کد خبر : 2076 دوشنبه 27 بهمن 1393 - 11:50:29
فناوری-نانو-در-خدمت-مخابرات-نوری-کشور

فناوری نانو در خدمت مخابرات نوری کشور

سیناپرس: یکی از چالش‌های مربوط به مخابرات نوری، سیستم‌های حامل اطلاعات نوری یا فیبرهای نوری است. توسعه فناوری نانو، امکان ساخت سیستم‌هایی به نام کریستال‌های فوتونیکی را فراهم آورده است .

سیناپرس: پیش‌بینی می‌شود با توجه به خواص فوق‌العاده ،فیبرهای نوری بتوانند انقلابی در فناوری‌های مربوط به علم فوتونیک ایجاد کنند. در حال حاضر تحقیق روی خواص کریستال‌های فوتونیکی از رایج‌ترین موضوعات تحقیق در جهان و قطب علمی فوتونیک کشور است.

انقلاب الکترونیک

در قرن نوزدهم قالب پیشرفت‌ها در حوزه فناوری مکانیکی پدید آمد اما دو عیب بزرگ فناوری مکانیکی یعنی سرعت و دقت پایین بود که منجر به ظهور فناوری جدیدی در قالب الکترونیک شد. حوزه مکانیک با جرم بزرگی در تعامل است که باعث کاهش سرعت می‌شود اما جرم یک الکترون به کوچکی 9.6 در ده به توان منفی سی و یک است لذا مشخص است که با سرعت فوق‌العاده‌ای در حوزه الکترونیک روبه رو هستیم و طبق قوانین مکانیک نمی‌توان چنین سرعت بالایی را با جرم بزرگ مواد به دست آورد که در واقع محدودیت ذاتی جرم است. از موارد نیازمند به سرعت بالا می‌توان پردازش تصویری، محاسبات پراکندگی دارو در بدن و غیره را نام برد. نقص دوم فناوری مکانیکی دقت پایین آن است زیرا تمامی ادوات مکانیکی دارای نوعی back lash یا لقی هستند که باعث بروز خطا در آنها می‌شود. تمامی این موارد از یک سو و اختراع ترانزیستور از سوی دیگر منجر به رشد و گسترش مفاهیمی نظیر فناوری سطحی یا میکروالکترونیک شد.

 

یکی از چالش‌های مربوط به مخابرات نوری، سیستم‌های حامل اطلاعات نوری یا فیبرهای نوری است. توسعه فناوری نانو، امکان ساخت سیستم‌هایی به نام کریستال‌های فوتونیکی را فراهم آورده است که

مهندسی الکترونیک در یک نگاه

مهندسی برق شاخه‌ الکترونیک دارای گرایشهای طراحی آنالوگ، مدارهای دیجیتال، ادوات میکرو و نانوالکترونیک و طراحی مدارات مجتمع نوری است.

طراحی آنالوگ، گرایشی است که در گذشته‌ نه چندان دور نمادی برای یک مهندس الکترونیک بوده است و وقتی نامی از مهندس الکترونیک برده می‌شد، مدارات الکترونیکی آنالوگ شامل سلف، خازن، مقاومت و تقویت کننده‌های عملیاتی در ذهن تداعی می‌شدند. امروزه این شاخه از مهندسی الکترونیک با حفظ کاربری خود در طراحی مدارهای آنالوگ برای استفاده در وسایل خانگی، سیستم‌های ارتباطی و پروژه‌های عمدتا تجاری به تدریج شاخص بودن خود را از دست می‌دهد.‌ سیستم‌های دیجیتال برتری ویژه‌ای بر سیستم‌های آنالوگ پیدا کرده‌اند و سبب شده است امروزه تمایل بیشتری برای طراحی بر پایه‌ سیستم‌های دیجیتال به‌ وجود بیاید به طوری که می توان عصر حاضر را عصر دیجیتال نامید. مهندس برق در شاخه‌ الکترونیک دیجیتال در کنار مهندسین مخابرات در انجام پروژه‌های مخابراتی و پیاده‌سازی بهینه‌ طرح‌های مخابراتی نقش عمده‌ای ایفا می‌کند. طراحی بردهای FPGA، طراحی بردهای کنترلی با استفاده از میکروکنترلرها از جمله فعالیت‌هایی است که در تخصص این گرایش است. علاوه بر کاربردهای نظامی، با توجه به دیجیتالی شدن اکثر وسایلی که به صورت روزمره با آنها سروکار داریم، نیاز ویژه‌ای در کشور به مهندسین توانا در این زمینه دیده می‌شود. گرایش ادوات میکرو-نانو الکترونیک از گرایش‌های نو ظهور است که بحث‌های آن در مرزهای دانش واقع است. بیشتر فعالیت‌ها در این زمینه در کشور جنبه‌ تحقیقاتی دارد و از اهداف تاسیس چنین گرایشی در کشور نیز رشد علمی و پرورش نسلی از دانشمندان متخصص در زمینه تکنولوژی‌های نانو است. این گرایش در حال حاضر در برخی دانشگاه‌های مطرح کشور از جمله دانشگاه شریف و دانشگاه تهران ارائه می‌شود و فعالیت‌های تحقیقاتی آن به آزمایشگاه‌های موجود در این دانشگاه‌ها محدود است.

