018.
Loss
Escape from the optical environment
Ramaswami, Rajiv, and Sivarajan, Kumar, and Sasaki, Galen. Optical Networks: a practical Perspective. Morgan Kaufman, 2009.
Uniform speed
Janyani, Vijay, and Singh, Ghanshyam, and Tiwari, Manish, and Ismail, Tawfik, et. al. Optical and wireless technologies: Proceedings of OWT 2019. Springer, 2020.
Cvijetic, Milorad, and Djordjevic, Ivan, B. Advanced Optical Communication Systems and Networks. Artech House, 2013.
Spreading out
Light Dispersion
Bettini, Alessandro. A Course in Classical Physics 4 – Waves and Light. Springer, 2017.
Modulation
Dispersion over time leads to the loss of electronic signal integrity
Chadha, Devi. Optical WDM Networks: From Static to Elastic Networks. Wiley – IEEE Press, 2019.
Testa, Francesco, and Pavesi, Lorenzo. Optical Switching in Next Generation Data Centers. Springer, 2019.
Fiber optic cables
Jue, Jason, P. and Vokkarane, Vinod, M. Optical Burst Switched Networks. Springer, 2006.
Principal and primary foundation of our fiber optics communication
The Absorption of Light
Transferred electronic signals
Powell, Baden. A General and Elementary View of the Undulatory Theory as Applied to the Dispersion of Light. Wentworth Press, 2019.
Information loss
Majumdar, Arun, K. Optical Wireless Communications for Broadband Global Connectivity: Fundamentals and potential Applications. Elsevier, 2018.
Band-to-band absorption
Willebrand, Heinz. Free Space Optics: Enabling Optical connectivity in Today’s Networks. Pearson Technology Group, 2007.
Excite
Oughstun, Kurt, E. and Sherman, G. C. and Tamir, T. Electromagnetic Pulse Propogation in Casual dielectrics (Springer Series on Wave Phenomena.) Springer, 2002.
Information transfer
Azadeh, Mohammad. Fiber Optics engineering. Springer, 2009.
Scattering
Bohren, Craig, F. and Huffman, Donald, R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley – VCH, 1998.
Inniss, daryl, and Rubenstein, Roy. Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution. Morgan Kaufman, 2016.
Imtiaz, Waqas Ahmed, and Roka, Rastislav. Design, Implementation, and Analysis of Next Generation Optical Networks: Emerging Research and Opportunities. IGI Global, 2019.
Light scattering
Uniformity and transparency
Scattering
Tapolcai, Janos, and Ho, Pin-Han. Internet Optical Infrastructure: Issues on Monitoring and Failure Restoration. Springer, 2014.
Glass structure improvement
Transparent
Pure and complete central cylinder
Lopez, Victor, and Velasco, Luis. Elastic Optical Networks: Architectures, Technologies, and Control. Springer, 2016.
Pure and homogeneous glass
Feng, Yan. Raman Fiber Lasers. Springer, 2017.
Cavaliere, Pasquale. Laser Cladding of Metals. Springer, 2020.
Toyserkani, Ehsan, and Corbin, Stephen, and Khajepour, Amir. Laser Cladding. CRC Press, 2004.
Properties of Light for the Optical Internet
Particular wavelength of light or range of wavelengths of light
Light’s dispersion, loss and scattering
Bass, Michael, and DeCusatis, Casimer, and Enoch, Jay, and Lakshminarayanan, Vasudevan, et, al. Handbook of Optics, Third Edition Volume IV: Optical Properties of Materials, Nonlinear Optics, Quantum Optics. McGraw-Hill Education, 2009.
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Popov, S. V. Susceptibility Tensors for Nonlinear Optics. Routeledge, 2017.
Thermal processes
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷، ۱۸ ، ۱۹ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Tilley, Richard, J. D. Colour and the Optical Properties of Materials. Wiley, 2019.
Agreed upon and compromised wavelength
Compromised wavelength and energy level
Kalt, Heinz, and Clingshirn, Claus, F. Semiconductor Optics 1: Linear Optical Properties of Semiconductors. Springer, 2019.
Agrawal, Govind, P. Fiber-Optic Communication Systems. Wiley, 1997.