با پیشرفت فناوری کوچک کردن مدارها، مدارهای الکترونیکی دیگر پاسخگوی نیاز بشر نیست لذا باید به دنبال جایگزینی برای آن بود. یکی از این جایگزین‌ها مدارهای مجتمع نوری است و گرایشی که در این زمینه فعالیت می‌کند طراحی مدارات مجتمع نوری است. در مدارهای مجتمع نوری جای سیم‌های فلزی را موجبرهای نانومتری و یا آرایه‌های اتمی از اتم‌های فلزی خواهد می‌گیرد. ساخت این موجبرهای نانومتری با ظهور بلورهای فوتونیکی امکان‌پذیر شده است. آرایه‌های اتمی نیز از اتم‌های فلزی نیز با فناوری پلاسمونیک امکان‌پذیر می‌شود. در حال حاضر دانشگاه تبریز اصلی‌ترین قطب‌ نانوفوتونیک و طراحی مدارات مجتمع نوری در کشور به شمار می‌آید.

 

انتهای حوزه میکروالکترونیک کجاست؟

ماکزیمم سرعت الکترون 25 گیگاهرتز است. برای مثال می‌توان به سرعت اینترنت اشاره کرد که گویای این محدودیت است. در واقع سرعت پایین ادوات الکترونیکی به دلیل جرم غیر صفر الکترون است که با آن سروکار دارند و از طرفی چون ذره مدیریتی این ادوات یک جرم باردار است (بار الکترون 1.6 در ده به توان منفی نوزده است) لذا تداخل‌های مغناطیسی به وجود می‌آورد. به علاوه محیطی که الکترون باید در آن حرکت کند نیز مشکل دیگری به حساب می‌آید. پس با تمام این تفاسیر حوزه جدید باید علاوه بر برآوردن دو هدف سرعت (فاقد جرم بودن) و دقت بالا بتوانید الکترونیک را نقد کند. این حوزه که ادبیات موجی نور را در برمی‌گیرد، عرض باند چند گیگاهرتزی را به 100 ترا تا 10 پتاهرتز تبدیل می‌کند. به علاوه الکترون به دلیل اینکه ذره بارداری است به تمام تغییرات محیط از جنس میدان پاسخ می‌دهد اما فوتون‌ها به راحتی با هم اندرکنش ندارند و نسبت به هم خنثی هستند. به این ترتیب سیستم‌های نوری در برابر ادوات الکترونیکی مزایایی چون پهنای باند وسیع، ایمنی در مقابل تداخل‌های مغناطیسی، تلفات پایین انتقال (در حد 0.2 دسی‌بل به ازای هر کیلومتر)، انعطاف‌پذیری، ضریب اطمینان بالاتر، هزینه کمتر فیبر نوری، عایق بودن فیبر و ابعاد و ضخامت کم فیبر نوری را دارا هستند.

 

الکترونیک نوری یا نانوفوتونیک

یک مدار مجتمع فوتونیکی (PIC) یا همان مدار مجتمع نوری (OIC) دستگاهی است که چند (حداقل دو) تابع فوتونیکی را ادغام می‌کند و مشابه یک مدار مجتمع الکترونیکی است با این تفاوت که یک مدار مجتمع فوتونیکی قابلیت تحمیل کردن سیگنال‌های حاوی اطلاعات به طول‌ موج‌های نوری در طیف مرئی و یا فروسرخ نزدیک 850 تا 1650 نانومتری را فراهم می‌کند.

مدارات مجتمع فوتونیکی می‌توانند سیستم‌های نوری را در مقایسه با اجزای گسسته نوری فشرده‌تر و با عملکرد بهتر بسازند. آنها همچنین امکان ادغام ادوات نوری را با مدارهای الکترونیکی فراهم می‌کنند که منجر به افزایش کارکرد آنها می‌شود. اما یکی از چالش‌های دستیابی به این سطح از ادغام، اختلاف اندازه بین قطعات الکترونیکی میکرومتری و قطعات فوتونیکی نانومتری است.

 

کاربردهای مدار مجتمع نوری

مدارات مجتمع فوتونیکی هر چند کاربردهایی در زمینه‌ محاسبات فوتونیکی و پزشکی دارند اما کاربرد اصلی این مدارات در زمینه مخابرات فیبر نوری است.