Li, Liang, and Yang, Qing. Advanced Coating Materials. Wiley – Scrivener, 2018.
Bach, Hans, and Neuroth, Norbert. The Properties of Optical glass. Springer, 1995.
Bendow, Bernard. Optical Properties of Highly Transparent Solids. Springer, 2012.
Jalali, Bahram. Silicon Photonics. Journal of Lightwave Technology, 24, no. 12 (December 2006.)
Suratwala, Tayyab, I. Materials Science and Technology of Optical Fabrication. Wiley, 2018.
Kasunic, Keith. Optical Systems Engineering. McGraw- Hill Education, 2011.
Coldren, Larry, A. and Corzine, Scott, W. and Mashanovich, Milan, A. Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits. Wiley, 2012.
Epperlein, Peter, W. Semiconductor Laser Engineering, Reliability and Diagnostics: A Practical Approach to High Power and Single Mode Devices. Wiley, 2013.
Single mode
Uniform speed
Bach, Hans, and Neuroth, Norbert. The Properties of Optical glass. Springer, 1995.
Ohtsubo, Junji. Semiconductor Lasers: Stability, Instability and Chaos (springer Series on Optical Sciences, 111.) Springer, 2018.
L.E.D. (Light Emitting Diode)
Contera, Sonia. Nano Comes to Life: How Nanotechnology is Transforming Medicine and the Future of Biology. Princeton University Press, 2019.
Single direction
Single mode property
Saleh, Bahaa, E. A. and Teich, Malvin, Carl. Fundamentals of Photonics, 2 Volume Set. Wiley, 2019.
Pure light
Emission angle
Jeunhomme. Single-Mode Fiber Optics: Principles and Applications, Second Edition. CRC Press, 1989.
Specific, single and directional wavelength
Single periodic oscillation in Space-time
Single operatic note without any vibrato
Hruza, George, J. and Tanzi, Elizabeth, L. and Dover, Jeffrey, S. and Alam, Murad. Lasers and Lights: Procedures in Cosmetic Dermatology. Elsevier, 2017.
Hecht, Jeff. Understanding Lasers: An Entry – Level Guide. Wiley – IEEE Press, 2018.
Optical loss
Silfvast, William, T. Laser Fundamentals. Cambridge University Press, 2004.
Trimbakrao, Suresh. Nanomaterial Synthesis, Characterization and its Applications: A Scientific Approach. LAP Lambert Academic Publishing, 2019.
Design, engineer and produce
Simultaneous entities
Ter – Mikirtychev, Vartan, V. Fundamentals of Fiber Lasers and Fiber Amplifiers. Springer, 2019.
Amplification
Stereo systems’ speakers
Amplifiers
Small electrical modulations
Stronger acoustic signals
Baranov, Alexei, and Tournie’, Eric. Semiconductor Lasers: Fundamentals and Applications. Woodhead Publishing, 2013.
Amplification of light
The universe
OP-TEC Optics and Photonic Series. Fundamentals of Light and Lasers, 2nd Edition. OP-TEC Publishing, 2013.
Optical gain
Resonance
Feedback
Perfect without defect
Chin, See Liang. Fundamentals of Laser Optoelectronics. World Scientific Publishing Company, 1989.
Thyagarajan, K. and Ghatak, Ajoy. Lasers: fundamentals and Applications. Springer, 2010.
Spontaneous process
Photon amplification
Light intensity
Fowles, Grant, R. Introduction to Modern Optics. Dover Publications, 1989.
Stead State
Khalili Amiri, Pedram. Emerging Memory and Computing Devices in the Era of Intelligent Machines. MDPI AG, 2020.
Light amplification
Resonance
Raza, Hassan. Nanoelectronics Fundamentals: Materials, Devices and Systems (Nanoscience and Technology.) Springer, 2019.
Quantum Wells
Erdem, Talha, and Dimir, Hilmi Volkan. Color Science and Photometry for Lighting with LEDs and Semiconductor Nanocrystals. Springer, 2019.
Available energy
Klingshirn, Claus, F. and Forchel, Alfred, and Gilliot, Pierre, and Hoefling, Sven, and Henneberger, Fritz, and Kasper, Eric, et. al. Semiconductor Quantum Structures – Growth and structuring. Springer, 2013.
Composition of the semiconductor
Electron waves
Physical extent
Tong, Cunzhu, and Jagadish, Chennupati. Nanoscale Semiconductor Lasers. Elsevier, 2019.
Excited emission
Rathi, Amit, and Singh, Amit Kumar. Research Methodology and Literature Review on Optoelectronics and Lasers: III-V Semiconductors, Infrared Lasers & Detectors & Wavelength Tuning in Lasers. Amazon Kindle, 2020.
Light amplification inside Lasers
Pottathara, Yasir Beeran, and Thomas, Sabu, and Kalarikkal, Nandakumar, and Grohens, Yves, and Kokol, Vanja. Nanomaterials Synthesis: Design, Fabrication and Applications. Elsevier, 2019.
Klotzkin, David, J. Introduction to Semiconductor Lasers for Optical Communications: An Applied Approach. Springer, 2020.
Indium arsenide
Mendeleev’s Periodic Table of elements
Germanium
Compound Semiconductors
Gallium Arsenide
Equal Stoichiometry
Sze, Simon, M. Semiconductor Devices: Physics and Technology. Wiley, 2001.
Outer most electron orbit
لطفا به مقاله و فایل صوتی شماره ۲۸ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Covalent bonding
Precise wavelength
Light emission
Optical Electronics
Photonics
Optical material or element
Kolsrud, Arild. The Electromagnetic Frequency Spectrum of North America: Desk Reference for What Can be Found on the Airways. Independently Published, 2019.
Their scarcity
Specialized foundries
For profit and business interests
Infrastructure
Haar, Ter, D. Problems in Quantum Mechanics: Third Edition. Dover Publications, 2014.
Electronic Integrated Circuits
Energy density
Nuclear reactors
Puers, Robert, and Baldi, Livio, and Van de Voorde, Marcel, and Van Nooten, Sebastiaan, E. Nanoelectronics: Materials, Devices, Applications, 2 Volumes. Wiley – VCH, 2017.
Computing or calculating processes
Communication functions
Combining silicon electronics with optical physics
Guiding light around silicon chips
In order to guide the light around computer chips
Photo Lithography
Etching
Light waves
Hohenester, Ulrich. Nano and quantum Optics: An Introduction to Basic Principles and Theory. Springer, 2020.
Similar property as diamond
Finely ordered Atomic Structure
Refractive Index or Index of Refraction
Optical density
Similar property
برای توضیح رویکردهای بالا به پایین، و پایین به بالا در فن آوری نانو، به فصل نخست “سفر به ریزها” مراجعه فرمائید:
همچنین می توانید به کانال لینکدین زیر مراجعه فرمائید
https://www.linkedin.com/in/raymond-rakhshani-16628a5/detail/recent-activity/shares/
Wave Guides
Many sharp turns
Efficient optical guide
Extremely good optical guide
Inniss, daryl, and Rubenstein, Roy. Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution. Morgan Kaufman, 2016.
Silicon’s high Index of Refraction
Wave guides
Adiabatic Couplings
Strathern, Paul. Mendeleyev’s Dream: The Quest for the Elements. Pegasus Books, 2019.
Optical funnel
Silicon wave guides
Baschirotto, Andrea, and Harpe, Pieter, and Makinwa, Kofi, A. A. Next-Generation ADCs, High-Performance Power Management, and Technology Considerations for Advanced Integrated Circuits: Advances in Analog Circuit Design 2019. Springer 2019.
Jacak, Witold, A. Quantum Nano-Plasmonics. Cambridge University Press, 2020.
Jacak, Witold, A. Quantum Nano-Plasmonics. Cambridge University Press, 2020.
Sharma, Rohit. Characterization and Modeling of Digital Circuits: Second Edition. Independently Published, 2018.
Metallic nanoparticles
Borisenko, Victor, E. and Ossicini, Stefano. What is What in the Nanoworld: A Handbook of Nanoscience and Nanotechnology. Wiley-VCH, 2013.
Optical element or an active optical-electronic element
Marquez, Andres, and Lizana, Angel. Liquid Crystal on Silicon Devices: Modeling and Advance Spatial Light Modulation Applications. MDPI Ag, 2019.