توری موجبرهای آرایه‌ای (AWG) معمولا به عنوان هم‌تافتگر و واتافتگر نوری در مالتی ‌پلکس کردن بر پایه تفکیک طول‌موجی (WDM) سیستم‌های مخابراتی فیبر نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این توری‌ موجبر مثالی از یک مدار مجتمع فوتونیکی است که جایگزین طرح‌های مالتی‌ پلکس کردن قبلی شده است که از چندین المان فیلتر گسسته استفاده می‌کردند. از آنجا که جداسازی حالت‌ها یا مُدهای نوری برای محاسبات کوانتومی ضروری است، لذا این فناوری می‌تواند برای کوچک کردن یا مینیاتورسازی رایانه‌های کوانتومی مفید باشد.

مثال دیگری از کاربردهای گسترده یک تراشه مجتمع فوتونیکی در سیستم‌های مخابراتی فیبر نوری امروزی، لیزر مدولاسیون خارجی (EML) است که دیود لیزری بازخوردی را با یک مدولاتور الکترو جذبی ترکیب می‌کند و روی یک تراشه واحد مبتنی بر ایندیوم فسفاید پیاده می‌کند.

 

نقش سیستم‌های کریستال فوتونیکی در مخابرات نوری نسل جدید

یکی از چالش‌های مربوط به مخابرات نوری، سیستم‌های حامل اطلاعات نوری است که مرسوم‌ترین آنها فیبرهای نوری می‌باشد. فیبرهای نوری دارای محدودیت‌ها و نواقصی از قبیل محدودیت عرض باند، پاشندگی غیرهمگن و غیره هستند. توسعه فناوری نانو، امکان ساخت سیستم‌هایی به نام کریستال‌های فوتونیکی را فراهم آورده است که پیش‌بینی می‌شود با توجه به خواص فوق‌العاده آنها بتوانند انقلابی در فناوری‌های مربوط به علم فوتونیک ایجاد کنند. در حال حاضر تحقیق روی خواص کریستال‌های فوتونیکی از رایج‌ترین موضوعات تحقیق در جهان است و قطب علمی فوتونیک کشور واقع در دانشگاه تبریز نیز هم‌زمان با سایر پژوهشگران در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی جهان و در ارتباط و همکاری مستمر با آنها طرح‌های پژوهشی مختلفی را در دست اجرا دارد.

استفاده از کریستال‌های فوتونیکی در مخابرات مستلزم ایجاد نوارهای انتقال امواج در فرکانس‌های معینی است که این امر به مهندسی نوار هدایت موسوم است و یکی از موضوعات مورد تحقیق کمیته فوتونیک-الکترونیک دانشگاه تبریز می‌باشد. همچنین طراحی ساختارهای کریستال‌های فوتونیکی به منظور استفاده در فیبرهای نوری با عرض فرکانس کم، مبدل‌ها، سوئیچهای نوری و میکرو کاواک‌های نوری از دیگر طرح‌های مورد پژوهش این کمیته است.

تقاضای انفجاری اطلاعات در دنیای اینترنت نیازمندی‌های فوق العاده‌ای را برای افزایش ظرفیت در شبکه‌های مخابراتی نسل جدید به وجود آورده است. ثابت شده است که ترافیک مبتنی بر دیتا در هر سال دو برابر می‌شود و شبکه‌های نوری راه حل نهایی پهنای باند سیستم‌های مخابراتی آینده  به حساب می‌آیند . لینک‌های فیبر نوری بکار گرفته شده بین گره‌های شبکه توانایی حمل اطلاعات در حد ترابایت را دارا هستند ولی سوئیچینگ الکترونیک در نودها پهنای باند شبکه را محدود ساخته است لذا با استفاده از سوئیچ‌های نوری در گره‌ها این محدودیت برطرف می‌شود. با بهبود بهره‌وری و کاهش قیمت تمام شده آنها، سوئیچ‌های نوری کلیدی برای مدیریت و ظرفیت جدید لینک‌های مالتی پلکس کردن بر اساس تفکیک طول موج پرتراکم (DWDM) به حساب می‌آیند. بعلاوه در یک شبکه سوئیچ نوری چالش بر سر غلبه بر ضعف سیگنال و پارامتر‌های وابسته است . توسعه‌های اخیر در لیزرهای قابل تنظیم ، تقویت کننده‌های فیبری با اربیوم تزریق شده (EDFA) ، توسعه در ساخت فیبرهای نوری به طور وسیعی ظرفیت سیستم‌های مخابرات نوری را افزایش داده اند. اگر چه تا این اواخر سوئیچ های نوری بر پایه الکترونیک که به سوئیچهای نوری-الکترونیکی-نوری معروف هستند برای مسیریابی اطلاعات استفاده می‌شدند.