Modulation ability
Optical signals
Innis, Daryl, and Rubenstein, Roy. Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution. Morgan Kaufmann, 2016.
Continuous miniaturization
Laser technology and nano-modulators
Building blocks
Sikkandar, Mohamed, and Rajamani, Geetha, and Kumar, Deepak. Fundamentals of Nanoscience.Noor Publishing, 2020.
Radamson, Henry, and Thylen, Lars. Monolithic Nanoscale Photonics-Electronics Integration in Silicon and Other Group IV Elements. Academic Press, 2014.
Optical communications
Sibley, Martin. Optical Communications: Components and Systems. Springer, 2020.
Moore’s Law
Hoefflinger, Bernd. CHIPS 2020 VOL. 2: New Vistas in Nanoelectronics (The Frontiers Collection.) Springer, 2015.
Tigelaar, Howard. How Transistor Area Shrank by 1 Milion Fold. Springer, 2020.
Hui, Rongqing. Introduction to Fiber-Optic Communications. Academic Press, 2019.
Productivity
Grobe, Klaus, and Eiselt, Michael. Wavelength Division Multiplexing: A Practical Engineering Guide. Wiley, 2013.
Grobe, Klaus, and Eiselt, Michael. Wavelength Division Multiplexing: A Practical Engineering Guide. Wiley, 2013.
Schubert, Thomas, and Kim, Ernest. Fundamentals of Electronics Book 1: Electronic Devices and Circuit Applications. I K International Publishing House, 2017.
Unprecedented technological leaps
Amazing hardware advancements
Nath, Vijay, and Mandal, Jyotsna Kumar. Proceedings of the Third International Conference on Microelectronics, Computing and Communication Systems: MCCS 2018. Springer, 2019.
اغلب آغازِ اندیشه ورزیِ آدمی با آغازِ ابزارسازی (دست ورزی) وی عجین بوده است. علمِ مدرن ثابت کرده است که انسان موجودی ابزارساز است و که آغازِ اندیشه ورزی در ابزارسازی شکل گرفته است، و اینکه در زبان و یا در واژه شکل نگرفته است. علمِ مدرن ثابت کرده است که ایده‌ها و پندارها، در تلاش برای ساختِ ابزار، اغلب از سطحی ناآگاه و گویی در الهام و در وحی ای متکی بر تجربه ی بقا و بهبود سرچشمه گرفته است. سپس آدمی واژگان و کلماتی را برایِ بیانِ آنها ساخته است. علمِ مدرن ثابت کرده است که ایده و پندار، اغلب در روندِ ابزارسازیِ آدمی شکل می گیرد و واژگان به دنبال آنها پدید می آیند.
علمِ مدرن ثابت کرده است که جهانِ طبیعی در سرشت خود چند بعدی و واژه در طبیعت خود اغلب تک بعدی است. هنگامیکه برای پدیده ای طبیعی واژه ای می‌‌سازیم، آن واژه نیاز به تعریف و تفسیر دارد.
Zubry, Boris, M. Introduction to Nanotechnology. Independently Published, 2019.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Exotic Nanostructures and Quantum Systems. CRC Press, 2020.
Callister, William, D. and Rethwisch, David, G. Materials Science and Engineering. John Wiley & Sons, 2010.
Without energy loss
Two important physical phenomena
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
Interaction
Design, engineer and produce new nanscale hardware tools
Nanoscale Hardware Instruments and Tools
Campbell, Steven, A. Fabrication Engineering at the Micro – and Nanoscale (The Oxford Series in Electrical and Computer Engineering) Oxford University Press, 2012.
Sharma, Rohit. Design of 3D Integrated Circuit and Systems. CRC Press, 2020.
Sanders, Wesley, C. Basic principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Sampaio de Alencar, Marcelo, and de Alencar, Raphael Tavares, and Rocha, Raissa Bezerra. Linear Electronics. River Publishers, 2020.
Volokitin, Aleksandr, I., and Persson, Bo, N. J. Electromagnetic Fluctuations at the Nanoscale: Theory and Applications. Springer, 2017.
Vikraman, Na. Textbook of Linear Integrated Circuits and Applications. Independently Published, 2020.