همچنان که ظرفیت سیستم‌های مخابراتی افزایش می‌یابد، استفاده از سوئیچهای نوری-الکترونیکی-نوری گران و گران‌تر می‌شوند. لذا نوآوری در فناوری‌های سوئیچینگ اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. سوئیچ‌های تمام  نوری یک راه حل امیدوارکننده برای مخابرات نسل آینده است و مزیت اصلی سوئیچ‌های تمام نوری ظرفیت بسیار زیاد آنها، اندازه کوچک و مستقل از طول موج، تلفات کم، همشنوائی پایین و توان مصرفی پایین‌تر آنها است. از دستاوردهای قطب فوتونیک کشور در این حوزه می‌توان به شبیه‌سازی و ساخت سوئیچ نوری ماخ-زندر مبتنی بر مواد آلی اشاره کرد که کاهش انرژی مصرفی، کاهش ابعاد دستگاه، کمترین تباین بین ضریب شکست‌ها (در حد 0.02)، کاهش زمان پاسخ‌دهی سوئیچ و متعاقبا افزایش سرعت کلیدزنی را در مقایسه با ادوات مشابه به ارمغان آورده است.

آشکارسازهای نوری دارای سابقه طولانی کاربرد در زمینه‌های مختلف هستند. با این وجود هم‌چنان موارد بسیاری در زمینه افزایش کارآیی آن خصوصا در محدوده طول‌ موج‌های بلند باقی مانده است. ساخت آشکارسازهای نوری به علت حساسیت فوق‌العاده آنها به شرایط محیطی جزو فناوری‌های های‌تک محسوب می‌شود و به دلیل تنوع و وسعت کاربرد از اهمیت بسیاری برخوردار هستند. امروزه با توسعه فناوری‌های جدید در ساخت قطعات در مقیاس نانو، امکان ساخت آشکارسازهای نوری چند رنگی با کارآیی و طول عمر زیاد به نام‌های آشکارسازهای چاه کوانتومی و نقطه کوانتومی فراهم شده است. این آشکارسازها مرحله حقیقاتی خود را طی می‌کنند و به نظر می‌رسد در آینده نزدیک به عنوان جایگزین با کیفیت بالای آشکارسازهای مرسوم معرفی شوند. پژوهشگران فعال در قطب علمی فوتونیک کشور جزو محدود پژوهشگران ایرانی هستند که از چند سال پیش فعالیت‌های پژوهشی در این زمینه را آغاز کردند و تا کنون موفق به طراحی آشکارسازهای فروسرخ با کارکرد در دمای اتاق شده‌اند. آنها هم اکنون طراحی آشکارسازهای چاه کوانتومی در محدوده‌های فروسرخ و فرابنفش را برای برخی موسسات بین‌المللی برعهده دارند. از دیگر پروژه‌های در دست اجرای قطب فوتونیک کشور می‌توان به شبیه‌سازی طراحی حافظه‌های نوری با استفاده از کریستال‌های فوتونیکی، شبیه‌سازی و طراحی فیبر نوری مبتنی بر کریستال‌های فوتونیکی، شبیه‌سازی و طراحی واتافتگرهای نوری مبتنی بر کریستال‌های فوتونیکی، مهندسی نواری کریستال‌های فوتونیکی، استفاده از حالت‌های سطحی کریستال‌های فوتونیکی و بررسی نشر خودبخودی و جذب و پاشندگی اتم‌ها در بلورهای فوتونیکی اشاره کرد.

 

دستاوردهای کشور در حوزه مدارات مجتمع نوری

افزایش ظرفیت اشتغال فیبرهای نوری و شبکه فیبر نوری تا منازل (FTTH) با تکیه بر ادوات فیبری جدید کریستال‌های فوتونیکی از جمله مهمترین دغدغه‌های قطب فوتونیک کشور است. معرفی مزایای علم فوتونیک در جهت حل مشکلات مخابراتی کشور، بسط صنعت نوری کشور با توسعه ادوات مجتمع نوری مبتنی بر کریستال‌های فوتونیکی، افزایش سرعت مخابرات با تکیه بر ادوات نوین طراحی شده، دسترسی به فناوری نمایشگرهای کریستال مایع، دسترسی به فناوری آشکارسازهای فروسرخ مبتنی بر گرافن و گالیم نیتراید،طراحی و ساخت دیودهای نورگسیل، طراحی و ساخت سلول‌های خورشیدی آلی و تربیت نیروهای متخصص و کارآمد همگی از دستاوردهای کشور در حوزه فوتونیک هستند.

کلید واژه ها: فناوری نانو - مخابرات نوری -
نظرات شما

[کد امنیتی جدید]